САнкт-Петербургский государственный
университет
Виноградова Т.А., Пряхина Г.В., Паршина Т.В.
ОБЩАЯ ГИДРОЛОГИЯ
( краткий конспект лекций)
Учебное-методическое пособие
Санкт-Петербург
2010
Общая гидрология (краткий конспект лекций): Учебно-метод. Пособие / Т.А.Виноградова, Г.В.Пряхина, Т.В.Паршина – СПб, 2011. – 96 с.
Печатается по решению
Ученого Совета
факультета географии и геоэкологии
Санкт-Петербургского государственного университета
Введение
Роль гидрологии в жизни человека исключительная, к сожалению, часто недооцениваемая. Эта исключительность обусловлена не особыми достоинствами гидрологов, а вполне объективными обстоятельствами – уникальными свойствами воды как химического вещества, являющегося главным компонентом всего живого и той среды, в которой мы способны обитать. «Природа жизненных процессов такова, что жизнь, вероятно, была бы невозможна, не будь у воды этих необычных свойств» (Л.Полинг, П.Полинг, Химия, 1978).
Гидрология приобретает все возрастающее значение при решении задач научного обоснования строительного и экологического проектирования, правильного земле- и водопользования, охраны природной среды, энергетических, водохозяйственных и коммуникационных проектов. Другая важная область ее приложений – это прогнозы речного стока и опасных гидрологических явлений, таких как наводнения, селевые потоки, катастрофические обвалы и лавины в горах, загрязнение территорий и речного стока. Гидрология – один из важнейших научных элементов системы жизнеобеспечения человечества.
1. Наука гидрология и ее связь с другими науками
Воды планеты образуют гидросферу – прерывистую водную оболочку, расположенную на поверхности и в толще земной коры, включающую в себя океаны, моря, воды поверхности суши (реки, озера, подземные воды) и воды, находящиеся в виде льда и снега на поверхности и под землей. В это определение не входит вода, находящаяся в виде водяного пара в атмосфере и содержащаяся в растениях и живых организмах.
Изучение свойств гидросферы и взаимодействия ее с окружающей средой, а также исследование процессов, в ней происходящих, и их закономерностей составляет содержание науки, называемой гидрология.
Первоначально гидрология как наука подразделялась на две части — гидрологию моря и гидрологию суши. В настоящее время гидрология моря выделилась в самостоятельную науку — океанологию, в задачу которой входит комплексное изучение процессов, протекающих в Мировом океане.
По объектам исследования гидрология суши подразделяется
на следующие направления:
гидрология рек;
гидрология озер и водохранилищ;
гидрология болот;
гидрология ледников.
Помимо деления по объектам исследования гидрология суши подразделяется по основным направлениям и методам исследования
на следующие разделы:
общую гидрологию, которая ставит своей задачей изучение общих свойств водных объектов суши, закономерностей, управляющих протекающими в них процессами, и общего взаимодействия этих вод с окружающей средой, включая и те изменения, которые происходят под влиянием деятельности человека;
гидрографию, которая занимается описанием конкретных водных объектов и вод отдельных территорий, а также закономерностей их географического распределения;
гидрометрию, в задачу которой входит разработка методов и приборов для наблюдений и измерений различных гидрологических величин (скорость течения, расход воды, твердый сток, ледовые явления и т. д.);
разработка оптимальной структуры размещения пунктов гидрологических наблюдений;
инженерную гидрологию (гидрологические расчеты и прогнозы), которая решает вопросы, связанные с запросами народного хозяйства
по определению различных гидрологических характеристик для нужд гидротехники, ирригации, мелиорации, строительного и экологического проектирования.
Гидрология изучает весь комплекс вопросов, относящихся к деятельности воды на Земле. Отсюда вытекает ее тесная связь, с другими географическими науками: метеорологией и климатологией, гидрогеологией, почвоведением, геоморфологией и др. Рассмотрим некоторые примеры.
Метеорология рассматривает перенос влаги ветрами, конденсацию, выпадение атмосферных осадков, твердых и жидких. Процессы стекания, трансформации и накопления осадков на водосборе рассматривает гидрология. Вопросы испарения, распределения осадков (особенно твердых осадков) изучаются одновременно и метеорологией, и гидрологией.
При рассмотрении процессов эрозии и аккумуляции гидрология теснейшим образом соприкасается с геоморфологией — наукой о формах земной поверхности.
Изучением подземных вод, находящихся в земной коре, занимается гидрогеология. Почвенный покров и первые метры толщи горных пород –это область повышенного интереса гидрологии и гидрогеологии одновременно. Гидрологию ярусы подземных вод в первую очередь интересуют как емкости накопления воды и в разной степени замедленного ее истечения в русловую сеть речного бассейна; гидрогеология исследует распространение, формы залегания, запасы, режим и движение подземных вод.
Почвенные, подземные воды, воды атмосферы изучаются в гидрологии при исследовании взаимодействия гидросферы с другими сферами, круговорота воды в природе и формирования стока воды на водосборе.
Гидрология также тесно связана с другими естественными науками (физикой, химией, биологией).
Так, законы движения жидкости и способы применения их к решению практических задач в конкретных условиях, создаваемых природой или человеком, – задачи гидромеханики и ее прикладного раздела гидравлики.
Гидрофизика занимается изучением физических свойств природной воды, а изучением состава и химических свойств природных вод и их изменениями во времени и пространстве занимается раздел геохимии — гидрохимия.
Биологическими процессами, протекающими в воде, и их взаимодействием с окружающей средой занимается гидробиология.
Законы, на которых базируется гидромеханика и гидравлика, гидрофизика, гидрохимия и гидробиология, служат основой для исследования сложных процессов, происходящих в океанах, морях и водных объектах суши.
Методы исследований в гидрологии
Основными методами исследований современной гидрологии являются: 1) полевой, 2) экспериментальный и 3) теоретический.
Полевые исследования включают стационарные наблюдения и измерения отдельных характеристик гидрологического режима
по определенной программе в постоянном пункте водного объекта в течение длительного времени и экспедиционные исследования, которые проводятся
в течение сравнительно короткого периода времени и работы могут осуществляться на довольно обширном участке водного объекта
по определенной программе.
Экспериментальный метод заключается в детальном исследовании того или иного гидрологического процесса в лабораторных или природных условиях. Для проведения экспериментальных работ созданы специальные научно-исследовательские лаборатории, водно-балансовые станции, где в естественных условиях изучается весь процесс формирования стока воды на водосборе.
Теоретический метод исследования заключается в использовании общих физических законов и математических методов для решения гидрологических задач. В гидрологии созданы системы современных методов изучения, анализа и математического описания процессов формирования речного стока и опасных гидрологических явлений. Результаты, полученные теоретическим методом, проверяются на фактическом материале.
Наиболее полные сведения о водных объектах и их режиме могут быть получены при совместном использовании всех четырех методов исследований.
Для проведения более детальных исследований необходимо использовать следующие методы:
1. Методологический (взаимосвязь, избирательность, доказательность методов, приемов и подходов).
2. Измерительный (приборы и способы измерения изучаемых величин).
3. Экспериментальный (проведение экспериментов и наблюдений).
4. Содержательный:
физический (описание гидрологических процессов и явлений и их зависимости от универсальных законов природы);
химический (описание гидрологических, гидрохимических процессов и загрязнения с учетом круговорота химических элементов и веществ);
биологический (описание гидрологических, биохимических и биологических процессов в экосистемах).
5. Математический:
детерминированный (способы описания гидрологических процессов и явлений);
вероятностный (способы описания случайных гидрологических величин, процессов и полей).
6. Географический (обобщение и систематизация параметров моделей формирования стока и других гидрологических процессов и явлений
по ландшафтам, природным зонам и конкретным территориям).
7. Исторический (реставрация гидрологического прошлого и прогнозы будущего, история гидрологии).
8. Экологический (специфическая ориентация возможностей гидрологии в решении задач охраны окружающей среды).
9. Прикладной:
расчетный (ориентация методов гидрологии для нужд строительного и экологического проектирования);
прогностический (использование гидрологических моделей для экстраполяции гидрологических процессов в будущее).