Гидрология суши, ее предмет, структура и задачи

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

Естественный водоем с замедленным водообменом называется озером. Искусственный водоем, образованный водоподпорным сооружением на водотоке с целью хранения и регулирования стока воды, называется водохранилищем. Речные водохранилища сохраняют типичные черты и водотока, и водоема. Отличают их значительно меньшие скорости течения воды, чем в реках в естественном состоянии.

 

3. Методы гидрологических исследований

 

В гидрологии применяются различные  методы исследований, из которых основные: экспедиционные, стационарные и лабораторные.

Экспедиционный метод представляет собой комплексное исследование вод обширных районов или гидрологических объектов по специализированным программам. Этот метод позволяет исследовать преимущественно те явления, которые, различаясь в пространстве, медленно изменяются во времени. В экспедиционных исследованиях широко применяются способы измерения гидрологических элементов: уровня, течения, волнения, температуры воды, ледовых явлений и др. Результаты исследований не только используются для региональных описаний водных объектов, но и позволяют судить о гидрологических процессах их структуре и причинных связях.

Метод стационарных наблюдений служит для изучения динамики элементов гидрологического режима водных объектов. Систематические наблюдения производятся гидрометеорологическими станциями и обсерваториями. Эти наблюдения ведутся на всех станциях по единой программе. Закономерные изменения состояния водного объекта во времени, обусловленные влиянием физико-географических факторов называются гидрологическим режимом. Гидрологический режим проявляется в виде суточных, сезонных и многолетних колебаниях уровня и расхода воды, ледовых явлений, течений, солености и др. Огромный материал, собранный гидрометеорологическими станциями и постами, экспедициями, сосредоточен в специальном научном центре хранения гидрометеорологической информации. Материалы наблюдений обрабатываются и используются для географических обобщений, составления справочников, атласов, гидрологических прогнозов и др.

Лабораторный метод – позволяет определять химические и физические свойства воды, моделировать гидродинамические процессы, для того чтобы изучить их возникновение, развитие и затухание. В искусственных условиях на моделях, задавая внешние условия можно изучить и сами явления и влияния на них различных сил и др.

 

1.4. Сведения из истории гидрологии.

 

В глубокой древности жизнь человека вблизи воды, особенно, если эта вода использовалась для орошения полей, во многом зависела от режима водных объектов. Человек вынужден был следить  за этим режимом, вести наблюдения. К числу самых ранних относятся гидрологические наблюдения древних египтян за колебаниями уровня воды на р. Нил с помощью «ниломеров» - первых гидрометрических устройств. Египтяне знали, что урожай будет очень высоким, если Нил поднимется на 14 локтей (6.2 м), если же он поднимется только на 8 локтей (3.6 м), то наступит голод. Чтобы избежать голода древние египтяне освоили искусство строительства каналов и запруд. И в период правления Петрония (I в. н. э.), когда ниломер показал только 12 локтей, урожай был максимальным, а когда уровень поднялся лишь на 8 локтей, то голода все же не было.

Можно предположить, что начало развитию знаний о воде заложили древние натурфилософы, впервые попытавшиеся дать ответ  на, казалось бы, простой вопрос: «Почему  текут реки и вода в них не иссякает?». Древнегреческий философ Фалес Милетский (624 - 547 гг.) предполагал, что морская вода под воздействием ветров проникает в земные недра и затем под воздействием земной тверди восходит вверх и питает реки.

Задумывались о происхождении рек и источников греческие философы Платон (427 - 347 гг.) и Аристотель (384 - 322 гг.). Платон впервые высказал мысль о круговороте воды, а Аристотель впервые предположил, что вода испаряется с поверхности океанов и морей, конденсируется и выпадает на сушу в виде осадков. Однако Аристотель считал, что это не основной источник питания рек. По его теории, в холодных земных пустотах вода конденсируется из воздуха.

Вклад в развитие гидрологических  знаний внесли и древнеримские мыслители. Витрувий интересовался поиском грунтовых вод, Герон Александрийский первый предположил, что расход воды равен произведению площади поперечного сечения потока на скорость течения. О познаниях древних римлян в гидрологии и гидротехнике свидетельствуют акведуки - водопроводы Рима - удивительное сооружение древности.

Хотя с течением времени проходило  накопление гидрологических знаний, еще многие столетия сохранялось  представление о том, что в  толще земли соленые морские  воды превращаются в пресные и  изливаются в виде рек. Эту теорию поддерживали Декарт и Леонардо да Винчи.

Настоящий прорыв произошел в 1674 г., который и считается годом  рождения инженерной гидрологии. В  этом году француз Пьер Перро (брат известного сказочника) измерил водный баланс р. Сены и доказал, что количество осадков, выпавших на поверхность ее бассейна, превышает объем стока.

В XVIII в. итог двух тысячелетним исследованиям подвел Ж. Бюффон в работе «Всеобщая и частная естественная история», где впервые научно сформулирована идея круговорота, включая все его фазы.

Более или менее систематические  исследования водных объектов в России были начаты при Петре I. Он был организатором первых специальных гидрографических обследований рек, создателем первого закона об охране вод, по его приказу в 1715 г. был устроен первый водомерный пост в России на р. Неве у Петропавловской крепости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1 Главный водомерный пост в России

 

1.5. Основные этапы развития гидрологических исследований. Гидрологические учреждения

 

Материалы экспедиционных и стационарных исследований, вод суши и моря к концу 19 века были обобщены в капитальных трудах русских и зарубежных ученых (Ю.М. Шокальский, И.Б. Шпиндлер, Н.М. Книпович, О. Крюммель). Эти же материалы явились основой для изучения взаимодействия вод с другими элементами географической среды, в особенности с климатом (А.И. Воейков, Х.Келлер и др.), для типизации водного режима рек А.И. Воейков, формирования русла (В.М. Лохтин, Н.С. Лелявский), изучение ледового режима (М.А. Рыкачев, В.Б. Шостакович и др.)

В годы советской власти по инициативе В.И. Ленина в 1919 г был открыт Российский (с 1926 г – государственный) гидрологический институт (ГГИ). В 1921 г был издан декрет об учреждении плавучего морского научного института (ПлавМорНИИ) в задачу которого входило планомерное комплексное изучение советских морей и их побережий.

Создание ГГИ имело большое  значение в развитии советской гидрологии и оформлении её как самостоятельной  науки. ГГИ объединил усилия крупных  ученых: Л.С. Гоерг, Ю.М. Шокальский, Б.Л. Личков, А.А. Каминский, В.Н. Лебедев, М.М. Книпович, Н.М. Павловский, Г.Ю. Верещагин. Первым директором ГГИ был В.Г. Глушков, заслуги которого в развитии гидрологической науки и её комплексного направления исключительно велики, под его руководством были созданы отделы по объектам исследований (морской, речной, озерной, подземных вод и др.), и общий – для изучения и разработки методов исследований процессов, протекающих в природных водах.

С первых лет организационного оформления гидрологических исследований основной практической задачей в гидрологии была оценка современного состояния водных ресурсов и гидрологическое обоснование их использования. Эти задачи актуальны и в настоящее время, они выполняются коллективами учреждений системы ГМС, так и академическими учреждениями: институтами географии АН России, институтом океанологии, институтом водных проблем, институтом озероведения и многими проектными организациями стран СНГ. В Кыргызстане такие работы ведутся в УГМС и институте водных проблем и гидроэнергетики.

Усилиями этих учреждений был создан водный кадастр СНГ и произведена оценка водных ресурсов, составлен водный баланс стран СНГ и материков земного шара. Разработаны многие теоретические разделы гидрологии и методы инженерных гидрологических расчетов.

Для современного этапа развития гидрологических исследований характерно объединение гидрологов всего мира для решения глобальных проблем гидрологии. Такой организацией является Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО). Основными задачами которой являются исследования круговорота воды в природе и влияние на него деятельности человека, взаимосвязи природных основ управления водным режимом обширных территорий суши и морей и прогноз будущего состояния водных ресурсов Земли, содействие стандартизации метеорологических и гидрологических наблюдений и обеспечение единообразия при публикации данных наблюдений и результатов их статистической обработки.

 

1.6. Водные ресурсы. Государственный водный кадастр. Гидрологические справочники. Роль дисциплины в комплексном использовании водных ресурсов и их охране.

 

Как сказано в справочнике «стандартные термины в водном хозяйстве» под редакцией Н.Н. Михеева: водные ресурсы- запасы поверхностных и подземных вод рассматриваемой территории, которые используются или смогут быть использованы в народном хозяйстве (ГОСТ 27065-86), а водный кадастр - систематизированный свод сведений о водных ресурсах страны.

Мировые запасы воды. Общие запасы воды на Земле (не считая физически и химически связанную воду) составляют около 1386 млн. км³, из них 96.5% приходится на воды Мирового океана.

Суммарные запасы пресных вод на земном шаре оцениваются в 35 млн. км³, что составляет всего 2.5% общего объема воды на Земле. Из них более 68% содержатся во льдах Антарктиды и Гренландии и 30% - в подземных водах и только 0.3% (105 тыс. км³)- в озерах, реках и болотах.

Водные ресурсы стран  СНГ, Кыргызстана. Средний сток рек с территории СНГ равен 4714 км³ в год, с территории Кыргызстана 49,672 км³ в год. Так как речной сток ежегодно возобновляется, он имеет наибольшее значение для водохозяйственного использования. Суммарный сток рек СНГ составляет 11% мирового объема стока, равного 42 тыс. км³. Около 80% речного стока приходится на территории, прилегающие к бассейнам Тихого и Северного Ледовитого океанов.

Эксплуатационные ресурсы пресных подземных вод в СНГ составляют около 320 км³ в год. Это воды, которые могут извлекаться из водоносных пластов без существенного снижения уровней и ухудшения качества грунтовых вод.

Подземный сток с территории СНГ равен 1100 км³ в год. Значительная часть подземного стока является одной из составляющих стока рек. На территориях с вечной мерзлотой в местах выклинивания подземных вод в долинах рек и понижениях образуются наледи. Запас воды в них составляет около 30 км³.

Запасы воды в ледниках и снежниках равны 10976 км³, в болотах — около 3000 км³.

Общий объем воды в озерах 27200 км³ (без Каспийского и Аральского морей).

Общее количество воды, участвующей в годовом влагообороте в пределах территории СНГ (площадь 402200 км²), составляет: осадки —530 мм (11700 км³), испарение — 330 мм(7340 км³), сток —200 мм (4360 км³).

Государственный водный кадастр - систематизированный свод данных учета вод по количественным и качественным показателям, регистрации водопользований, а также данных учета использования вод.

К числу официальных документов, в которых можно получить исходную информацию о гидрологическом режиме водных объектов, относятся следующие издания:

• Гидрологические Ежегодники.

• Справочники по ресурсам  поверхностных вод СССР,  состоящие из трех серий по 20 томов каждая:

1. «Гидрологическая изученность» - серия, содержащая сведения об основных гидрографических характеристиках, количестве и размерах рек и озер, их стационарной и экспедиционной изученности, а также перечень основных опубликованных и хранящихся в архивах работ, в которых имеются данные о водных объектах.

2. «Основные гидрологические характеристики» (ОГХ) - серия, содержащая проверенные материалы наблюдений за режимом рек, озер и водохранилищ на станциях Росгидромета и других ведомств. Данный справочник состоит из трех книг. В первой книге опубликованы данные за период с начала наблюдений по 1962 г., во второй - за 1963 - 1970 гг., в третьей - за 1971 - 1975 гг. Данные за 1976 - 1980 гг. опубликованы в справочнике «Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши» (МДС).

3. «Ресурсы поверхностных вод СССР» - серия монографий, представляющих собой научные обобщения данных о режиме рек, озер и водохранилищ.

При выполнении инженерных гидрологических  расчетов необходимо использовать действующие федеральные и территориальные нормативные документы.

Гидрология представляет собой  науку, изучающую формирование и  распространение вод на Земле, включая  их химические, биологические и физические свойства, и их взаимодействие с  окружающей средой. Она является основой при решении практических проблем, связанных с наводнениями и засухой, эрозией и отложением наносов, а также с загрязнением вод. Кроме того, постоянно возрастающее значение загрязнения поверхностных и подземных вод, кислотные дожди, осушение заболоченных земель и другие виды землепользования, а также угроза нарушения естественных водных ресурсов в результате изменения климата и подъема уровня моря выдвинули гидрологию на ведущую роль при решении многих проблем, связанных с окружающей средой.