МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ І ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ

ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ КОЛЕДЖ ЛВІВСЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО АГРАРНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

Технологічне відділення

Карпенко Б. М.

Гідрологія з основами гідрогеології

Конспект лекцій

для студентів вищих навчальних закладів І-ІІ рівня акредитації

Івано-Франківськ

2013 р.

Укладач: викладач Івано-Франківського коледжу ЛНАУ Карпенко Б. М.

У лекційному матеріалі висвітлено загальні основи гідрології, розкрито закономірності розвитку водних об’єктів на Земній кулі та території України, як на поверхні так і в надрах землі, з'ясовано механізм взаємодії водних мас з навколишнім природним середовищем і механізм використання поверхневих та підземних вод людьми у процесі господарської діяльності, визначено істотні риси основних забруднюючих елементів, які потрапляють у водні об’єкти.

Для студентів вищих навчальних закладів І-ІІ рівня акредитації.

Зміст

Вступ

Тема 1. Вступ до гідрології. Основні поняття гідрології.

1.1 Основи гідрології.

1.2 Поняття про гідросферу.

1.3 Історія розвитку гідрології.

Тема 2. Походження і формування природних вод.

2.1 Походження і формування природних вод.

2.2 Водні об’єкти.

Тема 3. Розподіл води на земній кулі. Водний баланс.

3.1 Кругообіг води в природі. Водний баланс Земної кулі та України.

3.2 Хімічні та фізичні властивості води.

Тема 4 Основи гідрометрії.

4.1 Основи гідрометрії.

4.2 Виміри рівнів.

4.3 Вимір швидкості плину води.

4.4 Визначення витрат води.

Тема 5. Гідрологія річок.

5.1 Річки, їх розповсюдження на земному шарі та типи річок.

5.2 Морфологія та морфометрія річок.

Тема 6. Основні закономірності живлення річок.

6.1 Основні закономірності живлення річок.

6.2 Принципи витрати води в басейні річки.

6.3 Водний баланс та водний режим річкового басейну.

Тема 7. Статистичні характеристики стоку.

7.1 Режим річкового стоку.

7.2 Криві забезпеченості

7.3 Розрахунки норми стоку при недостатніх даних спостережень

Тема 8. Гідрологія озер, боліт, водосховищ.

8.1 Походження і типи озер.

8.2 Водний режим, фізичні властивості і хімічний склад озерних вод.

8.3 Походження боліт, їх поширення, типи, класифікація.

8.4 Призначення водосховищ та їх типи.

Тема 9. Водні ресурси України, їх використання і охорона.

9.1 Водні ресурси України і основні напрями їх раціонального використання.

9.2 Головні річкові системи України. Живлення і режим річок.

9.3 Охорона водних ресурсів.

Тема 10. Основи гідродинаміки.

10.1 Види руху води.

10.2 Основні закони фільтрації.

Тема 11. Основи гідрогеохімії.

11.1 Види води в порах ґрунту

11.2 Хімічний склад підземних вод та їх класифікація.

Тема 12. Регіональна гідрогеологія.

12.1 Розповсюдження підземних вод

12.2 Верховодка.

12.3 Грунтові води.

12.4 Підземні води тріщинуватих, закарстованих порід.

Тема 13. Гідротехнічні споруди та їх використання

13.1 Водозабірні споруди

13.2 Основні типи мінеральних (лікувальних), термальних та промислових підземних вод , їх використання.

Тема 14;15. Види та методи гідрогеологічних досліджень.

14-15.1 Стадії, види і методи гідрогеологічних робіт і досліджень.

14-15.2 Родовища, запаси і ресурси підземних вод.

14-15.3 Гідрогеологічне буріння. Основні методи буріння.

Тема 16. Гідрогеологічне районування України.

16.1 Основні принципи гідрогеологічного районування.

16.2 Стисла характеристика гідрогеологічних районів України.

Плани семінарських занять

1 семінар. Фактори формування водного режиму.

2 семінар. Середній, максимальний та мінімальний стік.

3 семінар. Використання та охорона водних ресурсів.

4 семінар. Розповсюдження підземних вод.

5 семінар. Проблеми та перспективи розвитку гідрогеології.

ПРАКТИЧНІ

Список використаних джерел

Вступ.

Серед дисциплін географічного циклу значне місце посідає гідрологія – наука про гідросферу. Гідросфера – сукупність усіх вод Землі: материкових (глибинних, ґрунтових, поверхневих), океанічних та атмосферних. Верхня межа гідросфери (поверхня океанів, морів, річок, озер, льодовиків і боліт) збігається з поверхнею земної кулі та нижньою межею атмосфери і виражена досить чітко. Нижня межа гідросфери чітко не виділяється, тому що гідросфера іноді проникає в літосферу. Основна частина вод гідросфери ( 96,5 % загального об’єму) припадає на Світовий океан. Води суходолу становлять менше 3,0 % загального обсягу гідросфери. Усі води на Землі – океанічні, поверхневі і підземні води суші – завдяки променевій енергії Сонця здійснюють єдиний кругообіг води в природі. Незважаючи на різноманітність видів вод і їхній різний агрегатний стан, гідросфера є цілісною, оскільки всі її частини пов'язані потоками води у вигляді океанічних течій, руслового, поверхневого та підземного стікання, атмосферного переносу. Гідросфера характери-зується різноманітними зв'язками з іншими сферами Землі: літо-, педо-, атмо- й біосферою. Зв'язок із літосферою здійснюється завдяки фільтрації поверхневих, ґрунтових і підземних вод. Атмосферні опади й випаровування вологи з поверхні суходолу та океану свідчать про інтенсивність зв'язків між гідросферою й атмосферою, а процеси фотосинтезу і транспірації є найважливішими об'єднуючими ланками гідро-, педо- й біосфери. Особлива увага водним ресурсам приділяється в наш час, тому що вони стали виступати важливим природним ресурсом, котрий часто визначає можливості розвитку промисловості, організації відпочинку й охорони здоров'я людей. Теоретично водні ресурси невичерпні, оскільки вони відновлюються у процесі кругообігу. Ще в недалекому минулому вважалося, що води на Землі багато, що, за винятком окремих посушливих районів, людям не слід турбуватися про те, що її може не вистачити. Однак споживання води зростає й перед людством дедалі частіше й частіше виникає проблема чистої води. Кількісне виснаження водних ресурсів – це лише один бік проблеми. Другий бік – це забруднення вод. Проблема чистої води в багатьох країнах світу є найголовнішою, оскільки діяльність людини призвела до погіршення якості води й режиму річкового стоку, перетворення багатьох річок на канали та ланцюг водосховищ і ставків.

Сьогодні при плануванні водогосподарських заходів необхідно враховувати загальний характер, тенденції і розміри втручання людини у природні процеси, реально оцінювати та прогнозувати екологічні, економічні й соціальні наслідки. Зусилля науки та практики мають бути спрямовані на найбільш ефективне використання насправді дорогоцін-ного природного ресурсу і збереження чистоти водних джерел.

Тема 1. Вступ до гідрології. Основні поняття гідрології.

План:

1. Основи гідрології.

2. Поняття про гідросферу.

3. Історія розвитку гідрології.

1.1 Основи гідрології.

Загальна гідрологія - це комплексна наука про Землю, що фізико-математичними методами вивчає природні води разом з явищами та процесами, що в них протікають і визначають поширення вод як по земній поверхні, так і в земних товщах. Висновки гідрології у відношенні всесторонньої оцінки гідрологічного режиму окремих водних об’єктів і територій використовуються для здійснення водогосподарських заходів, спрямованих на раціональне використання водних ресурсів.

Гідрологія відноситься до комплексу наук, що вивчають фізичні та географічні властивості планети, зокрема її гідросферу, її властивості та процеси, що в ній протікають, у взаємозв’язку з атмосферою, літосферою та біосферою.

Об’єкт вивчення гідрології - це океани, моря, річки, озера та водосховища, болота та скупчення вологи у вигляді снігового покриву, льодовики, ґрунтові та підземні води.

Предметом вивчення гідрології, зокрема, є поширення води на земній кулі, її фізичний вплив на суходіл, значення води для життя на Землі.

Завданням гідрології є визначити, яким чином можна керувати режимом водних об'єктів, не порушуючи екологічної обстановки.

У зв’язку з специфічними особливостями об’єктів і методів їх вивчення до складу гідрології входять три самостійні дисципліни: океанологія (гідрологія моря), або океанографія; гідрологія суходолу або власне гідрологія (точніше гідрологія поверхневих вод суходолу); гідрогеологія (гідрологія підземних вод).

Гідрогеологія до складу гідрології входить тими її розділами, що вивчають закономірності режиму підземних вод; ті розділи гідрогеології, в яких розробляються способи пошуку та видобування вод, у значній мірі відносяться до області геологічних наук. По цій причині гідрогеологи часто всю цю науку відносять до геології.

Гідрологія має в своєму складі особливий розділ - гідрометрію, в якому розглядаються методи всіх вимірювань та спостережень, що ведуться з метою вивчення гідрологічного режиму вод. У цьому розумінні гідрометрія визначається як вимірювальна частина гідрології, в задачу якої входить розробка методів вимірювання та спостережень, які використовуються в практиці вивчення режиму річок, водосховищ та озер.

1.2 Поняття про гідросферу.

Природні води Землі формують її гідросферу.

Гідросфера-це водна оболонка земної кулі, що знаходиться на поверхні земної кори та у її товщі і являє собою сукупність океанів, морів, річок, озер, боліт, підземних вод, льодовиків, снігового покриву та вод атмосфери.

За деякими колишніми уявленнями, рамки гідросфери обмежувалися Світовим океаном. Оскільки океан єдиний, остільки гідросфера раніше не потребувала такого визначення. Але води річок і озер, так само як і підземні води, є складовими частинами гідросфери. Гідросфера характеризується високою динамічністю, рушійною силою якої служить круговорот води. Цьому грандіозному процесу на Землі присвячений окремий розділ. Тому слід в поняття про гідросферу ввести визначення її динамічності, рухливості.

Із сказаного виходить, що поняття “гідросфера” рівнозначне поняттю про всі вільні води Землі. Вільних в тому сенсі, що води гідросфери не зв'язані хімічно і фізично з мінералами земної кори, тобто можуть рухатися під впливом гравітаційної сили, а також під впливом тепла. У поняття “рух” входить і перехід води з одного агрегатного стану в інше. Перехід води через пароподібну фазу служить механізмом природного опріснення води.

З приведеного визначення гідросфери і її короткої характеристики видно, що ця сфера Землі знаходиться в тісному взаємозв'язку з іншими сферами - літосферою, атмосферою і біосферою. Зв'язок гідросфери із земною корою відбувається за допомогою підземних вод, а з мантією Землі-як з її генетичним джерелом. Атмосферні води (пароподібна волога) пов'язують гідросферу з атмосферою. Набагато складнішою є взаємодія гідросфери з біосферою. Загальновідомо, що велику частину живих організмів - рослин і тварин - складає вода, але загальна маса води як частина органічного світу незначна щодо об'єму гідросфери, і не за цією ознакою слід судити про біологічну роль води. Важливий чинник - участь води в біологічних процесах, починаючи з виникнення життя.

Площа поверхні Землі становить 510 млн. км². З цієї площі водами Світового океану вкрито 361 млн. км² (71%). Отже, більш ніж ⅔ поверхні нашої планети вкрито водною оболонкою, причому особливо суттєво вода переважає над сушею в південній півкулі. Об’єм Світового океану становить майже 94% всього об’єму гідросфери (1390 млн. км³).

Льодовики та постійний сніговий покрив займають площу 16,3 млн. км². Отже, середня потужність покривних льодовиків рівна близько 1500 м.

Наочне уявлення про величезну масу льодовиків дають наступні цифри. Якби весь лід розтанув, то рівень океану підвищився б на 64 м, а їх площа зросла б на 1,5 млн. км², а площа суші відповідно зменшилася б на 1%.

Об'єм озерної води, здавалося б, обчислити не складно: великі озера - кожне окремо, малі - приблизно, загальним числом. Проте сучасні уявлення про об'єм води озер не можна вважати цілком надійними. Частково це пов'язано з відсутністю систематизованих даних про глибини і площу великих озер, важко також врахувати об'єм води в малих озерах (хоча останні складають невелику частину загального об'єму, тому неточності в їх визначенні неістотно вплинуть на висновки). Крім того, об'єм озер, особливо безстічних, - це величина, що істотно змінюється.

Наприклад, площа оз. Ейр в Австралії в багатоводні періоди досягає декількох тисяч квадратних кілометрів, а в сухий час воно перетворюється на невеликий солончак; досить мінливий об'єм оз. Чад; площа Каспійського моря в останні десятиліття зменшилася більш ніж на 50 тис. км², а його об'єм — приблизно на 800 км³. Але неточності пов'язані також із недостатньо повним статистичним обліком озер.

Загальний об’єм озер на Землі становить 275 тис. км³, зокрема близько 150 тис. км³ води доводиться на проточні прісні озера і 125 тис. км³ - на солоні. Найбільшими озерами світу є Каспійське море у Євразії (376 тис. км²), оз. Верхнє у Північній Америці (82, 1 тис. км²), оз. Вікторія у Африці(69,5 тис. км²), оз. Ейр у Австралії(15 тис. км²), оз. Маракайбо у Південній Америці(14,3 тис. км²).

Що стосується об'єму води в руслах річок, то точно його визначити неможливо. Відомо, що він становить приблизно 2 тис. км³. Найдовші річки світу - р. Ніл у Африці (6671 км), р. Янцзи у Євразії (6300 км), р. Міссісіпі у Північній Америці(6019 км), р. Мюррей у Австралії (3490 км).

Ґрунтова волога відрізняється від ґрунтових і підземних вод тіснішою залежністю від умов погоди. У вологі сезони води в ґрунті міститься багато, в сухі сезони вона швидко витрачається на випаровування. Крім того, розподіл і режим ґрунтової вологи пов'язані з біологічними процесами тісніше, ніж ґрунтові і підземні води. Одна з характерних особливостей складу ґрунту - вміст у ній органічних речовин, які сильно впливають на водні властивості ґрунтового покриву. Вода входить до складу ґрунту і разом із вмістом гумусу є одним з елементів, що характеризують її родючість. Тому біологічна продуктивність території в значній мірі залежить від вмісту вологи в ґрунті. Надлишок ґрунтової вологи призводить до заболочування ґрунту, внаслідок чого культурні рослини і ліси знаходяться в пригноблюваному стані.

Хімічний склад підземних вод дуже різноманітний: від чистісіньких прісних вод до глибинних міцних розсолів , що містять більше 250 г солей в 1 л води. Переважають хлоридно-натрієві води, рідше натрієво-кальцієві і натрієво-магнієві. Прісні підземні води розповсюджуються на великі глибини в окремих випадках. Як правило, на глибинах більше 1,5-2 км. зустрічаються солоні води. У напівпустельних і пустельних районах солоні підземні води поширені і на невеликих глибинах, а на їх поверхні часто ніби плавають лінзи прісних підземних вод дощового і снігового походження. Ці води просочуються з поверхні і завдяки меншій щільності не змішуються з солоними водами.

В межах розповсюдження вічної мерзлоти, або, як тепер її вважають за краще називати, багаторічної мерзлоти, до глибини 500 м, а іноді і глибше підземні води знаходяться в твердому стані у вигляді льоду. Лід, з якого складаються льодовики, через властивості твердої фази води є прісним. Але і по суті свого походження льодовики прісноводні, оскільки створені в результаті акумуляції і трансформації снігу.

Що стосується річкових вод, то вони хоча в якійсь мірі і мінералізовані, але, як правило, відносяться до прісних. Мінералізація річкової води більше 1 г/л і вважається питною. Крім того, порівняно висока мінералізація характерна лише для межені, коли в річках таких районів залишається зовсім мало води, і дуже часто вона зберігається тільки в плесах, роз'єднаних між собою у зв'язку з припиненням стоку. Такі плеса по суті є невеликими озерами, в яких мінералізація збільшується по мірі їх засихання. Але під час паводків і повені мінералізація води в таких річках різко зменшується. В окремих випадках порівняно висока мінералізація води в межень пов'язана з живленням річок джерелами ґрунтових вод, що утворюються в соленосних глинах. Бувають і інші випадки, наприклад живлення річок мінеральними джерелами. Це явище спостерігали на північному схилі Кавказу, де рясні нарзанові джерела при загальній мінералізації їх води в 2 г/л живлять невелику гірську річку Хасаут.

Тема 2. Походження і формування природних вод.

План:

2.1 Походження і формування природних вод.

2.2 Водні об’єкти.

2.1 Походження і формування природних вод.

Всі водні об'єкти на поверхні планети так чи інакше зв'язані між собою і утворять оболонку, звану гідросферою.

Тепер звернемо наш погляд від Землі до космосу. Там теж широко представлена вода: крижані шапки на полюсах Марсу, повністю покриті льодом супутники Юпітера, Сатурну і інших планет, крижані кільця навколо Сатурну, крижані ядра комет, існування яких підтверджене експериментально при дослідженні комети Галлея за проектом Вега, пари води в атмосфері Венери... Як видно, води досить багато в оточуючому нас космічному просторі, але ця вода відрізняється від земної тим, що на поверхні планет і інших небесних тіл вона існує тільки в твердому або пароподібному стані.

Велика поширеність води в космосі і особливо лід в таких первинних утвореннях, як комети і кометоподібні тіла, свідчить про те, що до складу первинної речовини нашої планети повинні були входити молекули, а можливо, і достатньо крупні крижані об'єкти і, звичайно, водоутворюючі компоненти — водень і кисень. Тому вже на найперших етапах еволюції Землі вода повинна була існувати на її поверхні і в надрах у вигляді крижаних включень.

За даними про швидкість радіоактивного розпаду атомів різних елементів зараз достатньо точно визначено час існування нашої планети, яке складає приблизно 4,65 млрд. років. Вік найдавніших порід, які знайдені на сьогодні, досягає 3,8 млрд. років. Ці породи зберегли відбитки стінок кліток найдавніших одноклітинних організмів. Це говорить про те, що ці породи спочатку відкладалися у водоймищах, в яких до моменту формування породи вже досить тривалий час повинне було існувати життя, причому таке життя, яке встигло активно включитися в біогеохімічні процеси. А це означає, що первинна гідросфера з рідкою водою повинна була з'явитися не пізніше, ніж 4 млрд. років тому.

Не викликає сумніву також факт (підтверджений і зразками знайдених стародавніх порід) внутрішнього розігрівання нашої планети і, отже, дегазація надр, тобто виділення з її глибин під впливом високої температури летючих речовин і флюїдів. Цей процес також виник на самих початкових стадіях формування Землі.

Процес дегазації в даний час звичайно спостерігають під час вулканічних вивержень на суші. Але порівняно недавно, у середині нашого століття, було з'ясовано, що виявлення лав і дегазація йдуть і на дні океану, в так званих рифтових долинах — розломах земної кори, які проходять по осі серединно - океанічних хребтів, що простягаються на величезні відстані. В цілому протяжність таких розломів на дні океанів складає не менше 70 тис. км. Рифтові долини — явище планетарне, вони утворюють межі літосферних плит, на які розбита вся поверхня планети. У рифтових зонах земна кора розсувається за рахунок підйому з глибин речовини надр, яка нарощує краї плит, формуючи тут так звані подушки базальти. Експериментально встановлено, що лави, з яких формуються базальти, містять по вазі до 7% води, значна частина якої виділяється при охолодженні. З лав виділяються також різні гази. Впродовж мільярдів років рифтові зони разом з вулканами були основним джерелом надходження на поверхню Землі глибинної речовини, зокрема газів і флюїдів. За допомогою глибоководних апаратів в районі рифтових долин виявлені численні викиди сильно мінералізованої води з температурою до 300-400 °С.

Рифтові зони і вулкани за всю історію існування нашої планети винесли стільки речовини, що її з надлишком вистачило б і на те, щоб сформувати земну кору, і на те, щоб створити атмосферу і гідросферу.

За час еволюції нашої планети великі зміни зазнавала льодовикова частина гідросфери. На Землі були такі тривалі періоди, коли цієї частини гідросфери взагалі не було. Ми живемо в один з льодовикових періодів, коли тверда частина гідросфери займає значну площу на земній кулі. У льодовикові періоди тверда частина гідросфери випробовує сильні коливання своїх розмірів в масштабах десятків і сотень тисяч років.

Найстародавніші перекази і уявлення про походження океану і суші в чомусь перекликаються з положеннями нової глобальної тектоніки про те, що первинними були океанічна кора і океан, а тільки потім виникла суша, яку слід ототожнювати з континентальною корою. Так, вавілоняни вважали, що суша підійнялася з вод океану і стала горою, оточеною з усіх боків водою. Індійський епос говорить про первинне існування водного простору, з якого підійнялася квітка лотоса, чиї пелюстки утворили різні частини світу.

Грецький філософ Фалес (початок VII ст. — кінець VI ст. до н. е.) вважав, що вода — першооснова всього, а Земля у вигляді плоского круга плаває на хвилях безмежного океану. Міфи Стародавньої Греції, розповідаючи про будову Землі і про підземне царство, не раз згадують, що Земля оточена з усіх боків річкою, званою Океан. Однак вже в античний час з'явилися уявлення про обмеженість океану, згідно яким океан вважався замкнутим басейном, оточеним з усіх боків сушею, що відповідало знанням про відоме тоді світу — оточення Середземного моря. В цей же час з'являються ідеї про мінливість океану і континентів, що знайшли відгук у переказах про загибель Атлантиди і про потопи.

Накопичення даних про будову поверхні планети почалося з часу Великих географічних відкриттів. Першу наукову гіпотезу про походження гідросфери висловлює французький енциклопедист Рене Декарт. Земля, стверджував він в своїй роботі, що вийшла в 1644 р., складається з декількох оболонок — вогненного ядра, потім зони уламків з великими порожнечами, в яких накопичується солона і прісна вода, далі водна оболонка, а над нею поверхнева оболонка з каменя, глини, піску і грязі. Там, де поверхнева оболонка обрушилася у водну, утворилися океани. Вже в цій гіпотезі походження і розвиток гідросфери зв'язувалося з походженням, розвитком і будовою нашої планети, і вона розглядалася як єдина оболонка Землі.

Голландський географ Б. Варреніус і німецький єзуїт А. Кирхер дотримувалися іншого погляду. Вони вважали, що спочатку океан покривав всю Землю, але поступово його рівень падав і з'явилася суша. Вода частково поступала в підземні порожнечі.

З початку XVIII ст. домінує ідея про первинність океану, що добре узгоджується з догматами Священного писання, згідно якому в третій день творіння світу всю Землю покривала вода.

Значно пізніше для пояснення появи суші стали притягуватися вулканічні виверження і землетруси. Цю ідею висував М. В. Ломоносов, який також дотримувався гіпотези первинності океану. З'являються і гіпотези, що затверджують первинність континентів. Паралельно висловлюється гіпотеза про розширення Землі, в результаті якого колись єдина суша розірвалася, а між ділянками кори, що розійшлися, виникли океанічні западини, що заповнилися водою.

Кінець XIX — перша половина XX ст. були періодом накопичення величезної кількості географічного і геологічного матеріалу про всі оболонки Землі, періодом спроб його узагальнення і осмислення. В результаті було висловлено багато нових ідей і гіпотез про походження і будову Землі, походження і еволюцію оболонок нашої планети. Висловлювалися різноманітні погляди на хід еволюції обличчя планети. Важливим кроком став перехід від уявлення про первинну гарячу Землю (що не підтверджувалося геологічними фактами) до первинно холодної Землі.

Особливу роль в становленні неомобілізму зіграв величезний геофізичний і геологічний матеріал, зібраний починаючи з середини нашого століття при дослідженні Світового океану. Особливо важливими виявилися вивчення рельєфу дна океану і виявлення системи серединно - океанічних хребтів і глибоководних жолобів, дані буріння морського дна і визначення віку земної кори, відомості про намагніченість гірських порід, що складають дно, спуски на підводних апаратах у рифові долини, вивчення глобального розподілу осередків землетрусів, гравіметричні профілі в районах глибоководних жолобів і визначення потоку тепла з надр Землі (геотермального потоку).

Узагальнення цих даних привело до висновку про те, що виникнення земної кори і її розділення на дві основні структури — океанічну і континентальну, виникнення гідросфери і атмосфери були одночасними або майже одночасними актами, що відбулися не пізніше 4 млрд. років тому. З тих пір еволюція оболонок нашої планети, у тому числі і гідросфери, йде приблизно по таких же законах, що і у наш час.