Гидрология суши, ее предмет, структура и задачи

Лекция 1. «Гидрология». Спец. КИОВР 05

Лекция 1. «Гидрология». Спец. КИОВР 05                                                                                                                  1

ТЕМА 1. ВВОДНАЯ. ГИДРОЛОГИЯ СУШИ, ЕЕ ПРЕДМЕТ,

СТРУКТУРА И ЗАДАЧИ

 

1. Вода в природе и жизни человека. Наука гидрология и ее связь с другими науками. Подразделение гидрологии

 

Вода - одно из самых распространенных на Земле и необычных по своим  свойствам химических соединений. Без воды невозможно существование самой жизни. Вода — основная среда, обеспечивающая обмен веществ и развитие организмов. С древнейших времен жизнь человека и развитие культуры связаны с водой. Она широко используется в промышленности, энергетике, сельском и рыбном хозяйстве, в медицине и т. д.

Вода - носитель механической и тепловой энергии играет важнейшую роль в  обмене веществом и энергией между  геосферами и географическими районами Земли. Этому во многом способствуют и ее аномальные физические и химические свойства. Один из основоположников геохимии, В.И. Вернадский, писал: "Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества - минерала, горной породы, живого тела, которое бы ее не заключало. Все земное вещество - под влиянием свойственных воде частных сил, ее парообразного состояния, ее вездесущности в верхней части планеты - ею проникнуто и охвачено". Поэтому множество наук на Земле связано с водой.

Назовем некоторые из них. Как известно, одним из важнейших свойств воды как жидкости является ее подвижность. Изучение законов движения и равновесия жидкости – задача гидромеханики и ее прикладного раздела – гидравлики, которая разрабатывает способы применения общих законов движения и равновесия жидкости (покоя) к решению практических задач в конкретных условиях создаваемых природой.

Изучением физических свойств воды и физических процессов, происходящих в водной оболочке земли, занимается гидрофизика.

Изучение состава и химических свойств природных вод и их изменения являются содержанием  раздела геохимии – гидрохимии.

Природные воды представляют собой  среду, в которой существуют животные и растительные организмы. Биологические процессы, протекающие в воде, тесно связаны с ее свойствами и гидрологическими условиями. В то же время эти процессы оказывают на химический и газовый состав водной массы. Остатки отмирающих животных и растений образуют включения и илы, покрывающие дно озер и морей. В болотах органически остатки образуют торф, в реках изменяют структуру поймы и др. Наука, изучающая водные организмы и их взаимодействие с окружающей средой, называется гидробиологией.

Законы, устанавливаемые гидромеханикой, гидрофизикой, гидрохимией, гидробиологией и др., служат основой для гидрологии. Гидрология изучает гидросферу, включая океаны и моря, реки, озера, болота, почвенные и грунтовые воды, снег и ледники, влагу атмосферы, а также ее свойства и протекающие в ней процессы и явления во взаимодействии с атмосферой, литосферой и биосферой. При изучении взаимосвязей водных объектов с окружающей средой гидрология использует данные климатологии, метеорологии, геологии, гидрогеологии, геоморфологии, физической географии и др.

Гидрология - комплекс наук, изучающих природные воды на Земле и гидрологические процессы. Термин "гидрология" (гидрос - вода, логос - наука) впервые упомянут в 1694 году в книге, содержащей "начала учения о водах", изданной Мельхиором во Франкфурте-на-Майне, а первые гидрологические наблюдения, по мнению американского гидролога Раймонда Найса, 5000 лет назад проводили на р. Нил египтяне. Но в самостоятельную науку гидрология оформилась лишь в начале XX столетия.

Гидрология подразделяется на несколько разделов, в праве которые назвать самостоятельными науками. Раздел гидрологии по изучению воды океанов и морей называется океанологией. Гидрология грунтовых (подземных вод) называется гидрогеологией. В гидрологию входят те разделы гидрогеологии, которые изучают взаимодействие поверхностных и подземных вод. Раздел гидрологии изучающий поверхностные воды суши называется континентальной гидрологией или гидрологией суши. В то же время наука гидрология суши подразделяется на гидрологию рек – потамологию (в дальнейшем будем называть - гидрология), озер - лимнологию, ледников – гляциологию, болот – тельматологию.

Гидрология, занимающаяся решением различных инженерных задач (в гидротехнике, гидромелиорации, гидроэнергетике, водоснабжении, строительстве мостов, автомобильных и железных дорог и т. д.), называется инженерной гидрологией.

В результате широкого применения в гидрологии теории вероятностных процессов сформировалась стохастическая гидрология.

В связи с широким  развитием гидротехнических мелиораций появилось новое направление гидрологии – мелиоративная гидрология.

Для дальнейшего развития гидрологии необходимо сочетать генетические и  стохастические методы исследования гидрологических процессов. Только разумное сочетание генетического и стохастического методов исследования гидрологических процессов может обеспечить успех дальнейшего развития гидрологии.

В зависимости от круга изучаемых  вопросов и методов исследований из гидрологии выделились самостоятельные  разделы и науки: гидрография, гидрологические расчеты, гидрологические прогнозы, гидрометрия, регулирование стока и др.

В задачу гидрографии входит изучение закономерностей географического распространения поверхностных вод, описание конкретных водных объектов, их гидрологического режима и хозяйственного значения, а также установление их взаимосвязи с географическими условиями территории.

Гидрологические расчеты и прогнозы, называемые инженерной гидрологией, занимаются разработкой методов расчета и прогноза различных гидрологических характеристик, необходимых для целесообразного использования их при изменении естественного режима водных объектов и для проектирования на них гидротехнических сооружений.

Значение гидрологии определяется главными задачами водного хозяйства  как отрасли науки и техники, охватывающей учет, изучение, использование, охрану водных ресурсов, а также борьбу с вредным действием вод.

Гидрометрия — наука о методах и средствах определения величин, характеризующих движение и состояние жидкости, и режим водных объектов. В задачу гидрометрии входят определения: уровней, глубин, рельефа дна и свободной поверхности потока; напоров и давлений; скоростей и направлений течения жидкости, пульсаций скоростей и давлений; параметров волн; гидравлических уклонов; расходов жидкости; мутности потока; расходов наносов и пульпы; элементов термического и ледового режимов потоков. Наибольшее развитие в связи с гидротехническим строительством получила речная гидрометрия. Эффективное использование водных ресурсов и рациональная эксплуатация гидромелиоративных систем, гидротехнических сооружений и ГЭС, мостов, автомобильных и железных дорог обусловили формирование и развитие эксплуатационной гидрометрии, особенно ирригационной.

Получила развитие инженерная гидрометрия. Ее задачи: гидрометрические работы в период строительства и ввода в эксплуатацию гидротехнических сооружений и мостов; наблюдения за влиянием возводимых сооружений на гидравлические элементы потока и воздействием потока на сооружения (их состояние и сохранность подводных частей); наблюдения за деформациями естественного русла, в особенности вблизи сооружений, пропуском паводка и воздействием ледохода на сооружения; гидрометрические исследования при перекрытии русл рек и переводе потока на водосбросные сооружения. Развивается гидрометрия двухфазных потоков (пульпы, аэрированных, нестационарных потоков и др.). Гидрометрия совершенствуется на основе гидромеханики и достижений физики. Одно из перспективных направлений гидрометрии — дистанционная регистрация элементов потока без нарушения его структуры.

Регулирование речного стока — это наука о перераспределении (увеличение или уменьшение) во времени объемов речного стока в замыкающем створе реки по сравнению с ходом поступления воды на поверхность водосбора. Сток регулируется путем накопления воды в водохранилищах в период половодий и паводков и расходования ее в период превышения потребления воды над ее естественным поступлением в реки с водосборов.

Одна из главных задач в таких гидрологических расчетах — определение объема водохранилища. Одновременно решаются и такие задачи, как определение водохозяйственного эффекта от эксплуатации водохранилища, установление правил эксплуатации водохранилища, установление правил эксплуатации водохозяйственной установки, обеспечивающих получение наибольшего экономического эффекта, и др.

Совокупность подобных расчетов, тесно  связанных с расчетами регулирования стока, называют водохозяйственными. Водохозяйственные расчеты, связанные с проектированием и эксплуатацией ГЭС, называются водноэнергетическими.

Согласно определению М. В. Потапова, регулирование стока в широком смысле представляет изменение природного (бытового) режима поверхностного и подземного стоков. Гидротехника — это совокупность методов воздействия на сток воды.

Регулирование стока можно подразделить на естественное и искусственное. Естественное регулирование стока происходит при аккумуляции воды в понижениях рельефа, в руслах и поймах рек, под влиянием озер, болот, лесов и др.

Регулирование речного стока в естественных условиях в результате временного задержания в бассейне реки части талых снеговых и дождевых вод называется бассейновым. Регулирование речного стока в естественных условиях в результате накопления воды в русловой сети при подъеме уровня воды в реке и последующей сработке накопленных запасов воды при спаде уровня называется русловым. Если поток выходит на пойму, происходит русловое и пойменное регулирование стока.

Результатом не всегда разумной хозяйственной  деятельности человека стало увеличение безвозвратного водопотребления (до полного  истощения водных источников) и угрожающее загрязнение природных вод, что вносит нередко необратимые изменения в водный баланс и экологические условия обширных районов. Это обусловило возникновение нового направления гидрологической науки - гидролого-экологического, которое является одновременно важной составной частью геоэкологии - науки, изучающей необратимые процессы и явления в природной среде и биосфере, возникающие в результате интенсивного антропогенного воздействия, а также близкие и отдаленные во времени последствия этих воздействий.

 

2. Основное понятие в гидрологии суши.

 

Основное понятие в гидрологии суши — это водный объект. Водные объекты подразделяются на водотоки и водоемы.

Водный объект, в котором вода движется в направлении уклона в углублении земной поверхности, называется водотоком. Различают постоянные (вода находится в движении в течение всего года или большей его части) и временные (движение воды происходит меньшую часть года) водотоки.

Водный объект в углублении суши, характеризующийся замедленным движением воды или полным его отсутствием, называется водоемом. Различают естественные (природные скопления воды во впадинах) и искусственные (специально созданные скопления воды в искусственных или естественных углублениях земной поверхности) водоемы.

Совокупность постоянных и временных водотоков, озер, водохранилищ, болот и родников составляют гидрографическую сеть бассейна реки.

Каждый водный объект на поверхности  суши имеет свою область питания, или водосбор, представляющий собой часть земной поверхности и толщу почв и горных пород, откуда вода поступает к водному объекту.

Водосборы водных объектов отделяются друг от друга водоразделами, т. е. линиями, проходящими по наивысшим точкам земной поверхности, расположенной между ними. Поверхностные и подземные водосборы не всегда совпадают, особенно у малых рек. Однако в гидрологических расчетах за площадь водосбора часто принимают размер только поверхностного водосбора из-за отсутствия необходимых данных для определения подземного.

Наряду с термином водосбор в гидрологии используется термин бассейн водного объекта. Бассейн водного объекта включает в себя часть земной поверхности, отделенную от других водных систем линией водораздела. Площади водосбора и бассейна могут не совпадать, если внутри бассейна имеются области внутреннего стока. В этом случае площадь водосбора будет меньше площади бассейна.

Главный водораздел земного шара разделяет всю поверхность Земли на два склона Атлантико-Ледовитый и Тихоокеанско-Индийский, по которым воды суши стекают в мировой океан. Однако непосредственно в океан впадают, как правило, только наиболее крупные реки, водосборные бассейны которых могут включать десятки и сотни средних и мелких рек.

Водоразделы, отделяющие части суши, сток с которых происходит в те или иные речные системы, называют водоразделами речных бассейнов.

Хотя большая часть поверхности  суши (78%) имеет общий уклон по направлению к морям и океанам, 22% суши приходится на области внутреннего стока, где уклон направлен внутрь материков, в замкнутые котловины, часто к крупным бессточным озерам. Наиболее значительные из таких областей - Арало-Каспийский бассейн, бассейн озера Чад в Африке, Большой бассейн в Северной Америке, многие районы Центральной Азии, такие, например как бассейн озера Иссык-Куль. В этих районах средняя многолетняя величина испарения равна средней многолетней величине осадков, но такие системы все равно нельзя считать замкнутыми, так как происходит постоянный влагообмен через атмосферу. Водоразделы между периферийными и замкнутыми частями суши носят название внутренних водоразделов.