Лекции
к учебной практике по гидрологии и гидрометрии
для студентов строительного факультета ПГУПС
Лекция № 1
1.Предмет гидрологии. Общие понятия о воде.
Круговорот и распределение воды. Водный баланс.
Гидрология – наука, изучающая гидросферу, её свойства, процессы и явления,, связанные с поверхностными водами. протекающие в ней во взаимосвязи с атмосферой, литосферой и биосферой.
Гидрология суши (ГС) – раздел гидрологии, рассматривающий поверхностные воды суши. Предметом изучения ГС являются водные объекты: реки, озера, водохранилища, болота, ледники, скопления снега, подземные воды, связанные с поверхностными водами.
ГС подразделяется на следующие научные дисциплины:
- Общая (планетарная гидрология),
- Гидрография,
- гидроморфология (законом. строения речной сети),
- гидрометрия,
- гидрология рек,
- гидрология озер и водохранилищ,
- гидрология болот,
- гидрология подземных вод,
- динамика вод суши,
- русловые процессы,
- гидрофизика,
- гидрохимия,
- инженерная гидрология и пр.
Вас, как будущих инженеров, будет интересовать прежде всего инженерная гидрология – это комплексная прикладная дисциплина, связанная с проектированием и эксплуатацией гидротехнических сооружений на водных объектах. Конструкции и параметры любых ГТС должны обязательно иметь гидрологическое обоснование (ГО). Под ГО понимают прежде всего гидрологические расчеты характеристик стока и уровней воды, наносов, русловых деформаций, гидрохимические расчеты для целей водоснабжения и водоотведения и т.д.
Вода, как это не банально звучит, играет исключительно важную роль во всех процессах, происходящих на Земле, в т.н. неживой и живой природе. Благодаря аномальным физическим, химическим, полевым и пр. свойствам воды зародилась и существует жизнь на Земле.
Вода механически разрушает горные породы, растворяет их и способствует переносу на большие расстояния.
Вода является той средой, где происходят процессы обмена веществ.
Вода формирует климат Земли и т.д.
По одной из наиболее признанных теорий происхождение воды связывают с дегазацией мантии Земли. Ежегодно в земную кору и на поверхность поступает в среднем 1 км3 воды. Но за время существования Земли (4…5 млрд. лет) объем воды, поступивший за счет дегазации мантии, в 3…3.5 раза больше объема Океана. А всего в мантии содержится около 13…15 млрд. км3. Этого хватит на 10..12 млрд. лет существования Земли.
В Мировой океане содержится 1338*106 км3 воды. Поверхность Океана – 71% от общей площади Земли. Таким образом, если воду Океана равномерно распределить по всей поверхности Земли, то она будут покрыта слоем воды в 2.5 км, т.е. останутся на поверхности только высокие горы.
Соленость воды в Океане 25…35 г/л или промиль. Для сравнения – в Черном море – до 15, в Балтийском – до 5 промиль.
Запасы пресной воды – 35*106 км3, т.е. всего 2.5% от объема воды в Океане. Из них 68.7% приходится на запасы воды в ледниках Земли и на подземные воды приходится около 31%. На все другие водные объекты (озера, болота, реки, вода в атмосфере, биологические организмы) приходится всего около 0.3%.
Под воздействием тепловой ( в основном солнечной энергии) и силы тяжести Земли происходит непрерывный процесс циркуляции воды в природе, во всех её водных объектах, начиная от Океана до простейших существ.
Рассмотрим планетарные круговороты воды (схема).
Процессы: испарение, конденсация в атмосфере, осадки – это малый океанический круговорот воды.
Перенос влаги с Океана на континенты плюс собственные осадки и испарение на континенте и наконец, сток воды в Океан с континентов – это является большим океано-континентальным круговоротом воды.
Для оценки круговоротов воды используется метод водного баланса, который является частным случаем закона сохранения вещества в природе. Он основан на очевидном свойстве: разность между приходом и расходом воды на какую-либо территорию, равна изменению количества воды на этой территории. Уравнение водного баланса – это количественное выражение этого свойства.
В зависимости от задачи расчетов в гидрологии рассматриваются водные балансы различных водных объектов, водосборов, территорий, районов и т.п. за различные промежутки времени.
Для Океана уравнение водного баланса имеет вид:
Хо + У - Ео = ± ∆ Wо,
где Хо – осадки на поверхность океана,
У – сток в океан,
Ео – испарение с поверхности океана,
∆ Wо - изменение запаса воды в океане.
Для континента, а также для отдельных участков суши, в т.ч. речных водосборов:
Хс - Ес - У = ± ∆ Wс,
где Хс – осадки на поверхность континента,
У – сток с континента,
Ес – испарение с поверхности суши,
∆ Wc – изменение запаса воды на континенте (в почвогрунтах и подземных водах, а также аккумуляция в бессточных понижениях).