3. Физические основы гидрологических процессов

Гидрологические процессы протекают в соответствии с фундаментальными законами физики, поэтому гидро­логия широко использует сформулированные в класси­ческой физике (при скоростях движения, намного уступа­ющих скорости света) законы сохранения вещества, теп­ловой и механической энергии, количества движения.

3.1. Фундаментальные законы физики и их использование при изучении водных объектов

Закон сохранения вещества (массы) означает неизменность мас­сы в замкнутой (изолированной) системе. Применительно к откры­тым природным системам, какими являются водные объекты, за­кон сохранения вещества определяет равновесие между приходом, расходом вещества и изменением его массы в пределах объекта. Это относится не только к воде, но и, к находящимся в ней нано­сам (взвесям), солям, газам и другим веществам.

Закон сохранения тепловой энергии характеризует неизменность энергии в замкнутой (изолированной) системе с учетом возможно­го перехода одного вида энергии в другой. Применительно к от­крытым природным системам, какими являются водные объекты, закон сохранения тепловой энергии определяет условие баланса прихода и расхода теплоты и изменения теплосодержания объекта.

Закон сохранения механической энергии означает, что полная энергия какой-либо механической системы складывается из потен­циальной (Е_пот.) и кинетической (Е_кин.) энергии и остается всегда постоянной с учетом потерь энергии на трение.

Закон сохранения количества движения (импульса) гласит, что в пределах замкнутой (изолированной) механической системы ко­личество движения остается неизменным.

Все процессы, протекающие в водных объектах и состоящие в изменении массы или объема воды, ее минерализации, химиче­ского состава, температуры, характеристик ледового режима, пара­метров движения водного потока и так далее, представляют собой реак­цию водных объектов на изменение составляющих баланса веще­ства, тепловой и механической энергии и действующих сил под влиянием внешних и внутренних факторов.

3.2. Водный баланс

Для водного объекта или замкнутого контура суши и для любого интервала времени Δt уравнение сохранения веще­ства можно записать в виде уравнения баланса объема воды (его обычно называют уравнением водного баланса):

х+ y₁ + w₁+z₁=y₂+w₂ + z₁±Δu (8)

где х – атмосферные осадки на поверхность объекта; у₁ – поверх­ностный приток воды извне; w₁ – подземный приток воды извне; z₂ – конденсация водяного пара; у₂ – поверхностный отток воды за пределы объекта; w₂ – подземный отток воды за пределы объекта; z₂ – испарение; Δи – изменение объема воды в пределах объекта (контура).

В гидрологии метод водного баланса широко применяют при изучении многих гидрологических процессов, например формиро­вания стока воды в речных бассейнах, режима ледников, колебания уровня озер и морей и т. д. Метод заключается в составлении уравнения водного баланса вида (8) для изучаемого объекта; ана­лизе его членов, выявлении соотношения между ними, определе­нии главных составляющих и их вклада в водный баланс.