Гидрологические процессы и явления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидрологические процессы и явления

(интерактивный курс)

русло круговорот гидрологический

Предисловие

Одной из наиболее острых проблем современной гидрологии является разработка эффективных систем анализа, расчета и прогноза элементов гидрологического режима водоемов суши с целью рационального и эффективного использования водных ресурсов и смягчения последствий опасных гидрологических ситуаций.

Гидрологический режим - совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта. Гидрологический режим является закономерным, но все же лишь внешним проявлением некоторых более сложных внутренних процессов и явлений, свойственных водному объекту, или обусловленных его взаимодействием с другими водными объектами, атмосферой, литосферой. Для их понимания и раскрытия необходимо изучить некоторые как внутренние, так и внешние процессы и явления, воздействующие на режим водного объекта. Поэтому, очень важной задачей с научной и практической стороны является изучение не только гидрологического режима, но и гидрологических процессов и явлений.

Гидрологические процессы - комплекс физических, химических, биохимических и биологических процессов, происходящих в водных объектах и определяющих его гидрологический режим.

Чтобы познать гидрологический режим, необходимо вскрыть сущность гидрологических процессов, происходящих внутри водного объекта (в его водной толще), на верхней и на нижней его поверхностях при взаимодействии водной массы, соответственно, с воздухом (атмосферой), дном и берегами (литосферой). Кроме того, познать гидрологические процессы в водном объекте невозможно без учета физико-географических условий водосбора водного объекта и влияния хозяйственной деятельности.

Гидрологические явления - явления природы, являющееся результатом гидрологических процессов: сток, инфильтрация, испарение, паводок и т.п.

Таким образом, для познания гидрологических процессов в водных объектах необходимо изучить, во-первых, явления, происходящие в водной толще, во-вторых, процессы на твердых границах водного объекта - его дна и берегах, в-третьих, явления, происходящие на водной поверхности объекта - границе раздела вода - воздух, в-четвертых, взаимосвязь водного объекта с его водосбором.

Часть 1. Круговорот воды в природе и водные ресурсы земли

Модуль 1.1 Вода на земном шаре

Вы будете изучать

- Количество воды на земном шаре.

- Изменение количества воды на земном шаре.

- Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод.

- Круговорот воды на земном шаре.

- Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл).

- Внутриматериковый влагооборот.

- Водообмен.

- Влияние антропогенного фактора на круговорот воды.

Цели модуля

- Изучить количественные характеристики воды на земном шаре.

- Рассмотреть круговорот воды и теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод.

- Дать представление о глобальном круговороте воды, внутриматериковом влагообороте и водообмене.

- Обсудить влияние антропогенного фактора на круговорот воды.

После изучения модуля вы сможете

- Иметь представление о количестве воды на земном шаре и о его динамике.

- Знать основные закономерности и физические причины круговорота воды и теплоты на земном шаре.

- Понимать значение выражений: глобальный круговорот воды (гидрологический цикл); внутриматериковый влагооборот; водообмен.

- Проводить анализ и оценку влияния антропогенного фактора на круговорот воды.

Основная литература

- Болгов М.В. Современные проблемы оценки водных ресурсов и водообеспечения / М.В. Болгов, В.М. Мишон, Н.И. Сенцова. - М.: науч. изд. «Наука», 2005. - 318 с.

- Вода или нефть? Создание Единой Водохозяйственной Системы / Д.В. Козлов, И.П. Айдаров, Л.Д. Раткович, И.С. Румянцев и др.; под общей редакцией проф., д.т.н. Д.В. Козлова. - М.: МППА БИМПА, 2008 - 456 с.; ил. - (Научное издание).

- Данилов-Данильян В.И. Водные ресурсы - стратегический фактор долгосрочного развития экономики России. - М, 2008.

- Михайлов В.Н. Гидрология: Учебник для вузов / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А. Добролюбов. - 2-е изд. исп. - М.: Высш. шк., 2007. - 463 с.: ил.

- Яковлев С.В., Губий И.Г., Павлинова И.И. Комплексное использование водных ресурсов: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2008 - 383 с.

Дополнительная литература

- Государственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2007 году» - М.: НИА - Природа, 2008. - 408 с.

- Государственный водный кадастр. Обобщенные данные использования воды за 2006 г. - М.: ОАО Воднииинформпроект, 2007.

- Козлов Д.В., Раткович Л.Д. Использование и состояние водных ресурсов в условиях современного развития водохозяйственного комплекса Российской федерации // Деловая слава России, вып. 1 (6), 2008. С. 20-26.

Ключевые слова

Круговорот воды, круговорот теплоты, гидрологический цикл, внутриматериковый влагооборот, водообмен, период условного водообмена; период условного возобновления вод, область внешнего стока, область внутреннего стока, антропогенный фактор.

Водные ресурсы Земли

Важнейшей особенностью природных условий Земли является круговорот воды. Он осуществляет в глобальном, региональном и местном масштабе обмена веществом и энергией, служит основой единства природы, обеспечивает возобновление части природных ресурсов и играет решающую экологическую роль. Движение воды на планете сопровождается переносом растворенных и взвешенных веществ, теплоты, кинетической энергии. Вода - причина процессов выветривания, основа денудационных и эрозионно-аккумулятивных процессов.

Распределение суши и воды на земном шаре. Площадь поверхности Земли 510 млн км². Из этой площади водами Мирового океана покрыто 361 млн км² (71%), а площадь суши составляет 149 млн км². В Северном полушарии соотношение воды и суши 61:39, в Южном 61:19. Таким образом, более ²/з поверхности нашей планеты покрыто водной оболочкой, состоящей из океанов и морей; причем особенно существенно вода преобладает над сушей в Южном полушарии.

Общая площадь водных объектов на поверхности суши (ледников, озер, водохранилищ, рек, болот) составляет 21,5 млн. км², или 14,4% площади суши. Если не учитывать ледники, то на остальные водные объекты суши останется всего 5,2 млн. км² (3,5% площади суши).

Таким образом, общая площадь водных объектов на поверхности Земли составляет: 361 млн. км² (океаны и моря)+ 21,5 млн. км² (водные объекты суши, включая ледники) = 382,5 млн. км², т.е. 75% или 3/4 поверхности планеты.

Общий объем воды в водных объектов на земном шаре около 1390 млн. км³, при этом на долю Мирового океана приходится 96.4%. Из полных объектов суши наибольшее количество воды содержат ледники - 25,8 млн. км³ (1,86% всех вод на Земле). Из этого количества воды на долю ледников Антарктиды, Гренландии и островов Арктики приходится соответственно 89,8; 9,7 и 0,3%. На горные ледники остается всего 0,2%.

Большие сложности представляет оценка содержания воды в земной коре (литосфере). Часть подземных вод, представленная капиллярными и гравитационными водами, находящаяся на глубинах с абсолютными отметками под поверхностью суши до минус 2000 м и участвующая в круговороте воды в природе, должна быть отнесена к гидросфере. Она оценивается гидрологами в 23,4 млн. км³ или 1,68% общего объема вод на Земле. Некоторые исследователи приводят несколько большие величины: М.И. Львович - 60 млн. км³, А.Ф. Макаренко - 86,4 млн. км³. К водам, находящимся в литосфере, относят также подземные льды зоны многолетней («вечной») мерзлоты объемом 300 тыс. км³ (0,022% объема всех вод).

Некоторый объем воды находится в живых организмах биосферы (растениях и животных). Считают, что масса живого вещества на Земле 1,4?10¹² т. Если принять, что содержание воды в живых организмах в среднем 80%, то получим массу воды в организмах, равную 1,12?10¹² т, что и дает объем «биологической воды» немногим более 1 тыс. км³.

В атмосфере в среднем постоянно присутствует около 13 тыс. км³ влаги в виде водяного пара, капель воды, кристалликов льда. При этом 90% воды находится в самом нижнем слое атмосферы - на высотах 0-5 км. Объем атмосферной влаги мог бы дать слой воды на поверхности Земли, равный всего 25 мм.

Важное значение имеет оценка количества на Земле пресной воды - наиболее ценных для человека природных ресурсов. Всего на планете 36,7 млн. км³ пресных вод (2,65% общего объема вод). Главные аккумуляторы пресной воды - ледники, пресные подземные воды, подземные льды в зоне многолетней мерзлоты, пресные озера. Из общего количества пресных вод на Земле на твердую фазу (лед) приходится 71%, на жидкую фазу - 29%.

Изменение количества воды на земном шаре

За большую часть истории Земли, по мнению геологов, в результате дегазации мантии выделялось в среднем не более 0,5-1 км³ воды в год. Полагают, что и в настоящее время из недр Земли поступает приблизительно столько же воды.

С метеоритами и космической пылью на Землю ежегодно попадает в виде льда около 0,5 км³ воды, т.е. величина в сравнении с полным объемом вод на планете ничтожная. Приблизительно столько же воды рассеивается с Земли в космическое пространство.

Объемы потерь и дополнительного поступления воды, о которых только что шла речь, весьма невелики, и поэтому можно считать, что в течение достаточно длительного с геологической точки зрения периода времени (миллионы лет) количество воды на земном шаре оставалось приблизительно неизменным.

Очевидно, однако, что с течением времени происходит периодическое перераспределение воды в самой гидросфере, причем главными элементами такой изменчивой системы оказываются Мировой океан и ледники. В межледниковые периоды ледники тают и увеличивают объем воды в Мировом океане, в ледниковые периоды происходит обратный процесс - влага в виде льда аккумулируется в ледниках, уменьшая объем Мирового океана. Ряд исследователей полагают, что в ледниковые эпохи уровень Мирового океана может понизиться на 110-120 м ниже современного, а в межледниковье - подняться на 10-15 м выше современного. Если бы растаяли все покровные ледники Земли, то уровень Мирового океана, по оценке В.М. Котлякова, поднялся бы по сравнению с современным на 64 м. Это привело бы к затоплению огромных прибрежных территорий площадью около 12 млн. км² (8% поверхности суши).

За последние 18 тыс. лет уровень Мирового океана повысился не менее чем на 100 м, что соответствует приращению объема вод в Мировом океане на огромную величину - 37,5 млн. км³, или 2,8%. В последние 5-6 тыс. лет уровень Мирового океана в целом стабилизировался при небольшой тенденции к повышению. Стабилизировался в целом и объем воды в водных объектах суши. Однако более детальные исследования свидетельствуют о том, что небольшое перераспределение воды между водными объектами разных типов все же происходит.

По данным Р.К. Клиге (1985), за 82 года (1894-1975) произошло некоторое перераспределение воды между сушей и Мировым океаном: объем воды в водоемах суши (в основном за счет ледников и подземных вод) уменьшился на 25,91 тыс. км³, а Мирового океана, наоборот, увеличился на эту же величину. Это должно было сопровождаться повышением уровня Мирового океана с интенсивностью около 0,91 мм/год.

Более новые данные (Р.К. Клиге, 2000) указывают на то, что объем вод в Мировом океане в настоящее время увеличивается на 610 км³ в год, что должно давать прирост его уровня с интенсивностью 1,7 мм/год и ускорение повышения уровня Мирового океана.

Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод

Энергетической основой движения вод на Земле служат в первую очередь солнечная радиация и тепловые процессы, а во вторую - сила тяжести. Поэтому прежде чем проанализировать закономерности круговорота воды на земном шаре, рассмотрим особенности круговорота теплоты на Земле и роль в нем гидросферы.

Единственным внешним источником поступления теплоты на Землю служит Солнце - излучаемая им коротковолновая радиация. Современная средняя величина солнечной постоянной принимается равной 1367 Вт/м². Учитывая шарообразность Земли, можно получить, что на верхнюю границу атмосферы поступает 1/4 указанной величины, т.е. 341,8 Вт/м². С учетом площади поверхности Земли (510 млн. км²) получим, что величина приходящей к планете коротковолновой солнечной радиации составляет 341,8 Вт/м²?510?10¹² м=1,743?10¹⁷ Вт или за «средний» год (365025 сут. = 31,56?10⁶ с) 5,50?10²⁴ Дж.

Тепловой баланс атмосферы и земной поверхности очень сложен (С.П. Хромов, М.А. Петросянц, 2001). Для приближенной оценки теплового баланса Земли воспользуемся схемой, предложенной М.И. Будыко (1980). Эта схема относительно проста, но вполне достаточна, чтобы уяснить роль гидросферы в тепловом балансе Земли.

Обычно принимают, что планетарное альбедо Земли равно 30%. Это означает, что 30% коротковолновой солнечной радиации отражается Землей и уходит обратно в мировое пространство. Остальная часть солнечной радиации (70%, или 239,3 Вт/м², а всего для планеты 12,20 ? 10¹⁷ Вт, т.е. 3,85 ? 10²⁴ Дж в год) поглощается атмосферой и земной поверхностью.

Земля в течение длительного времени сохраняет свое тепловое равновесие; это означает, что в мировое пространство должно уходить то же количество теплоты, что и поглощается Землей (239,3 Вт/м²), но уже в виде длинноволнового излучения.

Поглощаемая Землей солнечная радиация (239,3 Вт/м²) расходуется, по оценкам М.И. Будыко, следующим образом: 66% поглощается земной поверхностью, а остальные 34% - атмосферой. Радиационный баланс земной поверхности (R) равен поглощенной этой поверхностью радиации за вычетом эффективного излучения (I). На долю R и I приходится соответственно около 10 и 53 Вт/м², или 44 и 22% поглощенной всей Землей солнечной радиации.

Большая часть радиационного баланса земной поверхности (84%) тратится на испарение воды. Это количество теплоты (около 88 Вт/м²) составляет 37% всей поглощенной Землей солнечной радиации.

Затраты такого большого количества теплоты на испарение воды, безусловно, оказывают регулирующее влияние на тепловые процессы на Земле, и в этом проявляется важнейшая роль гидросферы в формировании климата планеты. Отметим также, что такие большие затраты теплоты на испарение обязаны одному из уникальных свойств самой воды - аномально большой удельной теплоте испарения. Испарение воды - это основа круговорота воды.

Оставшаяся часть энергии радиационного баланса (16% от R или 7% от всей поглощенной планетой солнечной радиации) расходуется на турбулентный теплообмен с атмосферой.

Важно отметить, что огромное количество теплоты, затраченной на испарение воды, полностью возвращается в атмосферу при конденсации водяного пара. Эта «возвращаемая» теплота обогревает атмосферу и становится причиной ее активности, особенно в тропиках. Атмосфера, следовательно, получает теплоту из трех источников: поглощенной коротковолновой радиации (34% всей солнечной радиации, перехваченной Землей), прихода теплоты в результате конденсации водяного пара (37%) и турбулентного потока теплоты от земной поверхности (7%) (всего 78%). Вместе с эффективным излучением земной поверхности (22%) это дает 100%, т.е. сумму длинноволнового излучения всей Земли в мировое пространство, в точности равное поглощенной планетой коротковолновой солнечной радиации.

Отношение эффективного излучения ко всему уходящему в мировое пространство длинноволновому излучению, равному 0,22, значительно меньше отношения поглощенной земной поверхностью радиации ко всей приходящей к верхней границе атмосферы коротковолновой солнечной радиации, равного 0,66. Это, как указывает М.И. Будыко (1980), и характеризует влияние парникового эффекта на тепловой баланс Земли. Парниковый эффект создают содержащиеся в атмосфере водяной пар, С0₂ и другие газы. По некоторым оценкам (Экологический энциклопедический словарь, 1999), энергетический вклад С0₂ в парниковый эффект составляет около 50 Вт/м². Увеличение концентрации С0₂ в XX в. повысило, по данным Б. Болина (2003), антропогенное энергетическое воздействие С0₂ на парниковый эффект на 2,5 Вт/м². Это относительно небольшое энергетическое влияние С0₂ на приземную часть атмосферы оказалось достаточным, чтобы повысить температуру воздуха на 0,6°С.

Важно подчеркнуть различия в тепловом балансе поверхности суши и Мирового океана. Установлено, что на суше на испарение воды затрачивается около 54% энергии радиационного баланса, а на поверхности океана - уже более 90%.

Океан, имея температуру поверхностного слоя в среднем более высокую, чем атмосфера (приблизительно на 3°С), играет важнейшую роль в глобальном теплообмене и обогревает атмосферу. По расчетам В.Н. Степанова (1983), в океане (в основном в его поверхностном слое) содержится 31,8?10²⁷ Дж теплоты, что в 21 раз больше, чем в атмосфере.

Помимо отмеченного значения гидросферы в тепловом балансе Земли, необходимо обратить внимание на очень важную роль, которую она играет в перераспределении теплоты на земной поверхности.

В целом для поверхности Земли радиационный баланс и затраты теплоты на испарение и теплообмен с атмосферой полностью балансируются, но на различных широтах это уже не наблюдается. В экваториальной части планеты в приполярных районах соотношение обратное. Чтобы избыток теплоты в низких и дефицит теплоты в высоких широтах в целом для Земли балансировались, необходимо существование постоянно действующего механизма передачи теплоты из экваториальной зоны к полюсам. Осуществляют этот меридиональный перенос теплоты в основном океанские течения. Физической причиной течений служит неоднородность распределения плотности воды, а она, в первую очередь, - различиями в температуре разных частей океана.

Следует добавить, что в результате неравномерного распределения теплоты на земном шаре складывается неравномерное распределение атмосферного давления, температуры воздуха и испаряемости, и также атмосферных осадков.

Заметим, что испаряемость (потенциально возможное, т.е. не лимитируемое запасами воды испарение в данном месте при существующих атмосферных условиях) и температура в целом повторяют кривую распределения по широте радиационного баланса, от которой они зависят. Обращает на себя внимание и такой факт. В условиях арктического, субарктического, антарктического и субантарктического, а также частично умеренного и экваториального климата осадки х превышают теоретически возможное испарение (испаряемость z₀); здесь наблюдается избыток влаги и расположены области с избыточным увлажнением («индекс сухости» z₀/х <0,45, по М.И. Будыко) - арктические пустыни, тундра, лесотундра, альпийские луга и занятые лесами области с достаточным увлажнением (z₀/х= 0,451,00). В условиях субтропического, тропического, субэкваториального и частично умеренного и экваториального климата отмечаются, наоборот, превышение испаряемости над осадками и дефицит влаги; здесь расположены области с недостаточным увлажнением (z₀/х = 1,00 ч3,00) - лесостепь, ксерофитная субтропическая растительность, а также сухие области полупустынь и пустынь (z₀/х >3,0). Условия увлажнения, как будет показано далее, играют важнейшую роль в формировании водного баланса и гидрологического режима речных бассейнов, озер и морей.

Круговорот воды на Земном шаре

Круговорот воды на земном шаре - замечательная особенность гидросферы Земли и природных условий планеты в целом. Круговорот воды создает основной механизм перераспределения на Земле вещества и энергии, объединяет в единое целое не только водные объекты, но и разные части планеты. Круговорот воды на Земле - основа возобновляемости водных ресурсов.

В последнее время в России вместо термина «круговорот воды» стали применять широко распространенный в западных странах термин «гидрологический цикл». Будем считать эти два понятия синонимами.

В круговороте воды на земном шаре (глобальном гидрологическом цикле) проявляется единство природных вод Земли и их связь с атмосферой, литосферой, биосферой. В.И. Вернадский писал: «Любое проявление природной воды - глетчерный лед, безмерный океан, река, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник - составляют единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связаны между собой, с земной атмосферой и с живым веществом».

Физической причиной круговорота воды на земном шаре служат солнечная энергия и сила тяжести. Солнечная энергия - это причина нагревания и последующего испарения воды. Неравномерное распределение по Земле солнечной энергии приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, вызывает воздушные потоки - ветры, переносящие испарившуюся влагу (водяной пар) и создающие ветровые течения в океане. Неравномерное распределение солнечной энергии приводит также к неравномерному распределению плотности воды в океане и, как следствие, к возникновению плотностных течений.

Сила тяжести вынуждает сконденсировавшуюся в атмосфере при благоприятных условиях влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а также все поверхностные и подземные воды стекать сначала к дренирующим местность рекам, а в конечном счете, к океану. Естественно, что стекание вод под действием силы тяжести объясняется наклоном поверхности Земли и слоев в земной коре, что, в свою очередь, создается тектоническими и геоморфологическими процессами.

В круговороте воды на земном шаре проявляются закономерности сохранения вещества и водного баланса. В уравнениях полного баланса Земли в целом, и океана и суши, в частности, не учитывались ничтожные объемы водообмена Земли с космическим пространством, а также затраты воды в процессе фотосинтеза и несущественное поступление воды вследствие дегазации мантии. Эти величины заведомо во много раз меньше возможных ошибок расчета других составляющих мирового водного баланса. Заметим попутно, что наибольшую точность имеют данные об атмосферных осадках на территории суши, о речном стоке, подтверждаемые прямыми наблюдениями. Наименьшую точность имеют данные об испарении и осадках в Мировом океане.

Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл)

В глобальном круговороте воды выделяют два звена: океаническое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана - перенос водяного пара над океаном - осадки на поверхность океана - океанические течения - испарение и т.д.; материковое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности суши - перенос водяного пара - осадки на поверхность суши - поверхностный и подземный сток - испарение и т.д. Оба звена связаны между собой переносом водяного пара с океана на сушу и, наоборот, поверхностным и подземным стоком с суши в океан.

С океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс. км³, возвращается в виде атмосферных осадков 458 тыс. км³. Испаряется с океана, таким образом, больше, чем возвращается с осадками.

Разность в 47 тыс. км³ составляют воды, которые переносятся с океана на сушу в виде водяного пара. Таким образом, в океаническое звено круговорота воды на Земле вовлечено 458 тыс. км³ воды в год.

На поверхность суши ежегодно выпадает в среднем 119 тыс. км³ атмосферных осадков. Они слагаются из воды, испарившейся с поверхности суши (72 тыс. км³), и влаги, принесенной с океана (47 тыс. км³) в год. Важно отметить, что из 72 тыс. км³ испаряющейся ежегодно с поверхности суши воды 30 тыс. км³ (42%) приходится на транспирацию растительным покровом.

Водообмен между сушей и океаном составляет, как уже сказывалось, 47 тыс. км³ в год. Переносимая с океана влага возвращается в него с равным ей по величине материковым стоком. Материковый сток (47 тыс. км³ воды в год) слагается из поверхностного (44,7 тыс. км³ в год) и подземного, не дренируемого реками (2,3 тыс. км³ в год). Поверхностный сток, в свою очередь, включает водный сток рек, впадающих в океан (41,7 тыс. км³ в год), и ледниковый сток (3,0 тыс. км³ в год). Последний представляет собой разгрузку покровных ледников в виде откалывающихся от него айсбергов и поступление непосредственно в океан талой воды из покровных ледников. Наибольшую часть ледникового стока дает Антарктида (2,3 тыс. м³ в год).

По данным аэрологических измерений установлено, что полный перенос влаги на сушу равен 101 тыс. км³ в год. В обратном направлении - с суши на океан - переносится около 54 тыс. км³ в год. Полагают, что из этих 54 тыс. км³ воды одна часть (19 тыс. км³) - результат испарения океанической воды, выпавшей над сушей в виде осадков, а другая - 35 тыс. км³ - та же океаническая вода, прошедшая над сушей «транзитом».

При исследовании гидрологических процессов на суше очень важно учитывать, что суша подразделяется на две части - области внешнего стока, откуда выпавшие атмосферные осадки так или иначе поступают в Мировой океан, и области внутреннего стока (бессточные области), не дающие стока в Мировой океан. На долю областей внешнего стока приходится 80% площади суши, на долю областей внутреннего стока (бессточных) - 20%.

Главный водораздел земного шара делит всю сушу на два склона: первый - со стоком рек в Атлантический и Северный Ледовитый океаны и второй - со стоком рек в Тихий и Индийский океаны. Главный водораздел проходит по Южной и Северной Америке от мыса Горн по Андам, Скалистым горам до Берингова пролива, по восточному нагорью Азии, пересекает его в широтном направлении, а затем продолжается вдоль восточной окраины Африки к ее южной оконечности. К бассейну Северного Ледовитого океана относится 15% всей площади суши, Атлантического - 34, Тихого - 17, Индийского - 14%.

К наиболее обширным областям внутреннего стока (бессточным областям) относятся: в Европе - водосборный бассейн Каспийского моря; в Азии - обширная Туранская низменность, включающая водосборные бассейны Аральского моря и оз. Балхаш, пустыни Алашань, Гоби, Такла-Макан, часть Аравийского полуострова и др.; в Африке - пустыни Сахара, Ливийская, Нубийская, Калахари, водосборы озер Чад, Рудольф и др.; в Северной Америке - пустыня Большого Бассейна, включая район Большого Соленого озера и др.; в Южной Америке - водосборы озер Титикака - Поопо, полупустынные плато Патагонии и др.; в Австралии - западная и центральная части материка (более 50% всей его площади).

В областях внешнего стока ежегодно выпадает 110 тыс. км³ осадков, а испаряется 63 тыс. км³. Разница (47 тыс. км³) и составляет материковый сток в океан. В областях внутреннего стока выпадает в общей сложности 9 тыс. км³ осадков в год, и весь этот объем воды в конечном счете испаряется.

Все крупнейшие реки мира дренируют области внешнего стока, но и в областях внутреннего стока (бессточных областях) имеются довольно крупные реки с суммарным стоком около 1 тыс. км³ в год. Среди этих рек Волга, Амударья, Сырдарья, Или. На долю Волги приходится около ј стока всех рек бессточных областей. Реки в бессточных областях несут свои воды в замкнутые бессточные озера, где эти воды и испаряются.

Внутриматериковый влагооборот

Осадки на любом участке суши складываются из «внешних», сконденсировавшихся из водяного пара, пришедшего извне, и «внутренних» (или местных), сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкретного участка суши. Этот сложный многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом.

Важной характеристикой внутриматерикового влагооборота служит отношение внешних и внутренних (местных) осадков или отношение всех осадков к внешним осадкам . Последнюю величину называют коэффициентом влагооборота:

.

По О.А. Дроздову,

(1)

где испарение с рассматриваемого участка суши; длина участка; и - средняя скорость воздушного потока; а - среднее влагосодержание воздуха на наветренной стороне участка. Из выражения (1) следует, что интенсивность внутриматерикового влагооборота тем больше, чем больше размер территории и больше испарение, и тем меньше, чем больше влагосодержание приходящего извне воздуха. Для небольших по площади участков суши приближается к 1. Величина свидетельствует о возможностях влагообеспечения территории за счет местных ресурсов воды. В засушливых районах меньше, в увлажненных - больше. В среднем для частей света получены следующие величины : Европа - 1,42; Азия -1,62; Африка -1,42; Северная Америка - 1,54; Южная Америка -1,68; Австралия - 1,14.

Водообмен

В пределах каждого водного объекта происходит обмен вод. Его интенсивность весьма приближенно может быть охарактеризована с помощью коэффициента условного водообмена К_в, представляющего собой отношение приходных или расходных членов уравнения водного баланса к среднему объему вод в водном объекте V. В общем виде это отношение равно:

(2)

где - приток поверхностных вод к водному объекту; - приток подземных вод к водному объекту; X - осадки на его поверхность; - отток поверхностных вод из водного объекта; - фильтрация вод из водного объекта; - испарение с его поверхности. Все характеристики, кроме V, измеряются в м³ или км³ в год, V - в м³ или км³. При вычислении для водных объектов некоторых типов в формуле (2) могут отсутствовать отдельные члены: например, для ледников практически равны нулю, для океана = 0, ~ 0. Слово «условный» введено в понятие для интенсивности водообмена в водном объекте из-за того, что в действительности быстрой и полной замены «старых» вод «новыми» не происходит (не все части водного объекта в равной мере участвуют в обновлении вод). Поэтому коэффициент водообмена весьма приближенно (условно) характеризует действительное обновление вод. Таким образом, коэффициент условного водообмена К_в показывает, сколько раз в году сменяются воды в водном объекте (при К_в> 1) или какая часть объема воды сменяется в течение года (при К_в<1).

Величина, обратная коэффициенту условного водообмена, называется периодом условного водообмена или периодом условного возобновления вод:

(3)

Величина характеризует время, в течение которого произойдет полная замена вод в водном объекте при принятом выше допущении; измеряют в годах, если К_в> 1, и в долях года (ее можно выразить в сутках), если К_в< 1. Так, например, в процессе ежегодного водообмена с атмосферой и сушей принимает участие 505 тыс. км³ океанических вод, т.е. всего 0,04% их общего объема. Период условного возобновления вод Мирового океана составит: 1338?10⁶/505 ? 10³ = 2650 лет. Годовой сток всех рек (41,7 тыс. км³) почти в 20 раз больше объема воды, единовременно в них находящегося (2,12 тыс. км³). Поэтому воды в реках должны возобновляться в среднем за 2120/41700 = 0,051 года, или 19 дней. Заметим, что сооружение водохранилищ на реках привело к увеличению объема воды, находящейся в речной сети, и, соответственно, к возрастанию периода условного водообмена.

Влияние антропогенного фактора на круговорот воды

Важная и новая задача современной гидрологии - это оценка влияния хозяйственной деятельности на процессы круговорота воды и водные ресурсы.

В минувшем столетии существенно возросли объемы безвозвратного водопотребления. Однако заметного влияния на круговорот воды в масштабах всей Земли или даже континентов и крупных регионов эти объемы воды, по-видимому, не оказали, так как изъятие воды из водных объектов должно было с неизбежностью привести к увеличению испарения и внутриматерикового влагообмена и, следовательно, атмосферных осадков, и хотя бы частично компенсировать потери вод. Поэтому применительно к континентам, а тем более к планете в целом термин «безвозвратные потери» может использоваться лишь условно. Конечно, безвозвратное (в традиционно понимаемом смысле) водопотребление существенно влияет на водные ресурсы небольших регионов, отдельных речных бассейнов и водоемов. Так, вследствие изъятия воды на орошение существенно сократился сток многих рек Индии, уменьшился сток в устьях рек Днепра и особенно Амударьи, Сырдарьи, Терека.

Единственным антропогенным фактором, действительно оказавшим влияние на круговорот воды и приведшим к изъятию из этого круговорота некоторого объема воды, было накопление воды в водохранилищах. Создание водохранилищ привело к уменьшению притока вод в океан и к некоторой задержке наблюдавшегося повышения его уровня.

Глобальное потепление климата, перераспределение вод между отдельными объектами гидросферы и повышение уровня Мирового океана, как полагает ряд ученых, также имеют в основном антропогенные причины.



Рис. 1. Районирование территории России по степени и характеру воздействия антропогенных факторов на реки (Р.С. Чалов)

На территории России выделяют три группы районов (рис. 1), различающиеся по степени и характеру изменения русел рек под влиянием антропогенных факторов.

По степени измененности русел малых и средних рек: 1 - неизмененные реки (встречаются отдельные участки локально измененных русел, связанные с мостовыми и другими переходами, лесоразработками, лесосплавом и т.д.), 2 - местные изменения факторов и руслового рельефа, 3 - региональные изменения факторов русловых процессов, формы русел и продольного профиля рек, 4 - урбанизированные и градопромышленные районы, 5 - полное изменение русел рек под влиянием горнодобывающей промышленности, 6 - бессточные области.

Антропогенные факторы региональных изменений русел малых и средних рек, 7 - ускоренная эрозия почв, 8 - преимущественно обводнительные мелиорации, 9 - преимущественно осушительные мелиорации, 10 - промышленные узлы и городские агломерации, 11 - районы добычи полезных ископаемых.

Формы воздействия на большие реки, 12 - водохранилища и каскады водохранилищ, 13 - нижние бьефы крупных гидроузлов, 14 - водозабор в крупных размерах, 15 - противопаводочное обвалование, 16 - карьеры песчано-гравийной смеси, 17 - дноуглубительные и выправительные работы на водных путях, 18 - крупные устьевые каналы

В первую группу входят наиболее экономически развитые и густонаселенные районы, в пределах которых практически на всех реках в той или иной мере изменены факторы русловых процессов, повсеместно осуществляются различные мероприятия в руслах и на берегах рек. Многие реки превращены в каскады водохранилищ (прудов - на малых реках), сток воды зарегулирован. Почти сплошная сельскохозяйственная освоенность территории, проведение осушительных или обводнительных мелиораций обусловили изменения режима стока воды, поступление в реки наносов - продуктов эрозии почв на водосборах. На судоходных реках проводятся мероприятия по регулированию русел для улучшения условий судоходства. Многие участки рек канализованы, вдоль них возведены дамбы обвалования для предотвращения наводнений, в руслах находятся карьеры стройматериалов. Значительная доля стока рек расходуется на водозабор для мелиорации, промышленности, коммунального хозяйства. В этих условиях изменения рек, как правило, являются необратимыми.

К этой группе районов относятся южная половина европейской части России (от широты верхней Волги), равнины Северного Кавказа, юго-запад (Южное Зауралье) и юго-восток (степной Алтай) Западной Сибири, Кузнецкая котловина. На этом общем фоне выделяются регионы, где развитие рек полностью подчинено техногенному воздействию. Таковы высоко урбанизированные территории: Москва и Подмосковье, российская часть Донбасса с прилегающими к нему промышленными районами, охватывающими бассейн нижнего Дона, Средний и Южный Урал и Зауралье, Кузбасс. В то же время в пределах этой группы районов отдельные речные бассейны и реки сравнительно мало изменены хозяйственной деятельностью: верхняя Ока, верхний и средний Дон и их притоки. Кроме того, если большинство восточноевропейских рек изменены одновременным воздействием нескольких антропогенных факторов, то в других регионах такая же, а иногда и большая степень трансформации русел достигнута вследствие гипертрофированного проявления одного из них. На Северном Кавказе таким фактором стала обводнительная мелиорация, сопровождающаяся изъятием большого количества воды из рек в магистральные каналы. В бассейне нижнего Дона массовая мелиорация и эрозия почв на поливных землях стали главной причиной заиления и деградации малых рек.

Вторую группу районов составляют регионы, в которых большинство рек сохраняет естественный или близкий к нему русловой режим и, следовательно, свои речные экосистемы. Они охватывают горные страны и север, слабо освоенные в экономическом отношении или характеризующиеся локальным, очаговым распространением промышленных и горнодобывающих узлов, сельскохозяйственных земель. Таковы бассейны Северной Двины, Мезени и Печоры, рек Карелии и Кольского полуострова, Кавказа, большей части Западной и Восточной Сибири, Лены, рек северо-востока России и Приохотья. Здесь выделяются крупные судоходные реки, на которых дноуглубительные и отчасти выправительные работы стали важным фактором русловых процессов (Северная Двина, нижняя Вычегда, Печора, верхняя и отдельные участки средней и нижней Лены). В восточном регионе многие реки, главным образом малые, местами сильно изменены разработкой в их руслах и на дне долин россыпных месторождений полезных ископаемых (бассейны верхнего Алдана, верхнего Вилюя, верхней Колымы, Омолоя). Местное воздействие на состояние русел рек оказывают лесозаготовки, вывоз и сплав древесины, освоение нефтегазовых месторождений, горнопромышленные узлы типа Норильского.

Промежуточное положение по степени проявления антропогенных факторов в руслоформирующей деятельности рек занимает третья группа районов, протягивающаяся полосой вдоль юга Сибири и включающая Приамурье и Приморье (кроме горных сооружений). Здесь, хотя и велико использование рек и их ресурсов, многочисленны инженерные сооружения на берегах и переходы через них, трансформация природных факторов развития рек в целом незначительна, а изменения рек, приведшие к необратимым изменениям речных экосистем, носят преимущественно местный характер, будучи приурочены к бьефам крупных гидроузлов или промышленным узлам. Там, где созданы крупные водохранилища или их каскады (Обь ниже Новосибирского водохранилища, верхний Енисей, Ангара, Зея), расположены такие крупные центры, как Новосибирск, Омск, Иркутск, Красноярск, реки оказываются достаточно глубоко преобразованными. В тоже время даже малые реки вне зон, непосредственно прилегающих к городам, находятся в естественном состоянии. В восточных районах многие реки изменены вследствие разработки месторождений россыпных полезных ископаемых. Локальное воздействие оказывают лесозаготовки, лесосплав, освоение нефтегазовых месторождений.

Модуль 1.2. Физические основы гидрологических процессов

Вы будете изучать

- Законы физики и их использование при изучении водных объектов.

- Водный баланс.

- Круговорот содержащихся в воде веществ и их баланс.

- Тепловой баланс.

- Закономерности движения природных вод.

- Расход, энергию, работу и мощность водных потоков.

- Силы, действующие в водных объектах.

- О влиянии гидрологических процессов на природные условия.

Цели модуля

- Изучить основные законы физики и возможность их использования при исследовании водных объектов.

- Рассмотреть составные элементы водного баланса водного объекта и участка суши.

- Дать представление о круговороте содержащихся в воде веществах и их балансе, тепловом балансе.

- Изучить закономерности движения природных вод, их гидравлические и энергетические характеристики.

- Рассмотреть, действующие в водных объектах физические силы и устойчивость масс воды по вертикали.

- Оценить влияние гидрологических процессов на природные условия.

После изучения модуля вы сможете

- Иметь представление об основных законах физики и возможности их использования при исследовании водных объектов.

- Знать основные элементы водного баланса водного объекта и участка суши.

- Представлять сущность круговорота содержащихся в воде веществ и их баланса, теплового баланса.

- Знать закономерности движения природных вод, их гидравлические и энергетические характеристики.

- Иметь представление о действующих в водных объектах физических силах и о влиянии гидрологических процессов на природные условия.

Основная литература

- Козлов Д.В. Основы гидрофизики. Учебное пособие. - М.: Изд-во МГУП. 2004. - 246 с.

- Михайлов В.Н. Гидрология: Учебник для вузов / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А. Добролюбов. - 2-е изд. исп. - М.: Высш. шк., 2007. - 463 с.: ил.

- Методика расчета водохозяйственных балансов водных объектов (утв. приказом МПР РФ от 30 ноября 2007 г. №314) // http://www. garant.ru/prime/20080123/2063817.htm.

Дополнительная литература

- Яковлев С.В., Губий И.Г., Павлинова И.И. Комплексное использование водных ресурсов: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2008 - 383 с.

- Государственный водный кадастр. Обобщенные данные использования воды за 2006 г. - М.: ОАО Воднииинформпроект, 2007.

- Козлов Д.В., Раткович Л.Д. Использование и состояние водных ресурсов в условиях современного развития водохозяйственного комплекса Российской Федерации // Деловая слава России, вып. 1 (6), 2008. С. 20-26.

Ключевые слова

Водный баланс, тепловой баланс, расход воды, энергия воды, работа и мощность водного потока, гравитационное, напорное и плотностное движение вод, фрикционное течение, инерционное движение воды, вертикальная устойчивость вод, нейтральная устойчивость.

Фундаментальные законы физики и их использование при изучении водных объектов

Гидрологические процессы протекают в соответствии с фундаментальными законами физики, поэтому гидрология широко использует сформулированные в классической физике (при скоростях движения, намного уступающих скорости света) законы сохранения вещества, тепловой и механической энергии, количества движения.

Закон сохранения вещества (массы) означает неизменность массы в замкнутой (изолированной) системе. Применительно к открытым природным системам, какими являются водные объекты, закон сохранения вещества определяет равновесие между приходом, расходом вещества и изменением его массы в пределах объекта. Это относится не только к воде, но и к находящимся в ней наносам (взвесям), солям, газам и другим веществам.

Количественным выражением закона сохранения вещества для водных объектов служат уравнения баланса воды, наносов (взвесей) и растворенных веществ (солей, газов). Применительно к водному объекту (или его части) и к любому замкнутому контуру на поверхности суши уравнение баланса вещества за некоторый интервал времени можно записать в виде

(4)

где - масса вещества, поступающего к данному объекту (контуру) извне и образующегося из других веществ в пределах объекта (контура); - масса вещества, удаляемого за пределы объекта (контура) и затрачиваемого при его преобразовании в другие вещества в пределах объекта (контура); - изменение за время массы вещества в пределах объекта (контура), равное разнице массы вещества в конечный и начальный моменты времени: . Единицами измерения членов уравнения (4) служат единицы массы (кг). Однако члены уравнения баланса вещества в гидрологии нередко выражают также и в единицах объема (воды, наносов, солей). Но это возможно лишь при неизменной или мало изменяющейся плотности вещества. Замена единиц массы на единицы объема возможна, например, при анализе водного баланса пресноводных водных объектов, где плотность воды мало отличается от 1000 кг/м³.

Уравнение (4) может быть названо уравнением баланса массы вещества в интегральной форме, так как оно рассматривает суммарное изменение массы за некоторый промежуток времени . Если отнести все члены уравнения (4) к единице времени, т.е. разделить на , то получим уравнение баланса массы вещества в дифференциальной форме. В этом случае члены правой части уравнения имеют размерность расхода вещества (кг/с).

Закон сохранения тепловой энергии характеризует неизменность энергии в замкнутой (изолированной) системе с учетом возможного перехода одного вида энергии в другой. Применительно к открытым природным системам, какими являются водные объекты, закон сохранения тепловой энергии определяет условие баланса прихода и расхода теплоты и изменения теплосодержания объекта.

Количественным выражением закона сохранения тепловой энергии применительно к любому объему воды (водному объекту) или замкнутому контуру суши служит уравнение теплового баланса, которое для интервала времени можно записать в виде:

(5)

где - теплота, поступающая к данному объекту (контуру) извне и выделяющаяся в пределах объекта (контура) при переходе части механической энергии в тепловую, а также при ледообразовании, конденсации водяного пара, разложении некоторых веществ; - теплота, удаляемая за пределы объекта (контура), затрачиваемая в пределах объекта (контура) на испарение воды, плавление льда, химические и биохимические процессы; - изменение за время содержания теплоты в объекте, равное , где m - масса объекта; - его удельная теплоемкость при постоянном давлении, - изменение температуры . Единицы измерения членов уравнения (5) - единицы теплоты (Дж).

Закон сохранения механической энергии означает, что полная энергия какой-либо механической системы складывается из потенциальной () и кинетической ) энергии и остается всегда постоянной с учетом потерь энергии на трение:

(6)

где - диссипация энергии (переход части механической энергии в тепловую в результате трения).

Закон сохранения механической энергии применительно к водным объектам определяет характер перехода потенциальной энергии (энергии покоящейся воды) в кинетическую энергию движущегося Полного потока. Единицы измерения членов уравнения (6) - единицы энергии (Дж).

Закон сохранения количества движения (импульса) гласит, что в пределах замкнутой (изолированной) механической системы количество движения остается неизменным: = 0, где m - масса системы, ее ускорение. Применительно к открытым системам, к которым относятся и все водные объекты, закон сохранения количества движения (импульса) трансформируется в закон изменения количества движения (импульса), который означает, что изменение количества движения (импульса) открытой системы равно сумме всех внешних сил, действующих на эту систему. Упомянутый закон есть результат распространения на открытую систему второго закона механики, или второго закона Ньютона. Закон изменения количества движения (импульса) лежит в основе изучения закономерностей динамики вод во всех водных объектах. Количественным выражением закона изменения количества движения (импульса) служит уравнение движения, которое применительно к любому объему воды может быть записано в виде

, (7)

где m - масса выделенного объема; изменение средней скорости движения этого объема; - сумма действующих на этот объем внешних объемных (массовых) и поверхностных сил. Объемные (массовые) силы действуют на весь объем воды, поверхностные действуют лишь на его грани. Единицы измерения членов уравнения (7) - единицы силы (Н, или кг•м/с²). Нередко члены уравнения (7) выражают в единицах ускорения (путем деления на массу) или в безразмерной форме (путем деления на вес выделенного объема mg).

Все процессы, протекающие в водных объектах и состоящие в изменении массы или объема воды, ее минерализации, химического состава, температуры, характеристик ледового режима, параметров движения водного потока и т.д., представляют собой реакцию водных объектов на изменение составляющих баланса вещества, тепловой и механической энергии и действующих сил под влиянием внешних и внутренних факторов.

Водный баланс

Для водного объекта или замкнутого контура суши и для любого интервала времени уравнение сохранения вещества (4) можно записать в виде уравнения баланса объема (его обычно называют уравнением водного баланса):

, (8)

где - атмосферные осадки на поверхность объекта; - поверхностный приток воды извне; - подземный приток воды извне; - конденсация водяного пара; - поверхностный отток воды за пределы объекта; - подземный отток воды за пределы объекта; - испарение; - изменение объема воды в пределах объекта (контура).

При использовании уравнения (8) необходимо иметь в виду следующие обстоятельства: 1) атмосферные осадки х учитываются как в жидком (дождевые), так и в твердом (снег) виде. 2) приток () или отток () поверхностных и подземных вод может осуществляться как естественным, так и искусственным путем (например, при подаче воды из-за пределов объекта, заборе поверхностных вод, откачке и закачке подземных вод); 3) конденсацию нередко объединяют с осадками или вычитают из испарения ; 4) испарение может складываться из - испарения с водной поверхности, - испарения с поверхности снега или льда, - испарения с поверхности почвы, - испарения растительным покровом (транспирации); 5) член уравнения представляет собой изменение объема воды в водном объекте (водоеме, водотоке) или изменение содержания воды в почве, водоносных горизонтах, снежном покрове и т.д. Определяют соотношением приходной и расходной частей уравнения водного баланса: если приход воды больше расхода, то происходит накопление воды (повышение уровня) в пределах объекта или контура и > 0; если приход воды меньше расхода, то идет сработка запасов накопленной ранее воды (понижение уровня) в пределах объекта или контура и <0.