
- •Isbn 978-5-06-005815-4 © фгуп «Издательство «Высшая школа», 2007
- •Предисловие
- •Введение
- •Вода в природе и жизни человека
- •Водные объекты. Понятие о гидросфере
- •Гидрологический режим и гидрологические процессы
- •Науки о природных водах
- •Методы гидрологических исследований
- •Использование природных вод и практическое значение гидрологии
- •2. В числителе приведено полное, в знаменателе — безвозвратное водопотребление.
- •Глава 1 химические и физические свойства природных вод
- •Вода как вещество, 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
- •Плотность воды
- •Тепловые свойства воды
- •Некоторые другие физические свойства воды
- •Глава 2 физические основы гидрологических процессов
- •Фундаментальные законы физики и их использование при изучении водных объектов
- •Водный баланс
- •Баланс содержащихся в воде веществ
- •Тепловой баланс
- •Основные закономерности движения природных вод
- •Классификация видов движения воды
- •Расход, энергия, работа и мощность водных потоков
- •Силы, действующие в водных объектах
- •Уравнение движения водного потока
- •Вертикальная устойчивость вод
- •Глава 3 круговорот воды в природе и водные ресурсы земли
- •Вода на земном шаре
- •Современные и ожидаемые изменения климата и гидросферы земли
- •Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод
- •Круговорот воды на земном шаре
- •И водные ресурсы Земли», 1974)
- •Вод в грунтах
- •Круговорот содержащихся в воде веществ
- •Влияние гидрологических процессов на природные условия
- •Водные ресурсы земного шара, частей света и россии
- •Та блица 3.6. Средние многолетние (1930—2000) водные ресурсы России*
- •Глава 4 гидрология ледников
- •Происхождение ледников и их распространение на земном шаре
- •Типы ледников
- •Образование и строение ледников
- •Питание и абляция ледников, баланс льда и воды в ледниках
- •Режим и движение ледников
- •Роль ледников в питании и режиме рек. Практическое значение горных ледников
- •Глава 5 гидрология подземных вод
- •Происхождение подземных вод и их распространение на земном шаре
- •Физические и водные свойства грунтов. Виды воды в порах грунтов
- •Физические свойства грунтов
- •Виды воды в порах грунта
- •5.2.3. Водные свойства грунтов
- •Классификация подземных вод. Типы подземных вод по характеру залегания
- •Воды зоны аэрации. Почвенные воды, верховодка, капиллярная зона
- •Воды зоны насыщения. Грунтовые воды
- •5.3.5. Другие типы подземных вод
- •Движение подземных вод
- •Водный баланс и режим подземных вод
- •Водный баланс подземных вод
- •5.5.2. Водный режим зоны аэрации
- •Режим грунтовых вод
- •Провинции: а — кратковременного питания, б— сезонного питания, в — круглогодичного питания (I—XII — месяцы)
- •Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль подземных вод в питании рек.
- •Практическое значение и охрана подземных вод
- •Глава 6 гидрология рек
- •Реки и их распространение на земном шаре
- •Водосбор и бассейн реки
- •По линии а — б:
- •Сток; 8 — русла рек
- •Морфометрические характеристики бассейна реки
- •Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки
- •Река и речная сеть
- •Долина и русло реки
- •Продольный профиль реки
- •Плес; Пр — перекат
- •Питание рек
- •Виды питания рек
- •Классификация рек по видам питания
- •Расходование воды в бассейне реки
- •Водный баланс бассейна реки
- •Уравнение водного баланса бассейна реки
- •Структура водного баланса бассейна реки
- •Водный режим рек
- •Виды колебаний водности рек
- •1 Числитель — данные за 1942—1955 гг., знаменатель — за 1956—1969 гг. 2 Данные за 1941— 1967 гг. 3 Данные за 1968—1987 гг. Прочерк означает отсутствие данных.
- •Фазы водного режима рек. Половодье, паводки, межень
- •Расчленение гидрографа по видам питания
- •Классификация рек по водному режиму
- •Типы: а — дальневосточный (р. Витим, г. Бодайбо, 1937 г.); 6 — тянь-шанский (р. Терек, с. Казбеги,
- •1937 Г.) (I—XII — месяцы)
- •Речной сток
- •Составляющие речного стока
- •Факторы и количественные характеристики стока воды
- •Пространственное распределение стока воды на территории снг
- •Движение воды в реках
- •Распределение скоростей течения в речном потоке
- •Динамика речного потока
- •Закономерности трансформации паводков
- •Движение речных наносов
- •Происхождение, характеристики и классификация речных наносов
- •Частиц, мм 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 0,005 0,001
- •Движение влекомых наносов
- •Движение взвешенных наносов
- •Сток наносов
- •И связи между ними (б):
- •Русловые процессы
- •Физические причины и типизация русловых процессов
- •Микроформы речного русла и их изменения
- •Мезоформы речного русла и их изменения
- •Макроформы речного русла и их изменения
- •Деформации продольного профиля русла
- •Устойчивость речного русла
- •Термический и ледовый режим рек 6.12.1. Тепловой баланс участка реки
- •Ледовые явления
- •Основные черты гидрохимического и гидробиологического режима рек
- •Гидрохимический режим рек
- •Гидробиологические особенности рек
- •Устья рек
- •Факторы формирования, классификация и районирование устьев рек
- •С блокирующей косой
- •Особенности гидрологического режима устьевого участка реки
- •Особенности гидрологического режима устьевого взморья
- •Практическое значение рек. Влияние хозяйственной деятельности на режим рек
- •Практическое значение рек и типизация хозяйственных мероприятий, влияющих на речной сток
- •Влияние на речной сток хозяйственной деятельности на поверхности речных бассейнов
- •Влияние на речной сток хозяйственной деятельности, связанной с непосредственным использованием речных вод
- •2 4 6 8 1012141618202224 Часы
- •6.15.4. Гидролого-экологические последствия антропогенных изменений стока рек
- •Глава 7 гидрология озер
- •7.1. Озера и их распространение на земном шаре
- •Профиль берега
- •Водный баланс озер
- •Уравнение водного баланса озера
- •Структура водного баланса озера
- •Водообмен в озере
- •Колебания уровня воды в озерах
- •Термический и ледовый режим озер
- •Тепловой баланс озер
- •Термическая классификация озер
- •Термический режим озер в условиях умеренного климата
- •Ледовые явления на озерах
- •Основные особенности гидрохимических и гидробиологических условий. Донные отложения озер
- •Гидрохимические характеристики озер
- •Гидробиологические характеристики озер
- •Наносы и донные отложения в озерах
- •Водные массы озер
- •Изменения гидрологического режима каспийского и аральского морей
- •Проблемы, связанные с судьбой Каспийского и Аральского морей
- •Каспийское море
- •Влияние озер на речной сток. Хозяйственное использование озер
- •Глава 8 гидрология водохранилищ
- •Назначение водохранилищ и их размещение на земном шаре
- •Типы водохранилищ
- •Основные характеристики водохранилищ
- •Водный режим водохранилищ
- •Термический и ледовый режим водохранилищ
- •Гидрохимический и гидробиологический режим водохранилищ
- •Заиление водохранилищ и переформирование их берегов
- •Водные массы водохранилищ
- •Влияние водохранилищ на речной сток и окружающую природную среду
- •Глава 9 гидрология болот
- •Происхождение болот и их распространение на земном шаре
- •Типы болот
- •Строение, морфология и гидрография торфяных болот
- •Развитие торфяного болота
- •Фазы: 7 —низинная; 2—переходная; 3— 6— верховая;
- •Водный баланс и гидрологический режим болот
- •Влияние болот и их осушения на речной сток. Практическое значение болот
- •Глава 10 гидрология океанов и морей
- •Мировой океан и его части. Классификация морей
- •Происхождение, строение и рельеф дна мирового океана. Донные отложения
- •Происхождение ложа океана
- •Рельеф дна Мирового океана
- •Донные отложения
- •Водный баланс мирового океана
- •Солевой состав и соленость вод океана
- •Солевой состав вод океана
- •Распределение солености в Мировом океане
- •Термический режим мирового океана
- •Тепловой баланс Мирового океана
- •Распределение температуры в Мировом океане
- •2,7 3,8 5,5 4,4 2,9 2,2 Южное полушарие
- •Факторы, определяющие плотность морской воды
- •Распределение плотности в Мировом океане
- •Морские льды
- •Ледообразование в море
- •Физические свойства морского льда
- •Движение льдов
- •10.7.4. Ледовитость океанов и морей
- •Оптические свойства морской воды
- •Акустические свойства морской воды
- •Волны зыби
- •Деформация волн у берега
- •Волны цунами
- •Внутренние волны
- •Приливы
- •Основные элементы приливов
- •Приливообразующая сила
- •Статическая и динамическая теории приливов. Строение приливной волны и приливные течения
- •Разложение уравнения приливной волны. Гармонические постоянные. Таблицы приливов
- •Приливы в ограниченном водоеме. Сейши
- •Морские течения
- •10.12.1. Силы, формирующие течения. Классификация морских течений
- •Теория ветровых течений
- •Течение
- •Плотностные течения
- •Циркуляция вод в Мировом океане
- •Уровень океанов и морей
- •Кратковременные колебания уровня
- •Сезонные колебания уровня
- •Водные массы океана
- •Основы учения о водных массах
- •Основы г, s-анализа водных масс
- •Водные массы Мирового океана
- •Взаимодействие океана и атмосферы. Океан и климат
- •Ресурсы мирового океана и его экологическое состояние
- •Ресурсы Мирового океана
- •Литература Основная
- •Богословский б. Б. И др. Общая гидрология,— ji.: Гидрометеоиздат, 1984,—356 с.
- •VI Всероссийский гидрологический съезд. 28 сентября — 1 октября 2004 г. Санкт- Петербург. Тезисы докладов. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.
- •Типы рек
Расход, энергия, работа и мощность водных потоков
Расход воды — это количество воды, протекающее через поперечное сечение потока в единицу времени.
Расход воды — одна из важнейших гидрологических и гидравлических характеристик, применяемых при исследовании различных водных объектов — рек, озер, морей, а также ледников, лавин (в последних случаях говорят о расходе льда, снега). Выражают расход воды обычно в объемных единицах (Q, м3/с). Если рассматривают расход массы вещества (воды, льда, снега), то используют единицы массы (R = pQ, кг/с, где р —плотность данного вещества).
Расход воды может быть представлен как произведение площади поперечного сечения потока (со, м2) на среднюю скорость движения воды (v, м/с):
Q=vcо. (2.10)
Кинетическая энергия движущейся воды ЕШИ выражается формулой
EmH = rnv2/2. (2.11)
За время At масса воды т, переместившейся через данное поперечное сечение, равна pQAt, поэтому для кинетической энергии водного потока получим выражение
Ешн = pQv2At/2. (2.12)
Потенциальная энергия массы воды Епт равна
Епт = mgH, (2.13)
где Н— высота центра тяжести объема воды над некоторой плос
костью отсчета, например уровнем моря. Выразив т через pQAt, получим
Enm = pgQAtH. (2.14)
Вода, перемещаясь вниз на высоту АН, совершает работу А, равную:
А = pgQAtAH. (2.15)
Мощность такого водного потока (N-A/At) равна:
N= pgQAH. (2.16)
А, как и Екин, Епт, выражают в Дж, N — в Дж/с или Вт.
По формулам (2.12) — (2.16) можно оценить энергию, работу и мощность не только движущейся воды, но и перемещающегося льда и снега.
Силы, действующие в водных объектах
Строгая математическая интерпретация законов движения воды с учетом всех действующих физических сил возможна лишь на основе трехмерного гидродинамического анализа. Для понимания наиболее общих закономерностей движения природных вод достаточно рассмотреть более упрощенную задачу. Для этого выделим в водном объекте некоторый объем воды в виде параллелепипеда со сторонами Ах (длина), В (ширина), h (высота) (рис. 2.3, а, б). При этом ось х направим через центр тяжести выделенного объема параллельно водной поверхности. Нижняя грань объема Sm0 соприкасается с дном, верхняя Sn0B — с воздухом; поэтому высота параллелепипеда является одновременно и глубиной потока. Задняя передняя S2 и боковые — левая 53 и правая S4 грани отделяют выделенный объем от остальной части потока.
П
Рис. 2.3. Схема действующих в водном потоке физических сил: а — выделенный объем воды, б — он же, в разрезе, в — он же, в плане
усть выделенный объем воды массой т движется, не деформируясь, как единое целое в направлении уклона водной поверх-3, |
|
||
— |
в- |
% |
|
|
0 Ах |
|
|
«)
ности со средней скоростью v. В этом случае на объем воды будут действовать следующие объемные (массовые) и поверхностные силы.
К объемным (или массовым) силам, действующим на весь объем воды и приложенным к его геометрическому центру, относятся сила тяжести Fg и ее продольная составляющая F', центробежная сила Fu и отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) FK.
Поверхностные силы, действующие на вертикальных гранях выделенного объема, подразделяются, в свою очередь, на нормальные, направленные перпендикулярно граням (это силы давления Р), и касательные, действующие вдоль граней (это силы трения Т). Различают силу трения у дна Тшо и силу трения, обусловленную действием ветра на водную поверхность Гветр (считается, что неподвижный воздух тормозящего действия на движущуюся воду практически не оказывает).
Для математического представления объемных (массовых), нормальных и касательных поверхностных сил используют соответственно следующие выражения: F- та, F- Sp и F= Sx, где т — масса; а — ускорение; S — площадь боковой грани; /? —давление на единицу площади; х —удельное трение (касательное напряжение). Размерность р их — Н/м2. Как следует из рис. 2.3, все перечисленные силы, действующие на рассматриваемый объем воды, можно представить в следующем виде.
Сила тяжести, действующая вертикально вниз, равна Fg = mg, а ее продольная составляющая, действующая вдоль уклона водной поверхности, равна
Fg= mg sin а = mgl, (2.17)
где а — угол между горизонтальной плоскостью и поверхностью воды; sin а = АН/Ах = / — уклон водной поверхности (величина безразмерная); АН— падение уровня вдоль участка Ах.
Центробежная сила действует лишь в случае изгиба траекторий движущихся частиц воды и направлена перпендикулярно потоку в сторону от центра кривизны (такой случай показан на рис. 2.3, в). Эта сила равна Fu = таи, где аи — центробежное ускорение, равное у1/г (v— скорость течения воды, г—радиус изгиба потока), т. е.
Fu - mv2/r. (2.18)
Сила Кориолиса действует на любое движущееся тело и направлена перпендикулярно движению в Северном полушарии — вправо, в Южном — влево. Она равна FK = так, где ак — ускорение Кориолиса, равное 2vco sin ф (со —угловая скорость вращения Земли, равная 271/86 400 = 7,27 • 10-5 с-1, ф — географическая широта места), т. е.
FK = 2m ую sin ф. (2.19)
Масса выделенного объема т может быть представлена во всех этих формулах как т = pSh - pAxBh, где р — плотность воды; S — площадь верхней или нижней граней, равная Ах В.
Полное давление на все четыре вертикальные грани объема (Sb S2, S3 и S4) должно быть отнесено к центрам этих граней. Оно равно P=Sp, где /7 —удельное давление на единицу площади, равное pgh/2 + pa (здесь рй — атмосферное давление, Л/2 — половина глубины). Таким образом, для давления на всех четырех гранях {Рх, Ръ Р3 и Р4) имеем сходные выражения:
P=S(pgh/2+pa). (2.20)
Для движения воды имеет значение, однако, не столько давление на грани выделенного объема, сколько разность давления на противоположные грани. Так, продольный градиент давления на передней S2 и задней 5, гранях равен
А Р=Р2-Р1. (2.21)
Как видно из формулы (2.21), такой градиент давления (при условии неизменного вдоль потока атмосферного давления) может возникнуть лишь в двух случаях: вследствие разницы в глубине расположения центра обеих граней и вследствие изменения плотности воды вдоль потока. Если же Ah и Ар равны нулю, то отсутствует и градиент давления АР.
Примем, что слева и справа от направления движения выделенного объема характеристики движущейся воды (плотность, глубина) те же, что и в самом объеме. Поэтому в данном случае РЪ = Р^ и поперечный градиент давления отсутствует.
Трение на дне Тто равно: Гдно = £днотдно, где Smo = АхВ, а удельное трение (касательное напряжение) согласно законам гидродинамики может быть выражено следующим образом:
\но=/днору2, (2.22)
гДе /то — коэффициент гидравлического сопротивления (трения). Экспериментами установлено, что при ламинарном движении fmo зависит от числа Рейнольдса: /шо= а/Re, а при турбулентном — не зависит. Поэтому, раскрыв значение Re по формуле (2.8), получаем для касательного напряжения на дне тдно при ламинарном режиме
Vo= яру2/Re = apvv/h. (2.23)
Для турбулентного режима свою силу сохраняет формула (2.22).
В формулах (2.22) и (2.23) fmo и а — коэффициенты, определяемые опытным путем. Коэффициент трения fmo зависит от шероховатости поверхности дна и обычно изменяется от 1 • Ю 3 до 8 • 10-3; а = 3.
Обращает на себя внимание тот факт, что касательное напряжение на дне при ламинарном движении зависит от скорости течения в первой степени и вязкости, а при турбулентном — от скорости течения во второй степени и не зависит от вязкости.
Таким образом, для ламинарного и турбулентного режимов движения воды получим соответственно два разных выражения для трения на дне:
Тто = Smoapvv/h, (2.24)
Тто = Smo fw 0pv2, (2.25)
где Smo = AxB.
Трение на поверхности воды, обусловленное действием ветра, определяют по формуле 7,ветр = £повтвир, где
^ветр — ./ветр Рвозд COS \|/. (2.26)
Здесь /ветр — коэффициент трения на границе раздела движущийся воздух — вода, равный приблизительно 2,6 • 10“3; рвозд — плотность воздуха (1,293 кг/м3 — при нормальном атмосферном давлении); W— скорость ветра, м/с; у — угол между направлением движения воды и направлением ветра. При попутном ветре cos\|/>0, при встречном cos\|/<0; в последнем случае выражение для хветр получает отрицательный знак. Выражение для трения ветра на водной поверхности таким образом будет следующим:
TBeJV = Sn0B ./ветрРвозд W2 COS \|/, (2.27)
где Snos = AxB.
В рассматриваемом случае трение на левой и правой гранях объема (-5*3 и 54) отсутствует, поскольку по обе стороны выделенного объема вода движется с той же скоростью, что и внутри него.
Все перечисленные силы можно подразделить на активные и пассивные. Активные силы вызывают движение воды, пассивные (или вторичные) лишь сопутствуют движению воды. К активным силам относятся продольная составляющая сила тяжести, продольный градиент давления, сила трения, если она обусловлена воздействием ветра на водную поверхность. К пассивным силам, возникающим только при наличии движения, относятся сопутствующие движению сила трения на дне, центробежная сила, сила Кориолиса.