20

Лекция n1

Содержание лекции: Предмет гидрологии, связь с другими дисциплинами. Задачи гидрологии в деле рационального использования водных ресурсов и их охраны. Водные ресурсы и водный баланс земного шара и страны. Речная система, речной бассейн и их характеристики. Водный баланс речного бассейна.

Предмет гидрологии , связь с другими дисциплинами. Объект изучения гидрологии - гидросфера, включающая океаны, моря, реки, озера, болота, почвенные и грунтовые воды, снег и ледники, влагу атмосферы. При этом следует отметить, что по определению ландшафтной сферы Земли гидросфера связана с одной стороны, с литосферой, а с другой стороны, с атмосферой

При изучении гидрологии очень важным является определение ландшафтной сферы Земли.

Ландшафтная сфера Земли как зона активного взаимодействия литосферы, атмосферы и гидросферы имеет более значительную мощность. Помимо растительности и почв, с населяющим их животным миром, в состав ее включаются приземный слой воздуха и современная кора выветривания.

Приземный слой воздуха 30 - 50 м толщиной находится под непосредственным воздействием подстилающей поверхности; в его пределах наблюдаются суточные колебания температуры и влажности воздуха, энергично развита термическая конвекция. Этот воздушный слой отличается присутствием жизни.

Современная кора выветривания представляет продукт прямого воздействия атмосферы, воды, растительности и животных на горные породы. Она распространена повсеместно, варьирующая от нескольких метров до нескольких десятков метров.

Таким образом, общая мощность наземной ландшафтной сферы колеблется в пределах от 30-50 м до 150 - 200 м.

Также необходимо знать, что земля как планета состоит из трех оболочек (контрастов): твердой (литосферы), жидкой (гидросферы) и газообразной (атмосферы). Физические и химические процессы в этих оболочках изучаются многими науками, которые носят общее название “наука о земле” .

Гидрология - это наука, изучающая гидросферу, ее свойства (физические, химические) и протекающие в ней процессы и явления во взаимосвязи с атмо, - лито - , и биосферой.

Для изучения гидрологических процессов и явлений производят необходимые наблюдения и измерения. Соответственно сформировался вспомогательный раздел гидрологии - гидрометрия. Таким образом, гидрометрия - часть гидрологии, занимающаяся разработкой методов измерений и наблюдений на водных объектах и методов обработки результатов этих измерений.

Гидрометрия подразделяется на гидрометрию речную, морскую, озерную, гидрометрию болот, подземных вод, ледников. Данные измерений и визуальных наблюдений обобщаются и анализируются .

При изучении гидрологических процессов и явлений приходится опираться на ряд законов, установленных другими науками. В гидрологии особенно широко используются законы физики, химии и биологии. Поскольку гидрологические процессы тесно связаны с процессами, происходящими в лито- ,био-, и атмосфере, то отсюда ясна связь гидрологии с метеорологией, геофизикой, гидрогеологией и гидробиологией, климатологией, физикой атмосферы и др.

Гидрология имеет много общих вопросов с геоморфологией - наукой, изучающей закономерности возникновения и развития форм земной поверхности. Используются законы гидромеханики и гидравлики. В пределах гидросферы находится часть биосферы. Наука, изучающая водные организмы и их единство с окружающей средой, называется гидробиологией и является разделом биологии.

Воды земли с содержащимися в них твердыми, жидкими и газообразными веществами называются природными водами. Огромная часть природных вод составляют океаны, меньшая часть находится в водных объектах суши. Водные объекты суши образуются в результате выпадения атмосферных осадков, значительная часть которых формируется при испарении с поверхности океанов и морей.

Воды, находящиеся на поверхности суши в виде различных водных объектов, называются поверхностными. Раздел гидрологии изучающий их называют гидрологией суши.

Гидрография суши, в отличии от собственно гидрологии суши, занимается конкретных водных объектов и вод отдельных территорий, основываясь при этом на положениях и законах, установленных собственно гидрологией.

Гидрология и гидрография суши подразделяются на гидрологию и гидрографию рек, озер, ледников и болот.

Раздел гидрологии, исследующий воды океанов и морей, называют гидрологией океанов и морей или океанологией.

Изучение почвенных вод является одной из задач почвоведения.

Основные понятия в гидрологии суши - это водный объект. К водным объектам относятся океаны и моря, реки, ледники, озера, воды болот и др. В свою очередь водные объекты подразделяются на водотоки и водоемы.

Водоток - водный объект , в котором вода движется в направлении уклона в углублении земной поверхности. Различают постоянные и временные водотоки.

Водоем - водный объект в углублении суши, характеризующийся замедленным движением воды или полным его отсутствием. Различают естественные и искусственные водоемы.

Наиболее типичная форма водотоков на Земле - река. Она представляет собой водоток значительных размеров, питающийся атмосферными осадками со своего водосбора и имеющий четко выраженное русло.

Типичные формы водоемов - озера и водохранилища. Естественный водоем с замедленным водообменом называется озером. Искусственный, образованный водоподпорным сооружением на водотоке с целью хранения и регулирования стока воды называется водохранилищем.

При классификации гидрологии суши по водным объектам различают: - гидрологию рек; - гидрологию болот; - гидрологию водохранилищ; - гидрологию ледников.

Речная гидрология и речная гидравлика., изучающие движение воды в речных руслах и их формирование, дополняют друг друга и составляют основы инженерной гидрологии.

Инженерная гидрология занимается решением различных инженерных задач при гидротехническом, гидроэнергитическом, гидромелиоративном строительстве, при водоснабжении, сооружении мостов, автомобильных и железных дорог и т.д.

Задачи гидрологии в деле рационального использования и охраны водных ресурсов.

Важность решения гидрологических задач можно демонстрировать на следующем примере.

В бассейне Азовского моря, основными речными системами являются Дон и Кубань, изъятие воды составляет примерно треть от среднего многолетнего стока. Площадь орошения на Дону достигли 1.2 млн.га, а на Кубани 700 тыс.га, из которых 200 тыс. здесь занимают рисовые севообороты. Регулирование стока Цимлянским водохранилищем в интересах энергетики и водного транспорта привело к практическому прекращению половодий и иссушению пойменных земель на Нижнем Дону, подорвало естественное воспроизводство рыбного стада Азовского моря. Аналогичная ситуация сложилась и в бассейне р. Кубани. Все это требует оценки реакции региональных экосистем на изменения естественного водного режима реки.

На современном этапе развития к числу важнейших задач гидрологии в области водоустройства страны следует отнести следующие.

1. Восстановление и модернизация сети наблюдательных станций, обеспечивающих получение информации о режиме вод, в первую очередь - в створах, где наблюдения велись длительное время.

2. пересмотра современных представлений о параметрах стока в масштабах всей гидрографической сети.

3. Оценка изменения гидрологических условий в результате антропогенных воздействий на режим и качество природных вод.

4. Разработка методики определения допустимых воздействий на режим основных речных бассейнов страны.

5. Обоснование стратегии охраны качества природных вод.

6. Обобщение данных о гидрофизическом режиме водных объектов, который претерпел изменения под влиянием хозяйственной деятельности.

7. Составление обосновывающих материалов по составу первоочередных объектов и мероприятий, имеющих своей целью водообеспечение страны, предупреждение вредного воздействия вод и охраны их от загрязнения и истощения.

Отметим значение гидрологии для обороны и проведения военных действий.

На суше водные объекты являются естественными рубежами. При проведении военных операций необходимо знание глубин и режима рек для строительства мостов, организации переправ; в зимний период, когда большинство наших рек покрывается ледяным покровом знание его толщины и прочности приобретает исключительное значение при форсировании рек. Оборона и проведение военных операций на море требуют хороших знаний глубин, режима течений, волнений, колебаний уровней, прозрачности и плотности морской воды.

Водные ресурсы и водный баланс земного шара и страны. В земном шаре непрерывно происходит обмен влагой между гидро- , атмо -, и литосферой, состоящий: из испарения, переноса водяного пара и его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и образования стока. Это называется влагооборот земного шара.

Различают несколько видов влагооборота в природе (рис. 1)

1. Большой (или мировой) влагооборот водяного пара, испарившийся с поверхности океанов, переносится ветрами на материки, выпадает в виде атмосферных осадков и возвращается в океан со стоком.

2. Малый (или океанический) влагооборот - водяной пар , испарившийся с поверхности океанов, выпадает в виде атмосферных осадков в океан.

3. Внутриконтинентальный влагооборот - вода, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

Под влиянием солнечной радиации с поверхности океанов, морей, рек, озер и других водоемов, с поверхности ледников, снежного покрова и льда, почвы и растительности ежегодно в среднем испаряются огромные массы воды - 577 тыс. км³.

Основным источником поступления воды в атмосферу является испарение с поверхности океанов и морей и составляют 505 тыс. км³. Остальные 72 тыс. км³ в атмосферу поступают с суши. Большая часть этой влаги в размере 458 тыс. км³, выпадает в виде атмосферных осадков непосредственно на поверхность океанов и морей. Меньшая часть этой влаги - 47 тыс. км³, переносится воздушными потоками на континенты и острова и затрачивается на формирование рек, озер, болот, ледников и грунтовых вод и создает условия для существования и развития природной среды и деятельности человека.

Рис. 1.1. Схема круговорота воды в природе. I — осадки, 2 — водопроницаемые породы, 3 — слабопроницаемые породы, 4 — непроницаемые породы, 5 — источник, 6— направление движения воды и водяных паров,

Такой же объем воды (47 тыс. км³) ежегодно возвращается в океан с поверхностными (45 тыс. км³) и грунтовыми (2 тыс. км³ ) водами.

Соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранное время для рассматриваемого объекта называют водным балансом.

Для составления водного баланса земного шара принимаем следующие обозначения:

Еo, Еc, Еб - соответственно испарение в среднем за год с поверхности Мирового океана, периферийных областей суши и бессточных областей суши; Ез- испарение с поверхности земного шара.

Хо , Хс,. Хб, Хк - соответственно среднюю годовую сумму атмосферных осадков, выпадающих на поверхность океана, периферийных и бессточных областей и на континент; Хз- годовую сумму осадков для всего Земного шара; Ус - средний суммарный годовой сток с суши; U, У E - соответственно суммарное испарение, речной сток и подземные воды континента.

При принятых обозначениях водный баланс земного шара примет следующий вид:

для малого круговорота влаги в пределах океана
Eo = Xo + Ус	(1)
для большого круговорота влаги
Ес + Ус =Хс	(2)
для бессточных областей
Еб = Хб	(3)
для континента
Х = У + U + E	(4)

Следует отметить, что суммарные осадки на континент (Х) - включают в себя осадки, выпадающие за счет влаги, принесенной с океана и сопредельных территорий, осадки, образующиеся за счет местного испарения и конденсация влаги.

Очевидно, что для всего земного шара в целом справедливо равенство

Ез =Ео + Ес + Еб = Хо + Хс + Хб	(5)
или
Ез =Хз	(6)

Таким образом , количество воды , испаряющейся с поверхности океанов, морей и суши, равно количеству осадков, выпадающих на эти поверхности.

Ресурсы речного стока Российской Федерации составляют:

1) Формирующиеся в пределах РФ - 4021 км³/год,

2) Поступающие из сопредельных районов - 220,8 км³/год,

3) Суммарные - 4242 км³/год.

Отметим, что большая часть речного стока (80%) формируется в малонаселенных северных и северо-восточных районах страны и поступает в основном в бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. Так например, ресурсы речного стокаСибири и Дальнего Востока, с учетом поступающих из сопредельных районов, составляют 3443 км³/год.

Речная система, речной бассейн и их характеристики.

Водосбор реки, и вся толща почво-грунтов, с которой вода поступает в реку, называется речным бассейном. Совокупность рек, сливающихся вместе и выносящих свои воды в виде общего потока, называется речной системой. Бассейн реки состоит из поверхностного и подземного водосборов. Участок земной поверхности, с которого стекают воды в отдельную реку или в речную систему, представляет поверхностный водосбор. Подземный водосбор - толща грунтов, из которой вода поступает в реки, озер и водохранилища. Следовательно, различают поверхностный и подземный (грунтовый. почвенный) сток. Границы подземного водосбора определить трудно. Граница поверхностного водосбора фиксируется достаточно точно водораздельной линией по карте с горизонталями. Водораздельная линия речного бассейна представляет замкнутый контур, определяющий смежные водосборы. На практике за площадь бассейна реки принимается площадь поверхностного водосбора.

Каждая река и ее бассейн могут быть охарактеризованы количественными показателями - гидрографическими характеристиками. К ним относятся длина реки и ее притоков, строение гидрографической сети, ее густота, площадь водосбора, уклоны реки и водосбора, их высотное положение и др.

Длина реки - это расстояние в километрах от устья до истока. Для ее определения пользуются крупномасштабными картами.

Бассейны рек нередко отличаются асимметрией, что имеет большое значение для формирования водного режима рек. Характеристикой асимметрии бассейна служит коэффициент асимметрии Ка, определяемый по формуле

(7)

где fл , fп, F - соответственно площадь левобережной, правобережной части бассейна и всего речного бассейна.

Большой интерес представляет средний уклон бассейна iср, который может быть вычислен по формуле

(8)

где h - разность отметок соседних горизонталей на гипсометрической карте;

- длина горизонталей в пределах бассейна; F - площадь бассейна.

Коэффициент извилистости реки

(9)

где l -измеренная длина всей реки с учетом извилистости, км; - длина прямой, соединяющей устье и исток реки, линейкой по плану, км.

Коэффициент разветвленности участка реки

(10)

где, ...длина протоков; - длина главного русла на этом участке, км.

Коэффициент неравномерности развития речной сети

(11)

где , - сумма длинн соответственно левобережных и правобережных притоков.

Коэффициенты густоты речной сети

(12)

 l - длинн всех поверхностных водотоков, в том числе и главной реки, км;

F - площадь бассейна, км² .

Падение реки - разность высот уровенной поверхности воды в двух точках, расположенных на некотором расстоянии вдоль реки

где H = H_i - H_i+1 (13)

где H_i и H_{i+1 -} высотные отметки дна или поверхности воды в начале и конце участка, м

Течение каждой реки можно разделить на исток, верхнее, среднее, нижнее и устье.

Истоком называется место на земной поверхности, где русло реки приобретает отчетливо выраженные очертания и где в нем наблюдается течение.

В верхнем течении река обычно отличается большим уклонами и в соответствии с этим большими скоростями.

В средней части течения уклоны водной поверхности и скорости течения уменьшаются, водность возрастает, эррозионная деятельность потока ослабевае.

В нижнем течении происходит по приимуществу аккумуляция продуктов размыва, поступающих из верхней части речного бассейн.

Место, где река впадает в другую реку, озеро или море, называется устьем реки.

Реки обычно протекают в узких вытянутых пониженных формах рельефа называемых долинами (рис. 2) Элементами долины являются: дно или ложе долины, тальвег, русло реки, пойма, склоны долины, террасы и бровка. Дно или ложе долины - наиболее пониженная часть ее. Тальвег - непрерывная извилистая линия, соединяющая наиболее глубокие точки дна долины.

Часть дна долины, заливаемая высокими речными водами, называется поймой. Пойма представляет собой нижнюю, или первую террасу. Горизонтальные площадки в склонах долины называются террасами. Линия сопряжения склонов долины с поверхностью прилегающей местности называется бровкой. (рис. 2)

Разность высот двух каких - либо точек водной поверхности по длине реки называется падением реки. Отношение величины падения к длине данного участка называется уклоном i реки.

Падение выражается обычно в метрах на 1 км; уклон же представляет собой величину безразмерную и выражается в виде десятичной дроби, иногда в промилле (т.е. тысячных долях) и процентах. Переход от дроби к промилле получают умножением на 1000, а к процентам - на 100. Промилле обозначают %_о. Так, I = 0.003 = 0.3 % = 3 %_{о .}

Рис.2. Схематический поперечный разрез речной долины.

Для суждения о ряде гидрологических свойств бассейна важно знать климатические особенности бассейна. Главными климатическими элементами являются: количество атмосферных осадков, мощность снежного покрова и запас воды в нем, интенсивность дождей, температура и недостаток насыщения влагой воздуха.

На водный режим рек оказывает большое влияние озерность , лесистость и заболоченность. Озерностью бассейна, или коэффициентом озерности, называется отношение площади, занятой озерами в пределах данного бассейна, ко всей его площади. Таким образом Коз = fоз/F , где fоз - площадь зеркала всех озер; F - площадь бассейна. Коэффициентом заболоченности называется отношение площади, занятой болотами в бассейне, ко всей его площади, т. е. Кзаб = fб/ F, где fб - площадь болот. Аналогичным образом коэффициентом лесистости называется отношение площади, покрытой лесами, к площади бассейна, т. е. Клес = fл / F , где fл - площадь занятости лесами.

Рис.3. Схема водного баланса речного бассейна

R-полный речной сток; Х-осадки; Y-поверхностный сток; U-подземный сток; W-увлажнение почвы; Е-суммарное испарение; V-водообмены

Уравнение водного баланса речных бассейнов (по М.И. Львовичу) (рис. 3) состоит из следующих:

Х = У +U+Е ; W = X - У = U + E (14)

где Х - осадки; У - поверхностный сток; U - подземный сток; Е - суммарное испарение; W - валовое увлажнение территории.

Л Е К Ц И Я N 2

Гидрометрия и ее задачи..

Гидрометрия является частью более обширной науки - гидрологии. Слово “гидрометрия” образовано из сочетания двух греческих слов и означает - измерение воды.

Основными задачами гидрометрии являются:

1) разработка методов и приборов для количественного определения и учета различных элементов режима водных объектов, 2) систематическое изучение гидрологического режима водных объектов для получения многолетних характеристик уровней, стока воды и наносов. химического состава воды. температуры воды. ледовых явлений и пр.

Гидрометрия подразделена на:

• Гидрометрия атмосферных вод

• Гидрометрия поверхностных вод: 1) гидрометрия океанов и морей; 2) гидрометрия вод суши (рек, озер, водохранилищ)

• Гидрометрия подземных вод.