- •Гидрология полный курс для экологов
- •Введение
- •Вода в природе и жизни человека
- •Понятие о гидросфере
- •Границы гидросферы
- •Образование гидросферы
- •Водные объекты
- •Гидрологический режим и гидрологические процессы
- •Науки о природных водах
- •Методы гидрологических исследований
- •Использование природных вод в народном хозяйстве и практическое значение гидрологии
- •Бассейновому органу и
- •Администрации территории — субъекту Российской Федерации.
- •1) Поверхностные водные объекты — водотоки (реки, ручьи, каналы) и водоемы (озера, водохранилища, болота, пруды), ледники и снежники;
- •2) Внутренние морские воды (расположены в сторону берега от границы территориальных вод);
- •3) Территориальные моря России (прибрежные воды шириной 12 морских миль).
- •Краткие сведения из истории гидрологии
- •Глава 1
- •1. Химические и физические свойства природных вод
- •1.1. Вода как химическое соединение, ее молекулярная структура и изотопный состав
- •1.2. Химические свойства воды. Вода как растворитель
- •1.3. Физические свойства воды
- •1.3.1 Агрегатные состояния воды и фазовые переходы
- •1.3.2. Плотность воды
- •1.3.3. Тепловые свойства воды
- •1.3.4. Некоторые другие физические свойства воды
- •Глава 2 физические основы гидрологических процессов
- •2.1. Фундаментальные законы физики и их использование при изучении водных объектов
- •2.2. Водный баланс
- •2.3. Баланс содержащихся в воде веществ
- •2.4. Тепловой баланс
- •2.5. Основные закономерности движения природных вод
- •2.5.1. Классификация видов движения воды
- •2.5.2. Расход, энергия, работа и мощность водных потоков
- •2.5.3. Силы, действующие в водных объектах
- •Глава 3 круговорот воды в природе и водные ресурсы земли
- •3.1. Вода на земном шаре
- •3.2. Современные и ожидаемые изменения климата и гидросферы земли
- •3.3. Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод
- •3.4. Круговорот воды на земном шаре
- •3.5. Круговорот содержащихся в воде веществ
- •3.6. Влияние гидрологических процессов на природные условия
- •3.7. Водные ресурсы земного шара, частей света и россии
- •Глава 4 гидрология ледников
- •4.1. Происхождение ледников и их распространение на земном шаре
- •4.2. Типы ледников
- •4.3. Образование и строение ледников
- •4.4. Питание и абляция ледников, баланс льда и воды в ледниках
- •4.5. Режим и движение ледников
- •4.6. Роль ледников в питании и режиме рек. Практическое значение горных ледников
- •Глава 5 гидрология подземных вод
- •5.1. Происхождение подземных вод и их распространение на земном шаре
- •5.2. Физические и водные свойства грунтов. Виды воды в порах грунтов
- •5.2.1. Физические свойства грунтов
- •5.2.2. Виды воды в порах грунта
- •5.2.3. Водные свойства грунтов
- •5.3. Классификация подземных вод. Типы подземных вод по характеру залегания
- •5.3.1. Классификации подземных вод
- •5.3.2. Воды зоны аэрации. Почвенные воды, верховодка, капиллярная зона
- •5.3.3. Воды зоны насыщения. Грунтовые воды
- •5.3.4. Артезианские и глубинные воды
- •5.3.5. Другие типы подземных вод
- •5.4. Движение подземных вод
- •5.5. Водный баланс и режим подземных вод
- •5.5.1. Водный баланс подземных вод
- •5.5.2. Водный режим зоны аэрации
- •5.5.3. Режим грунтовых вод
- •5.6. Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль подземных вод в питании рек. Некоторые природные проявления подземных вод
- •5.7. Практическое значение и охрана подземных вод
- •Глава 6 гидрология рек
- •6.1. Реки и их распространение на земном шаре
- •6.2. Типы рек
- •6.3. Морфология и морфометрия реки и ее бассейна
- •6.3.1. Водосбор и бассейн реки
- •6.3.2. Морфометрические характеристики бассейна реки
- •6.3.3. Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки
- •6.3.4. Река и речная сеть
- •6.3.5. Долина и русло реки
- •6.3.6. Продольный профиль реки
- •6.4. Питание рек
- •6.4.1. Виды питания рек
- •6.4.2. Классификация рек по видам питания
- •6.5. Расходование воды в бассейне реки
- •6.6. Водный баланс бассейна реки
- •6.6.1. Уравнение водного баланса бассейна реки
- •6.6.2. Структура водного баланса бассейна реки'
- •6.7. Водный режим рек
- •6.7.1. Виды колебаний водности рек
- •6.7.2. Фазы водного режима рек. Половодье, паводки, межень
- •6.7.3. Расчленение гидрографа по видам питания
- •6.7.4. Классификация рек по водному режиму
- •6.8. Речной сток
- •6.8.1. Составляющие речного стока
- •6.8.2. Факторы и количественные характеристики стока воды
- •6.8.3. Пространственное распределение стока воды на территории снг
- •6.9. Движение воды в реках
- •6.9.1. Распределение скоростей течения в речном потоки
- •6.9.2. Динамика речного потока
- •6.9.3. Закономерности трансформации паводков
- •6.10. Движение речных наносов
- •6.10.1. Происхождение, характеристики и классификация речных наносов
- •6.10.2. Движение влекомых наносов
- •6.10.3. Движение взвешенных наносов
- •6.10.4. Сток наносов
- •6.11. Русловые процессы
- •6.11.1. Физические причины и типизация русловых процессов
- •6.11.2. Микроформы речного русла и их изменения
- •6.11.3. Мезоформы речного русла и их изменения
- •6.11.4. Макроформы речного русла и их изменения
- •6.11.5. Деформации продольного профиля русла
- •6.11.6. Устойчивость речного русла
- •6.12. Термический и ледовый режим рек
- •6.12.1. Тепловой баланс участка реки
- •6.12.2. Термический режим рек
- •6.12.3. Ледовые явления
- •6.13. Основные черты гидрохимического и гидробиологического режима рек
- •6.13.1. Гидрохимический режим рек
- •6.13.2. Гидробиологические особенности рек
- •6.14. Устья рек
- •6.14.1. Факторы формирования, классификация и районирование устьев рек
- •6.14.2. Особенности гидрологического режима устьевого участка реки
- •6.14.3. Особенности гидрологического режима устьевого взморья
- •6.15. Практическое значение рек. Влияние хозяйственной деятельности на режим рек
- •6.15.1. Практическое значение рек и типизация хозяйственных мероприятий, влияющих на речной сток
- •6.15.2. Влияние на речной сток хозяйственной деятельности на поверхности речных бассейнов
- •6.15.3. Влияние на речной сток хозяйственной деятельности, связанной с непосредственным использованием речных вод
- •6.15.4. Гидролого-экологические последствия антропогенных изменений стока рек
- •Глава 7 гидрология озер
- •7.1. Озера и их распространение на земном шаре
- •7.3. Морфология и морфометрия озер
- •7.4. Водный баланс озер
- •7.4.1. Уравнение водного баланса озера
- •7.4.2. Структура водного баланса озера
- •7.4.3. Водообмен в озере
- •7.5. Колебания уровня воды в озерах
- •7.7. Термический и ледовый режим озер
- •7.7.1. Тепловой баланс озер
- •7.7.2. Термическая классификация озер
- •7.7.3. Термический режим озер в условиях умеренного климата
- •7.7.4. Ледовые явления на озерах
- •7.8. Основные особенности гидрохимических и гидробиологических условий. Донные отложения озер
- •7.8.1. Гидрохимические характеристики озер
- •7.8.2. Гидробиологические характеристики озер
- •7.8.3. Наносы и донные отложения в озерах
- •7.9. Водные массы озер
- •7.10. Изменения гидрологического режима каспийского и аральского морей
- •7.10.1. Проблемы, связанные с судьбой Каспийского и Аральского морей
- •7.10.2. Каспийское море
- •7.10.3. Аральское море
- •7.11. Влияние озер на речной сток. Хозяйственное использование озер
1.3.3. Тепловые свойства воды
К важным особенностям изменения агрегатного состояния воды (см. рис. 1.3) или так называемых фазовых переходов относятся большая затрата теплоты на плавление, испарение, кипение, возгонку и большое выделение теплоты при обратных переходах. В сравнении с другими веществами удельная теплота плавления льда и теплота парообразования аномально высоки. Они представляют две очередные «аномалии» воды.
Удельная теплота плавления пресного льда Lпл (количество теплоты, затрачиваемое при превращении единицы массы льда при плавления и нормальном атмосферном давлении в воду) равна 333 000 Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при замерзании (кристаллизации) химически чистой воды.
Удельная теплота парообразования (испарения) Lисп (количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды в пар (в Дж/кг)) зависит от температуры:
Lисп = 2,5106 – 2,4103 T. (1.9)
При 0 и 100 °С Lисп равны соответственно 2,5106 и 2,26106 Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при конденсации водяного пара.
Удельная теплота испарения льда (возгонки) складывается из удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения:
Lвозг = Lпл +Lисп. (1.10)
Для определения количества теплоты, расходуемой на плавление льда, испарение воды и возгонку льда, используют соответственно формулы (Дж):
пл = лед = mLпл; (1.11)
исп = конд = mLисп; (1.12)
возг = субл = m(Lпл + Lисп), (1.13)
где т — масса воды, в том числе образующаяся из льда при его плавлении или эквивалентная испаряющемуся льду.
При конденсации воды, ледообразовании или конденсации в твердую фазу (сублимации) выделяется теплота, которую можно определить также по формулам (1.11) — (1.13).
Для нагревания воды вне точек фазовых переходов необходимо затратить большое количество теплоты. Удельная теплоемкость воды (количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы воды на один градус) также аномально высока по сравнению с теплоемкостью других жидкостей и твердых веществ. Удельная теплоемкость воды при постоянном давлении ср при 15 °С равна 4190 Дж/(кг°С).
Изменение удельной теплоемкости воды при изменении температуры также весьма своеобразно. При температуре около 33 °С удельная теплоемкость пресной воды минимальная — около 4180 Дж/(кг°С); она немного увеличивается при более низкой и при более высокой температуре. Теплоемкость чистого льда почти в два раза меньше теплоемкости воды, а чистого сухого снега (плотностью 280 кг/м3) в 7,1 раза меньше теплоемкости воды, но в 450 раз больше теплоемкости воздуха.
С увеличением содержания в воде солей удельная теплоемкость воды слабо уменьшается. Поэтому теплоемкость морской воды немного меньше, чем пресной. Отмечается также небольшое уменьшение удельной теплоемкости воды с увеличением давления, что также имеет некоторое значение для тепловых процессов в толще океана.
Количество теплоты ∆, необходимое для нагревания массы воды т на ∆Т°С, выражается формулой (Дж)
∆ = срт∆Т=срт(Ткон– Тнач), (1.14)
где Тнач — начальная, Ткон — конечная температура воды.
Очень высокая удельная теплота плавления (замерзания) и испарения, а также весьма большая теплоемкость воды оказывают огромное регулирующее влияние на тепловые процессы не только в водных объектах, но и на всей планете. При нагревании земной поверхности огромные количества теплоты тратятся на таяние льда, нагревание и испарение воды. В результате нагрев земной поверхности замедляется. Достаточно упомянуть, что на нагревание воды уходит теплоты в 5 раз больше, чем на нагревание сухой почвы, а теплосодержание всего лишь трехметрового слоя океана равно теплосодержанию всей атмосферы. Наоборот, в процессе охлаждения земной поверхности при конденсации водяного пара и замерзании воды выделяются огромные количества теплоты, сдерживающие процесс охлаждения. Полезно напомнить, что в большинстве водных объектов (кроме полярных ледников) изменение температуры воды, как правило, происходит в интервале от -2 до +30 °С; для суши этот диапазон значительно шире: от -70 до +60 °С.
Важно также подчеркнуть, что чем больше влаги в почве, тем медленнее такая почва нагревается и остывает. Благодаря большой теплоемкости нагревание и охлаждение воды происходит медленнее, чем воздуха.
Таким образом, отмеченные аномальные особенности тепловых свойств воды способствуют теплорегуляции процессов на Земле. При меньших значениях Lпл, Lисп и ср поверхность Земли нагревалась бы и охлаждалась гораздо быстрее, возрос бы и диапазон изменения температуры. В таких условиях вся вода на Земле то замерзала бы, то испарялась, гидросфера имела бы совсем иные свойства, а жизнь в таких условиях вряд ли была бы возможна.
Отмеченные особенности тепловых свойств воды — аномально большие удельная теплота плавления, удельная теплота испарения и удельная теплоемкость воды, а также аномально высокие температура плавления и температура кипения — объясняются одной и той же причиной: наличием сильных межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и льде, о которых речь шла выше. Поэтому для плавления льда, нагревания и испарения воды, при которых преодолеваются водородные связи, необходимы гораздо большие затраты энергии, чем для других веществ.
Из других тепловых свойств воды важное значение имеет теплопроводностъ. Молекулярная теплопроводность воды очень мала и равна у химически чистой воды 0,57 Вт/(м °С), у льда 2,24 Вт/(м °С), у снега 1,8 Вт/(м °С). Меньшую молекулярную теплопроводность имеет воздух.
С уменьшением температуры и давления и увеличением солености теплопроводность воды немного уменьшается. С понижением температуры и уменьшением плотности льда и снега их теплопроводность также уменьшается.
Малая теплопроводность воды способствует ее медленному нагреванию и охлаждению. Снег предохраняет почву, а лед — водоемы от промерзания. Передача теплоты в воде рек, озер и морей происходит в основном благодаря турбулентной (при динамическом перемешивании), а не молекулярной теплопроводности. Заметим, что в физике единицы для измерения теплоты, так же и единицы массы, выведены из свойств воды. Количество теплоты необходимое для нагревания 1 г химически чистой воды на 1 °С, было принято за 1 калорию (кал). При пересчете в единицы системы СИ вместо калорий ввели джоули (1 кал = 4,1868 Дж). Поэтому теплоемкость химически чистой воды и составляет во внесистемных единицах 1 кал/(г °С), а в системе СИ 4190 Дж/(кг °С).