Гидрология
Предмет общей гидрологии как науки – природные воды Земли и наиболее общие закономерности происходящих в них процессов и явлений. Роль воды в природе определяется широким кругом факторов:
- формирование облика ландшафтов;
- формирование климата;
- носитель механической энергии;
- носитель тепловой энергии;
- транспортная роль;
- обмен веществ между компонентами ландшафта;
- обмен энергией;
- сильнейший растворитель.
Все изучаемые гидрологией водные объекты (табл. 2.1) разделяются на:
- водотоки - водные объекты на поверхности земли с поступательным движением воды в руслах в направлении уклонов (реки, ручьи, каналы);
- водоемы - водные объекты в понижениях земной поверхности с замедленным движением воды (океаны, моря, озера, водохранилища, болота);
- особые водные объекты - ледники, и подземные воды.
Таблица 2.1 - Запасы воды в четырех геосферах Земли
| Геосфера и формы содержания воды | Количество, км3 |
| Гидросфера | |
| соленые воды | |
| океан | |
| озера | |
| пресные воды | |
| ледники и постоянно залегающий снежный покров | |
| озера | |
| водохранилища | |
| реки | |
| болота | |
| Земная кора | |
| общее количество воды: | 905000000 (млрд.т) |
| химически связанной | 415000000 (млрд.т) |
| гигроскопической поровой и пластовой | 480000000 (млрд.т) |
| запасы воды в двухкилометровой зоне (гравитационной и капиллярной) | |
| преимущественно пресные воды в зоне 0-600 м от земной поверхности | |
| почвенная влага | |
| подземные льды криолитозоны | |
| Атмосферная вода | |
| Биологическая вода |
Часть земной поверхности, откуда вода поступает к данному объекту называется водосбором, а границы между водосборами – водоразделами. Выделяют поверхностные водоразделы (возвышенности, хребты) и подземные. Совокупность водосборов и водоразделов в пределах территории называются гидрографической сетью. Все природные воды Земли образуют ее гидросферу.
Гидросфера -это прерывистая водная оболочка земного шара, расположенная на поверхности земной коры и в ее толще, представляющая собой совокупность океанов, морей и водных объектов суши включая снежный покров и ледники.
Основная часть пресных вод суши (29×106 км3) сконцентрирована в ледниковых покровах Антарктиды и Гренландии (табл. 2.2). В среднем на каждого человека приходится куб воды (во всех ее проявлениях) со стороной 45 м.
Таблица 2.2 – Распределение запасов пресной воды у поверхности Земли *)
| Местоположение | Запасы воды | |
| % | n×106 км3 | |
| Полярные льды и горные ледники | ||
| Грунтовые воды на глубинах: до 750 м | 4,2 | |
| 750-4000 м | 11,6 | 5,3 |
| Озера | 0,3 | 0,12 |
| Реки | 0,03 | 0,12 |
| Почвы | 0,06 | 0,24 |
| Атмосфера | 0,035 | 0,13 |
| Всего |
*) без учета в горных породах
Свойства природных вод
Вода на поверхности Земли появилась около 4,4 млрд лет назад. Основными источниками воды являлись кометы, метеориты на 20% состоящие из воды и дегазация мантии. Через 500 млн лет практически вся Земля была покрыта водой, зеленоватого, из-за обилия растворенного железа, цвета. После появления около 3,5 млрд лет назад первых фотосинтезирующих организмов – строматолитов ее химический состав стал меняться. Железо и другие химические элементы окислялись кислородом, выделяемом строматолитами, и выводились из раствора в осадки, формируя древнейшие залежи железа - джеспиллиты. Этот фактор существенно задержал трансформацию химического состава атмосферы, поэтому ее насыщение кислородом началось на 1 млрд лет позже.
Значение воды в эволюции Земли, развитии живых организмов и абиотической составляющей, определяется несколькими специфическими свойствами. Во-первых, температура замерзания и кипения воды значительно выше, нежели у других аналогичных химических соединений. Это обусловливает существование воды во всех агрегатных состояниях и ее всепроникающую способность в условиях Земли. Во-вторых, вода обладает аномально высокой теплоемкостью в сравнении с другими жидкостями и твердыми веществами, что усиливает ее роль в переносе тепла. В третьих, в диапазоне температур от 0 до +4оС плотность воды с повышением температуры увеличивается, а не уменьшается. В четвертых, плотность воды в твердом состоянии меньше, чем в жидком, так как при замерзании она увеличивается в объеме на 10%. Эти особенности воды имеют огромное гидрологическое значение. Благодаря им, даже при температурах близких к точке замерзания в водоемах не прекращаются конвективные процессы и они не промерзают до дна, а лед плавает на поверхности. В пресных и солоноватых водах зимой температура на дне выше, чем на поверхности, так как с повышением солености температура замерзания уменьшается.
К числу главных ионов солей, находящихся в природных водах, относят положительно заряженные (катионы) Ca2+, Mg+, Na+, K+ и отрицательно заряженные (анионы) HCo3-, SO42-, Cl-. По анионам воды делят на три класса - гидрокарбонатный, сульфатный, хлоридный. По катионам - на три группы: кальциевые, магниевые, натриевые. Содержание солей в воде измеряется в г/л и мг/л (минерализация) или в г/кг воды – промилле, ‰ (соленость). При невысоком содержании солей эти цифры практически не отличаются. В гидрологии природные воды по общей минерализации разделяют на 4-е группы:
1. пресные <1 г/л;
2. солоноватые 1-25 г/л;
3. соленые 25-50 г/л (морские соли);
4. высокосоленые >50 г/л (рассолы);
При величине солености 24,7‰ температура наибольшей плотности и температура замерзания совпадают.
Все водные объекты Земли являются предметом изучения специальных наук. Например, подземные воды изучает гидрогеология, ледники – гляциология, озера – лимнология, океаны и моря – океанология и так далее. Основой общей гидрологии или гидрологии суши является гидрология рек.
Гидрология рек
Река - это водоток значительных размеров, питающийся атмосферными осадками со своего водосбора, и имеющий четко сформированное самим потоком русло. К рекам относятся постоянные и относительно крупные водотоки с площадью бассейна не менее 50 км2. Водотоки меньшего размера называют ручьями. Исходя из данного определения к рекам не могут быть отнесены даже крупные, но временные водотоки (например, сухие долины в пустынях - вади); водотоки, не имеющие водосбора (например, сформированные приливными или сгонно-нагонными течениями водотоки в приморских районах или на островах); водотоки с искусственным руслом, т.е. каналы.
По размеру реки подразделяют на: большие - площадь бассейна составляет около 50 тыс.км2; средние - от 2 до 50 тыс.км2; малые - менее 2 тыс.км2. Большая река имеет бассейн расположенный в разных климатических зонах, ее гидрологический режим более азонален. Средняя река обычно имеет бассейн в пределах одной географической зоны. Малая река имеет бассейн расположенный в пределах одной географической зоны, но ее гидрологический режим может существенно отличаться от режима свойственного большинству рек данной географической зоны и стать, таким образом азональной.
Режим и баланс воды в реке зависит от физико-географических и геологических характеристик бассейна реки:
- географического положения бассейна на континенте, которое может быть выражено через удаленность (в км) от океана, широту и долготу центра и крайних точек бассейна;
- географической зоны (подзоны) или высотного пояса;
- геологического строения, тектоники, физических и водных свойств подстилающих грунтов, гидрогеологических условий;
- рельефа, который может быть охарактеризован количественно через среднюю высоту и средний уклон бассейна;
- климата, т.е. характера циркуляции атмосферы, режима температуры и влажности воздуха, количества и режима атмосферных осадков, испарения;
- почвенно-растительный покрова, который можно охарактеризовать данными о доли площади (в %), занятой лесами и почвами того или иного типа;
- характера речной сети;
- наличие и особенности других водных объектов, озер, болот, ледников;
- степень преобразования речного бассейна хозяйственной деятельностью. При этом различают искусственное преобразование поверхности бассейна и искусственное преобразование гидрографической сети бассейна и режима самих рек.
Речной сток формируется за счет вод атмосферного происхождения, однако, пути поступления вод в реки могут быть различными. Поэтому выделяют четыре основных вида питания рек.
Дождевое питание является главным для рек теплого климата и в глобальном масштабе является важнейшим.
Снеговое питание является вторым по важности, его роль весьма велика для рек умеренного климата.
Подземное занимает третье место по объему вод, поступающих в реки, и составляет почти 1/3 речного стока. Именно этот вид питания обусловливает постоянство и большую продолжительность стока реки в течение года, что и создает в конечном итоге реку.
Ледниковое питание занимает последнее место (около 1% стока всех рек), хотя в отдельных реках может составлять до 70%.
У каждой реки доля отдельных видов питания может быть различной. Определение вклада различных видов питания в речной сток - задача исключительно сложная. Наиболее простой, но приближенный способ выделения различных видов питания реки - это графическое расчленение гидрографа. В России наиболее распространена классификация рек по источникам, или видам питания, М. И. Львовича.
Если один из видов питания дает более 80% годового стока реки, следует говорить об исключительном значении данного вида питания реки (другие виды питания реки не учитываются).
Если на долю данного вида питания реки приходится от 50 до 80% стока, то этому виду питания придается преимущественное значение (другие виды питания учитываются лишь, если на их долю приходится больше 10% годового стока).
Если же ни один из видов питания не дает более 50% годового стока, то такое питание называют смешанным.
Указанные диапазоны градаций (80 и 50%) относятся ко всем видам питания, кроме ледникового. Для ледникового питания соответствующие диапазоны градаций уменьшены до 50 и 25%.
Под водным режимом рек понимают закономерные изменения стока, скорости течения, уровней воды и уклонов водной поверхности, прежде всего во времени, но также и вдоль реки. В водном режиме выделяют прежде всего вековые, многолетние, внутригодовые (сезонные) и кратковременные колебания.
Вековые колебания водности рек отражают вековые изменения климатических условий и увлажнения материков с периодом в сотни и тысячи лет. В течение года реки, находящиеся в разных географических поясах, испытывают различные чередования многоводных и маловодных периодов.
Многолетние колебания водности рек также имеют, в основном, метеорологическую природу. Периодичность таких колебаний - десятки лет.
Внутригодовые (сезонные) колебания водности рек обусловлены сезонными изменениями составляющих водного баланса речного бассейна. В течение года реки, находящиеся в разных географических поясах, испытывают различные чередования многоводных и маловодных периодов.
Кратковременные колебания водности рек могут быть, прежде всего, естественными и обусловленными как метеорологическими факторами, так и геологическими процессами. Кратковременные колебания могут быть обусловлены и антропогенным фактором.
График изменения расхода воды (м3/с) в данном створе реки в течение года называется гидрографом реки. Типовой гидрограф отражает наиболее общие черты внутригодового стока реки на основе гидрографов за ряд лет. Графическое построение и расчленение гидрографа позволяет определить характеристики годового стока и его распределение по месяцам. Во внутригодовом (сезонном) режиме рек выделяют ряд периодов (фаз) в зависимости от изменения условий питания и особенностей водного режима (рис. 5.1.). Для большинства рек мира различают следующие фазы водного режима: половодье, паводки, межень.
Половодье - это фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды. Оно часто сопровождается выходом воды на пойму и формируется как талыми снеговыми, так и дождевыми водами. Различают весеннее половодье и половодье в теплую часть года (весенне-летнее или летнее).
Паводок - это фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями и снеготаянием во время оттепелей. Различают однопиковые и многопиковые паводки, одиночные паводки и паводочные периоды, когда на реке проходят серии паводков.
Рис. 2.1. Расчленение гидрографа реки по видам питания и фазам водного режима
Межень - это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня, и возникающая вследствие уменьшения питания реки. В межень реки обычно питаются только за счет подземных вод. На многих реках России выделяют два периода пониженного стока - летнюю и зимнюю межень.
Фазы водного режима лежат в основе классификации рек по водному режиму Б.Д. Зайкова. Эта классификация довольна проста и широко распространена. В ней все реки России разделены на три большие группы: с весенним половодьем, половодьем в теплую часть года и паводочным режимом.
Реки с весенним половодьем
КАЗАХСТАНСКИЙ ТИП. У рек этого типа наблюдается исключительно резкая и высокая волна половодья весной, а в остальную часть года сток бывает очень мал, вплоть до полного пересыхания рек.
ВОСТОЧНОЕВРОПЕЙСКИЙ ТИП. Эти реки характеризуются высоким весенним половодьем, низкой летней и зимней меженью, несколько повышенным стоком осенью.
ЗАПАДНОСИБИРСКИЙ ТИП. Реки этого типа имеют невысокое растянутое весеннее половодье и повышенный летне-осенний сток.
ВОСТОЧНОСИБИРСКИЙ ТИП. У рек этого типа наблюдается высокое половодье, летне-осенние паводки и низкая зимняя межень.
АЛТАЙСКИЙ ТИП. Эти реки имеют невысокое растянутое весеннее половодье, повышенный летний сток и низкую зимнюю межень.
