ГИДРОЛОГИЯ

Вопросы для лекций и билетов.

I. Вводный раздел

1. Роль воды в природе и обществе. Практическое значение гидрологии. (В билетах этого вопроса не будет).

2. Гидрология, ее предмет и задачи. Составные гидрологии и связь с другими науками. (В билетах этого вопроса не будет).

3. Водные объекты и их типы. Гидрографическая сеть. Количество воды на земном шаре. Понятие о гидросфере.

Выделяют 3 группы водных объектов: водотоки (реки, ручьи…), водоемы (озера, моря…), особые водные объекты (ледники, подземные воды). Гидрографическая сеть- совокупность всех земных водных объектов данной территории. Гидросфера- это вся вода, находящаяся на земной поверхности, в литосфере и в нижних слоях атмосферы. Воды на Земном шаре- 1,54 квинтиллиона (миллиард миллиардов) тонн. Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки, лёд на полюсах). Объем гидросферы - 1 057 500 000 км кубических.

4. Гидрологические характеристики и гидрологическое состояние водного объекта. Гидрологический режим и гидрологические процессы.

Гидрологические характеристики:

1. Характеристики водного режима (уровень воды по Балтийской системе, скорость течения, расход воды, сток воды за интервал времени, уклон водной поверхности)

2. Характеристики теплового режима (температура воды, снега, льда, теплосодержание водного объекта, тепловой сток за интервал времени)

3. Характеристики ледового режима (сроки наступления и окончания различных фаз ледового режима (замерзания, ледостава, таяния, вскрытия, очищения ото льда), толщина ледяного покрова, сплоченность льдов…)

4. Характеристики режима наносов (содержание в воде взвешенных наносов или мутность воды, расход наносов, распределение наносов по фракциям (крупности)…)

5. Характеристики формы и размеров водного объекта (длина, ширина, глубина…)

6. Гидрохимические характеристики (минерализация воды, соленость, содержание отдельных ионов солей, газов, загрязняющих веществ…)

7. Гидрофизические характеристики (плотность, вязкость…)

8. Гидробиологические характеристики (состав и численность водных организмов, величина биомассы…)

Гидрологическое состояние- совокупность характеристик данного водного объекта, в данном месте, в данный момент времени.

Гидрологический режим- совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта.

Гидрологические процессы- совокупность физических, химических и биологических процессов, определяющих закономерности формирования гидрологического состояния и режима водного объекта.

5. Вода как вещество, ее молекулярная структура и изотопный состав.

Молекула воды представляет собой равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании и атомом кислорода в вершине. Атом кислорода в моле­куле воды присоединяет к себе два электрона, отнятых от атомов водорода, и тем са­мым приобретает отрицательный заряд. Атомы водорода, лишенные электронов, стано­вятся положительно заряженными протонами. Таким образом возникает полярность молекулы воды, т.е. отрицательный заряд со стороны атома кислорода и положитель­ный заряд со стороны атомов водорода.

Положительно заряженное ядро водорода одной молекулы может соединяться с отрицательно заряженным атомом кислорода другой молекулы. В результате возника­ют так называемые водородные связи, которые у воды (в отличие от других жидко­стей) гораздо прочнее, чем связи, обусловленные, межмолекулярными взаимодейст­виями. Преодоление этих связей при плавлении, испарении, нагревании воды требует гораздо большей энергии по сравнению с другими жидкостями. Это определяет ряд "аномалий" тепловых свойств воды.

6. Химические свойства воды. Классификация природных вод по минерализации. Различия солевого состава речных и морских вод. Понятие о качестве воды.

Вода – слабый электролит, диссоциирующий по уравнению

Н₂О <-> Н⁺ + ОН⁻

Уравнение характеризует ионное равновесие воды. Состояние ионного равновесия природных вод отражает водородный показатель рН = -lg [H⁺]

Благодаря особенностями молекулярного строения вода обладает свойством хорошо растворять различные химические вещества. Природная вода представляет собой слабый раствор.

Суммарное содержание в воде растворенных неорганических веществ выражают либо в виде минерализации (М, мг/л, г/л), либо в относительных единицах(%, ⁰/₀₀).

Содержание растворенных в воде веществ в г/кг или в ⁰/₀₀ называется соленостью воды S.

• Пресные – менее 1

• Солоноватые 1-25

• Соленые (морской солености) 25-50

• Высокосоленые (рассолы) свыше 50

Границы между группами выделены по следующим соображениям: 1⁰/_{00 -} верхний предел солености питьевой воды, 25 (24,7) – соленость, при которой температура наибольшей плотности и замерзания совпадают. В морях соленость выше 50 как правило не наблюдается.

Основную массу растворенных веществ составляют макрокомпоненты, к которым относятся анионы HCO3-, катионы Са2+, Mg2+, Na+, K+. Суммарное содержание Са2+ Mg+ определяет жесткость воды.

Многие вещества, содержащиеся в природной воде в значительно меньшем количестве, тем не менее играют важную роль в существовании водных экосистем, определяют потребительские свойства воды. Среди них выделяют следующие группы.

Биогенные вещества — соединения натрия, фосфора, кремния, железа, наиболее активно участвующие в жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Органические вещества — сложные соединения, образующиеся в результате разложения растительных и животных организмов. Углерод составляет примерно по­ловину их массы, а вместе с кислородом и водородом 95%.

Микроэлементы — вещества, находящиеся в воде в очень малых количествах (менее 0,01 мг/л). К ним, в частности, относятся тяжелые металлы, радиоактивные вещества.

Качество – характеристика состава и свойств, определяющая пригодность для конкретного использования:

• Температура (выше – хуже)

• Соленость и минерализация

• Мутность

По своему солевому составу природные воды подразделяются на следующие классы (по преобладающему аниону) и группы (по преобладающему катиону):

Класс гидрокарботных вод (НСО₃^-) – преобладает в речной воде

Класс хлоридных вод (Сl^-) – преобладает в морской воде

Класс сульфатных вод (SO₄^2-)

Кальциевая группа (Ca²⁺) – преобладает в речной воде

Натриевая группа (Na⁺) – преобладает в морской воде

Магниевая группа (Mg²⁺)

Калиевая группа (К⁺)

Морская соль представляет собой растворенные в воде поваренную соль и многие другие вещества.

Сумма концентрации наиболее распространенных. катионов (кальций, магний) называется общей жесткостью воды.

Также содержатся газы, биогенные вещества, органические вещества, микроэлементы(<1мг/л), загрязнители.

7. Физические «аномалии» воды и их гидрологическое значение.

Физические характеристики воды	«Аномалия»	Значения для
		Водных объектов	Земли в целом
Температура плавления (замерзания) 0 гр.	Очень высока	Вода может существовать в твердом виде	Существование ледников и снежного покрова
Температура кипения 100 гр.	Очень высока	Вода может существовать в жидком состоянии	Существование водоемов и водотоков –океанов, морей, рек
Температура наибольшей плотности 4 гр.	Наступает не в момент замерзания, а при оч. высокой температуре	При охлаждении водоема вода прекращает опускаться при достижении температуры наибольшей плотности. Водная толща не замерзает	Сохранение жизни в водоемах зимой
Плотность льда 917 кг/м3	Плотность льда меньше, чем жидкой воды	Лед всплывает, теплоизолирует водоем, замедляет его охлаждение	То же
Удельная теплота плавления (замерзания) 333 000 дж/кг	Очень велика	При плавлении льда нужна большая затрата теплоты, при замерзании это же количество теплоты выделяется	Регулирование тепловых процессов
Удельная теплота испарения (конденсации) 2,5*10^6 Дж/кг при 0 гр., 2,26*10^6 Дж/кг при 100гр.	Очень велика	При испарении воды нужна большая затрата теплоты, при конденсации в.п. это же количество теплоты выделяется	То же
Удельная теплоемкость 4190 Дж/кг*С при 15С	Очень велика	Вода медленно нагревается и медленно охлаждается	То же
К-т теплопроводности 0,57 Вт/м*С при 0 С	Очень мал	То же	То же
К-т вязкости 1,14*10^-6 м кв/с при 15 гр	Мал	Вода текучая и хорошо смазывает твердые тела	Переносит наносы, растворенные вещ-ва, теплоту, совершает механическую и эрозионную работу
К-т поверхностного натяжения 75, 6* 10(-3) Н/м при 0 гр.	Очень велик	В порах грунта и растениях действуют капиллярные силы. Капли воды обладают ударной силой	Питание растений. Дождевая эрозия
Диэлектрическая постоянная	Очень велика	Высокая растворяющая способность

8. Агрегатные состояния воды и фазовые переходы.

Вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном.

Изменение агрегатного состояния вещества называют фазовыми переходами. В этих случаях свойства воды меняются. Фазовые переходы сопровождаются выделением ил поглощением энергии, называемой теплотой фазового перехода.

Фазовые переходы: испарение, конденсация, возгонка, таяние, сублимация, кристаллизация.

9. Плотность воды и ее зависимость от температуры, солености и давления.

Плотность – главнейшая физическая характеристика любого вещества. Равна отношению массы однородного вещества к единице его объема (кг/м3). Зависит от Т и Р, а также от содержания взвешенных веществ. Скачкообразно изменяется при фазовых переходах.

При повышении температуры, плотность уменьшается (больше расстояние между молекулами). При 4 градусах наблюдается самая большая плотность воды. Увеличение солености воды также приводит к понижению температуры наибольшей плотности:

Т(наибольшей плотности)= 4-0,215 S

Увеличение солености на каждые 10‰ снижает температуру наибольшей плотности приблизительно на 2 градуса. Зависимость температуры наибольшей плотности и температуры замерзания от солености воды показывает график Хелланд-Хансена.

10. Тепловые свойства воды. Зависимость температуры замерзания и температуры наибольшей плотности от солености воды.

Тепловые свойства воды:

1. температура

2. температура замерзания

3. температура кипения

4. температура наибольшей плотности

5. удельная теплота плавления

6. удельная теплота кипения

Удельная теплота плавления пресного льда Lпл – количество теплоты, затрачиваемое при превращении единицы массы льда при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении в воду.

Температура плавления 333 000 Дж/кг.

Удельная теплота парообразования Lисп – количество теплоты необходимое для превращения единицы массы воды в пар. Зависит от температуры.

Lисп = 2,5*10в-6 – 2,4*10³Т

При 0 и 100°С Lисп. Равна 2,5*10в-6 и 2,26*10в6.

Удельная теплота испарения льда складывается из удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения.

Удельная теплоемкость – количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы воды на один градус. Аномально высока.

Зависимость температуры замерзания и температуры наибольшей плотности являются различными функциями солености. Эти зависимости иллюстрируются графиком Хелланд-Хандсена. При солености равной 24,7 0,1% и температура замерзания, и температура наибольшей плотности равны –1,33 С. Из графика видно, что морская вода замерзает при температуре меньшей 0С.

В водоемах происходит вертикальная плотностная конвекция (перемешивание): верхний слой воды охлаждается осенью от воздуха, его плотность увеличивается и он опускается. Такое охлаждение происходит до температуры 4С, потом перемешивание прекращается и подо льдом оказывается сравнительно теплая вода. Это имеет большое значение для сохранения жизни в водоемах.

11. Метод водного баланса в гидрологии. Универсальное уравнение водного баланса.

Уравнение водного баланса для интервала времени t: , где х – осадки (снег и дождь) на пов-ть, у1, у2 – поверхностный приток (отток) воды, w1, w2 – подземный приток(отток), z1 ,z2 – конденсация (испарение),± - изменение запасов воды в пределах объекта за заданный интервал времени.

Составляющими приходной части уравнения водного баланса любого озера:

• Атмосферные осадки, x

• Поверхностный приток

• Конденсация водяного пара на поверхность

• Подземный приток

Поверхностный сток может быть естественным (речной сток ), так и антропогенный (сброс обработанных вод и т.д. )

Составляющие приходной части уравнения водного баланса сточного озера:

• Поверхностный отток из озера

• Подземный отток (фильтрация) из озера

• Испарение поверхности с поверхности озера

Поверхностный отток складывается из стока вытекающей из озера реки и искусственного водозабора на хозяйственные нужды . Изменение запасов воды в озере обозначается через

Для бессточного озера уравнение водного баланса будет таким же, но только без члена в расходной части. Члены уравнения относят к некоторому интервалу времени .

12. Метод теплового баланса в гидрологии. Универсальное уравнение теплового баланса.

13. Классификация видов движения воды в водных объектах по изменчивости скорости потока. Турбулентный и ламинарный режим движения воды. Число Рейнольдса.

14. Круговорот воды на земном шаре.

Физической причиной круговорота воды на земном шаре служит солнечная энергия и сила тяжести. Солнечная энергия – это причина нагревания и последующего испарения воды. Неравномерное распределение по Земле солнечной энергии приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, вызывает воздушные потоки – ветры, переносящие испарившуюся влагу и создающие ветровые течения в океане. Сила тяжести вынуждает сконденсировавшуюся в атмосфере при благоприятных условиях влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а также все подземные и поверхностные воды стекать сначала к дренирующим местность рекам, а в конечном счете к океану. Так же на это влияет наклон поверхности Земли.

Круговорот воды основан на законе сохранения вещества, солнечной энергии, энергии силы тяжести.

15. Основные понятия водной экологии. Водные экосистемы и их компоненты.

Экосистемы- предмет изучения экологии, это природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, связанными между собой обменом веществ и энергии.

Все природные экосистемы подразделяются на три группы: наземные (тундра, степи, пустыни), пресноводные (озера, реки) и морские (океан, шельф).

Также водные экосистемы можно разделить по иерархической подчиненности: глобальная экосистема Мирового океана вместе с речной сетью его водосбора,; изолированные водные экосистемы областей внутреннего стока; крупные водные объекты (океаны, речные системы); отдельные реки, моря, вдхр, озера, болота; их крупные части (притоки, дельты, заливы, гагуны, лиманы и др.); экосистемы самого низкого ранга (элементы водоемов и водотоков- экосистемы плесов, литорали и др.). Водные экосистемы принадлежат к числу самых биопродуктивных на планете.

Но в наше время человеческое общество и его хоз. деятельность становятся важнейшим экологическим фактором, которое активно использует ресурсы природы, а так же переобразует их, нередко нарушая экологическое равновесие.

Поэтому водную экосистему (т.е. экосистему, в структуре и функционировании которой ведущая роль принадлежит воде) рассматривают из 3х самостоятельных компонентов:

1. абиотическая часть водной экосистемы, т.е. вода с содержащимися в ней растворенными и взвешенными вещ-вами, грунта дна и берегов водных объектов;

2. биотическая часть водной системы, т.е. все гидробионты (орг-мы, живущие в воде) и их комплексы- биоценозы;

3. человеческое общество и его хозяйственная деятельность.

К первому нужно отнести соленость, мутность воды, скорость течения, ледовые явления, температуру воды, уровень воды и др.

Изучением пространственно-временной изменчивости этих экологически значимых характеристик и занимается гидрология.

16. Водные ресурсы и их отличие от других природных ресурсов. Основные принципы рационального использования и охраны природных вод от истощения и загрязнения.

Водные ресурсы в широком смысле – все природные воды Земли, представленные водами рек, озер, вдхр, болот, ледников, водоносоных горизонтов, океанов и морей.

ВР в более узком смысле – природные воды, которые используются человеком в настоящее время и могут быть использованы в обозримой перспективе.

Наиболее ценными ВР являются запасы пресных вод. Складывается из статистических запасов воды и из непрерывно возобновляемых водных ресурсов. Статистические запасы пресных вод представлены не подверженной заметным ежегодным изменениям частью водных объемов озер, ледников, подземных вод.

Возобновляемые водные ресурсы – те воды, которые ежегодно восстанавливаются в процессе круговорота воды на земном шаре. Материковый сток и составляет возобновляемые водные ресурсы земного шара.

Особенности ВР.

1. Вода обладает уникальными свойствами. Ее нельзя ничем заменить.

2. Вода – ресурс неистребимый.

3. Пресные воды – возобновляемый природный ресурс. (Круговорот)

4. Вода – ресурс многоцелевой

5. Вода подвижна.