Гидрологические процессы и явления

Члены уравнения (8) обычно выражают либо в величинах слоя (мм, см, м), либо в объемных единицах (м³, км³). В первом случае для обозначения членов уравнения можно использовать строчные буквы (х, у, z….), во втором - прописные (X, У, Z….). Пересчет одних величин в другие возможен по формулам вида , где F - площадь поверхности объекта. Если F выражена в км², х- в мм, а X- в м³, то a= 10³; если же X выражен в км³, то а = 10^-6. Члены уравнения (8) иногда выражают в единицах массы (например, для ледников).

В гидрологии метод водного баланса широко применяют при изучении многих гидрологических процессов, например формирования стока воды в речных бассейнах, режима ледников, колебания уровня озер и морей и т.д. Метод заключается в составлении уравнения водного баланса вида (8) для изучаемого объекта; анализе его членов, выявлении соотношения между ними, определении главных составляющих и их вклада в водный баланс (выявлении их доли в расходной или приходной части уравнения); проверке трудно поддающихся определению членов уравнения по другим, легче поддающимся определению; оценке точности расчета отдельных членов уравнения; определении в ряде случаев неизвестных членов по известным. Так, в гидрологии довольно часто испарение (с водной поверхности, с поверхности участка суши, снега или льда) определяют как «остаточный» член уравнения водного баланса по известным остальным его членам.

Баланс содержащихся в воде веществ

К числу наиболее распространенных веществ, содержащихся в воде и участвующих вместе с водой в ее глобальном круговороте, относятся растворенные в воде соли, взвешенные вещества и газы. Для этих веществ есть, однако, и другие способы переноса, помимо водного.

Круговорот солей. С поверхности океана в атмосферу при выбросе волнением и физическом испарении ежегодно выносится в среднем 5,0 млрд. т солей, возвращается обратно 4,5 млрд. т с атмосферными осадками и пылеватыми частицами. Разница (0,50 млрд. т) - это соли, которые переносятся в атмосфере с океана на сушу. Значительно больше солей поступает ежегодно с суши в океан (4,53 млрд. т). Последняя величина складывается из поступления солей с речными (3,1 млрд. т), ледниковыми (0,03 млрд. т) и подземными (1,2 млрд. т) водами, а также при растворении речных взвесей (0,2 млрд. т). Основным источником этих солей служит процесс растворения горных пород поверхностными и подземными водами

Расчет переноса солей на земном шаре проведен с учетом их средней концентрации в атмосферных осадках и ледниковых водах - 8-10 мг/л, в речных и подземных водах 75 и 545 мг/л соответственно. Некоторое постоянное накопление солей в бессточных областях не учитывалось.

Таким образом, на земном шаре происходит направленный процесс выноса солей с суши в Мировой океан в размере 4,53-0,50 ~ 4 млрд. т/год.

Общее количество солей, растворенных в водах Мирового океана, равно, по В.Н. Степанову (1983), 46,5?10¹⁵ т. При объеме вод в океане 1338 млн км³ это дает среднюю соленость воды около 35% о. В обмене солями океана с атмосферой и сушей участвует не более 4 млрд. т/год, что составляет всего около одной десятимиллионной доли общего запаса солей в океане. Поэтому повлиять сколько-нибудь заметно на изменение запаса солей в океане и соленость самой океанической воды даже длительное поступление солей с суши не может, тем более что часть приносимых солей осаждается на дно океана.

Наносы - это содержащиеся в водных объектах твердые, в основном минеральные, частицы, поступающие в воду в результате эрозии земной поверхности и вымывания из грунта и переносимые водой во взвешенном или влекомом состоянии.

Круговорот наносов на земном шаре может проявляться лишь в геологическом масштабе времени, когда в разных районах планеты сменяется характер эрозионно-аккумулятивного цикла: эрозия осадочных пород на материке - смыв наносов в океан и формирование толщи отложений на дне океана - тектоническое поднятие толщ морских отложений и превращение их в сушу - эрозия этих отложений и т.д. В каждый же конкретный момент времени можно говорить лишь о направленном поступлении наносов с суши в Мировой океан.

Одновременно с этими глобальными эрозионно-аккумулятивными циклами геологического масштаба времени происходит и перераспределение солей на земном шаре, о чем речь шла выше: растворяются на суше главным образом осадочные породы океанического происхождения. Они-то и становятся источником солевого стока рек.

Основным переносчиком продуктов эрозии на поверхности суши служат сток талых и дождевых вод по склонам, сток вод в верхних звеньях русловой сети речных бассейнов.

Годовой сток взвешенных наносов рек мира при средней мутности речных вод 0,375 кг/м³ составляет 15,7 млрд. т (по В.В. Алексееву и К.Н. Лисициной), что дает смыв с поверхности суши к среднем 150 т/км², или 0,1 мм/год. Фактическая эрозия поверхности суши на несколько порядков превышает величину эрозии, рассчитанную по стоку наносов рек в их замыкающих створах. Превышение фактической эрозии над рассчитанной по стоку наносов объясняется тем, что огромные массы грунта, смытого плоскостным и ручейковым стоком, накапливаются у подножья склонов, большие объемы наносов отлагаются в устьях и на конусах выноса оврагов, ручьев, небольших речных притоков, на речных поймах и т.д. Различие между суммарным объемом эрозии и стоком наносов рек увеличивается с ростом площади речного бассейна.

В суммарном стоке наносов рек в среднем 90-95% приходится на взвешенные и 5-10% на влекомые наносы.

В Мировом океане постоянно находится приблизительно 1370 млрд. т взвеси. Это наносы, поступающие с реками, но не успевшие еще осесть, продукты размыва берегов и взмучивания волнами грунтов дна в прибрежной зоне, частицы, приносимые ветром, взвеси органического происхождения.

Круговорот газов. Из газов, участвующих в круговороте веществ в природе, наибольшее значение имеют кислород 0₂ и диоксид (двуокись) углерода С0₂.

Содержание кислорода в воде - главное условие жизнедеятельности водных организмов. Приходные составляющие баланса кислорода в воде - это поступление (растворение) кислорода из атмосферы, продукция кислорода в процессе фотосинтеза; расходные составляющие баланса 0₂ - это биохимическое потребление кислорода (БПК) при разложении органического вещества, химическое потребление кислорода (ХПК) при химическом окислении, потери кислорода при дыхании организмов и удалении в атмосферу.

Фотосинтез, в результате которого образуется органическое вещество, поглощается С0₂ и выделяется кислород, идет под действием солнечного света и в присутствии хлорофилла в зеленых организмах.

В атмосфере содержится 1184?10¹² т кислорода, в океане его 7,5 ?10¹² т, т.е. почти в 160 раз меньше.

Кислород в океан поступает в результате фотосинтеза фитопланктоном (154 млрд т/год), а также с дождевыми и речными водами (3,6 млрд. т/год) и при поглощении из атмосферы (54,8 млрд. т/год). Основными потребителями кислорода являются биохимические процессы в океане (потребление растениями и животными, окислительные процессы и т.д.). На эти процессы уходит 151 млрд. кислорода в год. В атмосферу выделяется в год 61,4 млрд. т кислорода. В итоге, по В.Н. Иваненкову, океан ежегодно отдает атмосфере 61,4-54,8 = 6,6 млрд. т кислорода.

На суше в результате фотосинтеза ежегодно продуцируется кислорода почти столько же, сколько дает фитопланктон (около 150 млрд. т/год). Часть кислорода над сушей тратится на биохимическое потребление.

Потребление кислорода на сжигание топлива составляло во всем мире в 1980 г. приблизительно 25 млрд. т/год. По некоторым расчетам, к 2000 г. этот вид безвозвратной траты кислорода атмосферы должен был достигнуть 57 млрд. т/год.

Таким образом, общий баланс кислорода на планете положительный, а основным источником пополнения атмосферы кислородом служит фотосинтез.

В отличие от кислорода диоксид углерода С0₂ частично взаимодействует с водой и растворенными в воде карбонатами, образуя угольную кислоту и включаясь в карбонатную систему.

Диоксид углерода поступает в водные объекты при окислении органического вещества (дыхание водных организмов, различные виды биохимического распада и окисления органического вещества), при подводных вулканических извержениях, с речным стоком. Количество С0₂ уменьшается в водных объектах прежде всего вследствие процесса фотосинтеза. С0₂ расходуется также на растворение карбонатов и химическое выветривание минералов.

Изменяется содержание С0₂ также вследствие взаимодействия водных объектов и атмосферы. И гидросфера, и атмосфера взаимно регулируют содержание С0₂ в воде и воздухе. Полагают также, что океан служит огромным планетарным «насосом» для С0₂: он поглощает его в высоких широтах, где в связи с низкой температурой воды существенно возрастает растворимость газов, и отдает атмосфере в низких, куда по глубинным горизонтам поступает вода из приполярных районов.

Баланс С0₂ в атмосфере очень сложен и недостаточно изучен. По современным представлениям, наблюдаемое увеличение концентрации С0₂ в атмосфере на 3/4 обусловлено его выбросами в результате сжигания органического ископаемого топлива и на 1/4 связано с изменением характера землепользования (сведение лесов, осушение болот и др.). В настоящее время человечество ежегодно сжигает более 4,5 млрд. т угля и 3,5 млрд. т нефти и нефтепродуктов.

Количество диоксида углерода в атмосфере на протяжении истории Земли существенно уменьшалось, в то время как содержание кислорода увеличивалось. Уменьшение содержания С0₂ сопровождалось понижением температуры воздуха: при снижении концентрации С0₂ с 0,6 до 0,3% о, т.е. в 2 раза, температура понизилась на 2,5°С. С мелового периода средняя температура на Земле снизилась на 11°С.

В доиндустриальный период концентрация С0₂ в атмосфере составляла около 0,280% о; в последующем резко возросла до 0,368% о. К 2100 г. концентрация С0_2, согласно прогнозам МГЭИК, может увеличиться до 0,540-0,970% о, что будет на 93 - 246% больше, чем в доиндустриальный период. Существует неопределенность в оценке карбонатного обмена между атмосферой, Мировым океаном и поверхностью суши, а также неопределенность, связанная с темпами экономического развития общества в будущем, объемом ожидаемых выбросов С0₂ в атмосферу, характером защитных мер и т.д. Поэтому разброс возможных значений содержания С0₂ в атмосфере в конце XXI в. может быть еще больше - от 0,490 до 1,260% о.

Изменения содержания С0₂ в атмосфере уже привели и могут привести в дальнейшем к существенным изменениям климата и состояния гидросферы.

Как указывалось ранее, в воде могут находиться во взвешенном или растворенном состоянии различные вещества - наносы (взвеси), растворенные соли, газы и т.д. При изучении их режима учитывается закон сохранения массы этих веществ (см. уравнение (4)).

Во многих случаях эти вещества поступают в водные объекты и удаляются из них вместе с водой (например, с поверхностным и подземным стоком). Поэтому изучение баланса и режима взвешенных и растворенных веществ необходимо вести на основе анализа водного баланса, т.е. с использованием уравнения (8). При рассмотрении баланса солей, а также некоторых химических элементов и газов необходимо учитывать сложные химические и биохимические процессы, происходящие в водных объектах и приводящие либо к дополнительному поступлению этих веществ в воду, либо к удалению их из воды. К числу таких процессов относятся, например, образование органического вещества в результате фитосинтеза и разложение органического вещества.

При изучении баланса взвешенного или растворенного вещества часто используют данные не о массе этих веществ, а об их концентрации C, выраженной в кг/м³ или мг/л. В этих случаях масса данного вещества в объеме воды , где V - объем воды, a - множитель, зависящий от размерности концентрации C: при размерности кг/м³ а=1, при размерности г/м³ (или мг/л) а= 10^-3.

Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса (5) для любого объема воды или участка суши и интервала времени должно включать различные составляющие прихода теплоты и ее расхода .

Наиболее важный член уравнения теплового баланса - радиационный баланс R, представляющий собой разность между количеством суммарной коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой поверхностью воды или суши , и эффективным длинноволновым излучением этой поверхности I:

. (9)

где - прямая, - рассеянная солнечная радиация, r - альбедо поверхности, т.е. отношение количества отраженной солнечной радиации к количеству поступающей, I - эффективное излучение, равное разности между излучением поверхности воды или суши в атмосферу и поглощенным встречным излучением атмосферы.

Ряд членов уравнения теплового баланса связан с поступлением или удалением теплоты с поверхностными или подземными водами. Соответствующие приходные и расходные составляющие теплового баланса обозначим через и и представим как и где - приток (индекс +) или отток (индекс -) теплоты с поверхностными водами, - то же, с подземными.

В уравнении теплового баланса учитывают также теплообмен с атмосферой и грунтами, обусловленный различиями в температуре воды и воздуха, воды и грунтов. Соответствующие приходные члены уравнения (при поступлении теплоты из атмосферы и от грунтов) обозначим через и , а их сумму - через +. Аналогично сумма расходных членов теплообмена (при удалении теплоты в атмосферу и в грунт) записывается как +.

Большое количество теплоты расходуется (выделяется) при фазовых переходах. Поступление теплоты обозначим через затрату - через . Эти члены уравнения равны соответственно и где - выделение теплоты при ледообразовании (замерзании воды) и конденсации водяного пара, - затраты теплоты на плавление льда и испарение воды.

Вместе с дополнительными положительными членами - поступлением теплоты с атмосферными осадками , а также вследствие перехода части кинетической энергии в тепловую (диссипации энергии ) уравнение теплового баланса (5) записывается в виде

(10)

Все члены уравнения (10) выражают в единицах теплоты (Дж) или относят к единице массы (Дж/кг), объема (Дж/м³), площади объекта (Дж/м²). Соответственно и изменение теплосодержания будет выражаться как , где V - объем объекта; - его плотность; h - толщина слоя (получают путем деления объема V на площадь F); - удельная теплоемкость воды при постоянном давлении.

Зная количественное выражение различных членов уравнения теплового баланса, можно рассчитать величину , а затем определить и изменение температуры . При = 0 и ,= 0, т.е. температура объекта не изменяется. При > 0 температура объекта повышается ( >0), при <О, наоборот, понижается ( <0).

Метод теплового баланса широко используют в гидрологии для исследования изменений температуры воды в реках, озерах, океанах и морях. Как и метод водного баланса, он заключается в составлении и анализе уравнения вида (10) и его членов, проверке или расчете трудно поддающихся определению членов уравнения. Уравнение теплового баланса можно использовать, например, для расчета количества растаявшего льда или воды, испарившейся с поверхности водоемов или участков суши.

Основные закономерности движения природных вод

Свойство текучести обусловливает постоянное движение воды в природных объектах: внешние и внутренние силы перераспределяют ее во времени и пространстве. Движется и лед, обладающий пластичностью.

Для анализа основных закономерностей движения воды введем некоторые обозначения. Выразим через u скорость течения в любой точке, через v среднюю скорость движения всей массы воды (в слое, потоке и т.д.), причем в общем случае примем, что и , где х, у, z - пространственные координаты, t - время. Продольную ось х обычно направляют вдоль потока параллельно его поверхности, у - поперек потока, вертикальную ось z - от поверхности ко дну.

Движение воды можно классифицировать по изменению гидравлических характеристик водного потока во времени и в пространстве, по гидродинамическому режиму (ламинарное, турбулентное), по состоянию водной поверхности (спокойное, бурное), а также по действующим физическим силам.

Движение воды считают установившимся (стационарным), если скорость течения во времени не изменяется (), и неустановившимся (нестационарным), если скорость течения во времени - величина переменная (). Установившееся движение, в свою очередь, подразделяют на равномерное, если скорость течения вдоль потока остается неизменной (), и неравномерное, если скорость течения вдоль потока изменяется (). При равномерном движении равна нулю и полная производная скорости ().

Выделяют два гидродинамических режима движения воды: ламинарный и турбулентный. Слово «ламинарный» происходит от латинского слова, означающего «слоистый», слово «турбулентный» - от латинского слова, означающего «беспорядочный». И действительно, при ламинарном режиме частицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания; при турбулентном режиме их движение имеет хаотический характер, в потоке формируются вихри и активизируются процессы перемешивания воды, скорости течения непрерывно изменяются по величине и направлению. Ламинарный режим может переходить в турбулентный при увеличении скорости течения. Гидродинамический режим потока характеризуется безразмерным числом Рейнольдса Re, равным

(11)

где v - средняя скорость течения, м/с; h - глубина потока или толщина слоя воды, м; v - кинематический коэффициент вязкости, м²/с; зависящий от характера жидкости и ее температуры.

Критическое значение числа Рейнольдса Re_kp, соответствующее переходу от ламинарного к турбулентному режиму, лежит приблизительно в диапазоне от 300 до 3000.

Если фактическое число Рейнольдса в водном потоке больше 3000 - режим турбулентный, меньше 300 - ламинарный, в диапазоне Re от 300 до 3000 - переходный.

В реках, озерах, морях и океанах число Re всегда значительно больше критического значения, и режим движения воды турбулентный. Ламинарный режим характерен для подземных вод в мелкозернистых грунтах (вследствие малых размеров пор и малых скоростей движения воды) и для ледников (вследствие очень большой вязкости льда и очень малых скоростей его движения).

От гидродинамического режима зависит внутреннее трение в потоке и вертикальное распределение скоростей течения.

В ламинарном потоке возникающее между смежными слоями воды внутреннее касательное напряжение (трение на единицу поверхности) зависит от вязкости, которая, в свою очередь, изменяется с изменением температуры, и равно , где - динамический коэффициент вязкости (), du/dz - вертикальный градиент скорости течения. В турбулентном потоке внутреннее касательное напряжение зависит уже не от вязкости воды, а от так называемого коэффициента турбулентного обмена А, характеризующего интенсивность турбулентного перемешивания вод:

, (12)

где du/dz - вертикальный градиент осредненной во времени скорости течения. Для определения коэффициента А обычно используют эмпирические зависимости, связывающие его с глубиной, скоростью течения и другими характеристиками потока.

В ламинарном потоке вертикальное распределение скоростей течения описывается формулой параболы с горизонтальной осью, расположенной на поверхности потока. Максимальная скорость находится на поверхности потока, у дна скорость течения равна нулю. Для турбулентного потока исследователи предлагают различные математические выражения для распределения скоростей течения по глубине: логарифмическая кривая, часть эллипса, парабола и т.д. Максимальная скорость во всех этих случаях также находится на поверхности потока. Важно подчеркнуть, что скорость течения в турбулентном потоке (и это подтверждается данными наблюдений) изменяется по вертикали более плавно, чем в ламинарном, причем у дна скорость течения не равна нулю. Этим объясняются размывающее воздействие турбулентных потоков (в отличие от ламинарных) на дно и их способность перемещать частицы наносов по дну. По состоянию водной поверхности потоки делят на спокойные и бурные. Спокойные потоки имеют плавную форму водной поверхности, препятствия обтекаются ими также плавно. Бурные потоки имеют неровную форму водной поверхности со стоячими волнами, в местах препятствий образуются резкие перепады уровня. Для определения состояния потока (спокойное или бурное) используют безразмерное число Фруда Fr, равное

(13)

где h - глубина потока, м; g - ускорение свободного падения, м/с². При числе Fr, равном 1, поток находится в критическом состоянии. Если чисто Фруда больше 1, то поток бурный, если меньше 1 - спокойный. Бурные потоки характерны для горных рек, спокойные - для равнинных рек и течений в водоемах.

Нельзя отождествлять бурные и турбулентные, спокойные и ламинарные потоки, так как характеристики этих движений воды качественно различные. Спокойные потоки, например, могут быть как ламинарными, так и турбулентными, бурные - всегда турбулентные.

Расход, энергия, работа и мощность водных потоков

Расход воды - это количество воды, протекающее через поперечное сечение потока в единицу времени.

Расход воды - одна из важнейших гидрологических и гидравлических характеристик, применяемых при исследовании различных водных объектов - рек, озер, морей, а также ледников, лавин (в последних случаях говорят о расходе льда, снега). Выражают расход воды обычно в объемных единицах (Q, м³/с). Если рассматривают расход массы вещества (воды, льда, снега), то используют единицы массы (, кг/с, где - плотность данного вещества).

Расход воды может быть представлен как произведение площади поперечного сечения потока (w, м²) на среднюю скорость движения воды (v, м/с):

. (14)

Кинетическая энергия движущейся воды Е_кин выражается формулой

Е_кин =mv²/2. (15)

За время масса воды m, переместившейся через данное поперечное сечение, равна поэтому для кинетической энергии полного потока получим выражение

. (16)

Потенциальная энергия массы воды равна

Е_пот=mgH, (17)

где Н - высота центра тяжести объема воды над некоторой плоскостью отсчета, например уровнем моря. Выразив m через получим

. (18)

Вода, перемещаясь вниз на высоту , совершает работу A, равную:

. (19)

Мощность такого водного потока () равна:

(20)

А, как и , , выражают в Дж, N- в Дж/с или Вт.

По формулам (15) - (20) можно оценить энергию, работу и мощность не только движущейся воды, но и перемещающегося льда и снега.

Силы, действующие в водных объектах

Строгая математическая интерпретация законов движения воды с учетом всех действующих физических сил возможна лишь на основе трехмерного гидродинамического анализа. Для понимания наиболее общих закономерностей движения природных вод достаточно рассмотреть более упрощенную задачу. Для этого выделим в водном объекте некоторый объем воды в виде параллелепипеда.

Пусть выделенный объем воды массой m движется, не деформируясь, как единое целое в направлении уклона водной поверхности со средней скоростью v. В этом случае на объем воды будут действовать следующие объемные (массовые) и поверхностные силы.

К объемным (или массовым) силам, действующим на весь объем воды и приложенным к его геометрическому центру, относятся сила тяжести F_g и ее продольная составляющая , центробежная сила F_u и отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) F_k.

Поверхностные силы, действующие на вертикальных гранях выделенного объема, подразделяются, в свою очередь, на нормальные, направленные перпендикулярно граням (это силы давления Р), и касательные, действующие вдоль граней (это силы трения Т). Различают силу трения у дна Т_дно и силу трения, обусловленную действием ветра на водную поверхность Т_ветр (считается, что неподвижный воздух тормозящего действия на движущуюся воду практически не оказывает).

Для математического представления объемных (массовых), нормальных и касательных поверхностных сил используют соответственно следующие выражения: , и , где m - масса; а - ускорение; S - площадь боковой грани; - давление на единицу площади; - удельное трение (касательное напряжение). Размерность и - Н/м². Все перечисленные силы, действующие на рассматриваемый объем воды, можно представить в следующем виде.

Сила тяжести, действующая вертикально вниз, равна F_g,=mg, а ее продольная составляющая, действующая вдоль уклона водной поверхности, равна

, (21)

где - угол между горизонтальной плоскостью и поверхностью воды; = - уклон водной поверхности (величина безразмерная); - падение уровня вдоль участка .

Центробежная сила действует лишь в случае изгиба траекторий движущихся частиц воды и направлена перпендикулярно потоку в сторону от центра кривизны. Эта сила равна , где - центробежное ускорение, равное v² r (v - скорость течения воды, r - радиус изгиба потока), т.е.

. (22)

Сила Кориолиса действует на любое движущееся тело и направлена перпендикулярно движению в Северном полушарии - вправо, в Южном - влево. Она равна F_k,=ma_k, где а_к - ускорение Кориолиса, равное (- угловая скорость вращения Земли, равная , - географическая широта места), т.е.

. (23)

Масса выделенного объема т может быть представлена во всех формулах как , где - плотность воды; S - площадь верхней или нижней граней, равная .

Трение на дне Т_дно равно: Т_дно = где = , а удельное трение (касательное напряжение) согласно законам гидродинамики может быть выражено следующим образом:

, (24)

где - коэффициент гидравлического сопротивления (трения). Экспериментами установлено, что при ламинарном движении зависит от числа Рейнольдса: =а/Rе, а при турбулентном - не зависит. Поэтому, для касательного напряжения на дне при ламинарном режиме:

=. (25)

Для турбулентного режима свою силу сохраняет формула (24).

В формулах (24) и (25) и а - коэффициенты, определяемые опытным путем. Коэффициент трения зависит от шероховатости поверхности дна и обычно изменяется от 1 • 10^-3 до 8 • 10^-3; a = 3.

Обращает на себя внимание тот факт, что касательное напряжение на дне при ламинарном движении зависит от скорости течения в первой степени и вязкости, а при турбулентном - от скорости течения во второй степени и не зависит от вязкости.

Таким образом, для ламинарного и турбулентного режимов движения воды получим соответственно два разных выражения для трения на дне:

, (26)

(27)

где = .

Трение на поверхности воды, обусловленное действием ветра, определяют по формуле , где

(28)

Здесь - коэффициент трения на границе раздела движущийся воздух - вода, равный приблизительно 2,6? 10^-3; - плотность воздуха (1,293 кг/м³ - при нормальном атмосферном давлении); W - скорость ветра, м/с; - угол между направлением движения воды и направлением ветра. При попутном ветре >0, при встречном <0; в последнем случае выражение для , получает отрицательный знак. Выражение для трения ветра на водной поверхности таким образом будет следующим:

, (29)

где = .

Все перечисленные силы можно подразделить на активные и пассивные. Активные силы вызывают движение воды, пассивные (или вторичные) лишь сопутствуют движению воды. К активным силам относятся продольная составляющая сила тяжести, продольный градиент давления, сила трения, если она обусловлена воздействием ветра на водную поверхность. К пассивным силам, возникающим только при наличии движения, относятся сопутствующие движению сила трения на дне, центробежная сила, сила Кориолиса.

Влияние гидрологических процессов на природные условия

Современные климатические условия. Благодаря большой массе воды на поверхности Земли и особенностям ее тепловых свойств гидросфера Земли регулирует тепловые процессы, поглощая в среднем 77% поступающей к земной поверхности солнечной энергии, передавая ее затем в атмосферу в результате испарения и последующей конденсации водяного пара (84% всего радиационного баланса Земли), а также путем турбулентного теплообмена. Гидросфера, таким образом, выступает в качестве мощного нагревателя атмосферы и всей Земли.

Широтная климатическая зональность земного шара - в основном следствие неравномерного поступления солнечной радиации; обусловленного сферичностью Земли и наклоном земной оси. Кроме того, огромные массы льда, находящиеся в приполярных областях Земли оказывают сильное охлаждающее влияние на районы, расположенные в высоких широтах, усугубляя, таким образом, широтную зональность. Если бы приполярные льды растаяли, то климат на Земле стал бы более теплым и однородным. Подобная климатическая обстановка была на планете, по-видимому, в неогеновом периоде (несколько миллионов лет назад). Вместе с тем природные воды, чьи тепловые свойства зависят от распределения солнечной радиации по широтам, сами существенно влияют на перераспределение теплоты в меридиональном направлении: с морскими течениями теплота из районов ее накопления (низкие широты) переносится в районы ее расходования (высокие широты), что выравнивает современные тепловые различия на разных широтах.

Метеорологические условия. Хотя метеорологические условия на планете и их изменчивость определяются атмосферной циркуляцией, роль в этом природных вод также очень велика. Во-первых, многие основные свойства самой атмосферы - результат воздействия на нее гидросферы. Общие закономерности распределения атмосферного давления, пассатные и муссонные ветры, облачность и другие факторы зависят от распределения суши и воды на земном шаре и различия в их нагреве. Во-вторых, определяемое общей циркуляцией атмосферы перемещение воздушных масс сопровождается их трансформацией над водными объектами (нагревание или охлаждение, насыщение влагой и т.д.). Основным источником осадков на Земле служит Мировой океан.

Крупные изменения климата. Крупные изменения климатических условий, в частности общее похолодание Земли, начавшееся с мелового периода, и периодические оледенения в четвертичное время, существенно влиявшие и на облик планеты, и на развитие на ней жизни, ученые пытаются объяснить многими причинами - астрономическими (изменения параметров земной орбиты, скорости вращения Земли, наклона земной оси), геологическими (тектонические процессы, катастрофические вулканические извержения, приводящие к уменьшению прозрачности атмосферы), радиационными (изменение солнечной постоянной, альбедо земной поверхности) и др. Однако в некоторых гипотезах не привлекаются эти «внешние» причины изменения климата, а делается попытка вывести изменения из закономерностей «внутренних» процессов взаимодействия гидросферы и атмосферы. Весьма интересны (хотя и дискуссионны) гипотезы о существовании глобальной автоколебательной системы атмосфера - гидросфера и ее подсистем атмосфера - океан, атмосфера - ледники и ледники - океан.

В настоящее время отмечается заметное потепление климата. Объем материковых ледников медленно уменьшается, о чем свидетельствует продолжающееся повышение уровня Мирового океана. По-видимому, этот процесс будет продолжаться и дальше.

Эрозионно-аккумулятивные процессы на земном шаре. Геоморфологический облик современной суши, да и довольно обширной прибрежной зоны океанов и морей, без всякого сомнения, сформировался под огромным и в ряде случаев решающим воздействием гидрологических процессов. Помимо, пожалуй, ветровой эрозии, во всех других проявлениях экзогенных природных процессов непосредственная или косвенная роль воды очевидна: физико-химическое выветривание горных пород немыслимо без участия воды; эрозионно-аккумулятивные процессы на суше, абразия морских берегов, формирование дельтовых равнин и шельфа, подводных каньонов и глубоководных конусов выноса - все это результат мощного воздействия гидрологических процессов. Эрозионно-аккумулятивные процессы в речных бассейнах изменяют горные системы, сформировавшиеся в результате эндогенных процессов (тектоника, вулканизм и др.).

В современном рельефе суши многочисленные формы обязаны своим происхождением эрозионной, транспортирующей и аккумулирующей роли текущей воды (овраги, речные долины, русла рек и их поймы и т.д.). Песчаные пустыни Средней Азии и Африки, лессовые плато в Азии - также, по-видимому, результаты аккумулятивной работы древних рек. Ледники также создают при своем движении специфические формы рельефа (троговые долины, моренные холмы, гряды и т.д.).

Взаимосвязь природных вод и биосферы. Биосфера, согласно учению В.И. Вернадского, - это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Биосфера охватывает часть атмосферы, поверхностные воды и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны сложными биохимическими процессами, - миграцией вещества и энергии. Как было показано выше, в появлении на Земле жизни, ее развитии и распространении ведущая роль принадлежит воде. Границы биосферы и гидросферы практически совпадают.

Размещение организмов на планете в целом подчиняется климатической зональности, но существенно зависит от наличия воды и ее физико-химических свойств. Основной средой обитания животных служит океан. Растения заселяют и океан и сушу; в последнем случае их распространение во многом определяется тремя факторами: поступлением тепла, характером почв и, что особенно важно, наличием воды.

Водные объекты служат местом обитания многих организмов гидробионтов. По месту обитания и характеру перемещения бионты подразделяются на планктон (организмы, находящиеся в водной толще во взвешенном состоянии, не способные самостоятельно перемещаться на большие расстояния и переносимые в основном течениями), нектон (животные, обитающие в водной среде, приспособленные к активному плаванию и способные самостоятельно перемещаться в пространстве на большие расстояния), бентос (организмы, обитающие на дне), нейстон (организмы, прикрепляющиеся к поверхностной пленке воды и передвигающиеся по ней сверху - эпинейстон или снизу - гипонейстон).

Планктон подразделяют на фитопланктон (различные водоросли), зоопланктон (простейшие, кишечнополостные, ракообразные и др.) и бактериопланктон (бактерии). Нектон представлен в водной среде высшими животными (киты, тюлени и др.), рыбами и некоторыми моллюсками.

Бентос подразделяют на фитобентос (высшие водные растения) и зообентос (живущие на дне черви, моллюски, иглокожие и др.). К нейстону относятся простейшие, одноклеточные водоросли, клопы-водомерки, жуки-вертячки, личинки насекомых и др.

Растения, живущие в воде, подразделяют на гидрофиты (растения, погруженные в воду только своей нижней частью) и гидратофиты (растения, погруженные в воду полностью или большей своей частью).

Решающее влияние на жизнь гидробионтов оказывают условия их питания. Часть гидробионтов относится к автотрофным организмам, развивающимся путем поглощения из воды растворенных веществ или синтеза органического вещества в присутствии света (например, фитопланктон). Автотрофные организмы (в основном зеленые растения) также называют продуцентами. Организмы, питающиеся готовым органическим веществом, т.е. другими растительными или животными организмами, называются гетеротрофными (рыбы, ракообразные, водные млекопитающие и др.). К гетеротрофам относятся также бактерии, грибы, питающиеся органическим детритом. Гетеротрофные организмы иногда называют консументами: это макроконсументы (в основном животные) и микроконсументы, или деструкторы (в основном бактерии).

Основными количественными показателями интенсивности биологических процессов в водных объектах служат биомасса и продукции.

Биомасса - это общее количество органического вещества в живых организмах в данном водном объекте и в данный момент времени. Биомассу выражают либо в единицах массы, либо относят к единице объема воды (г/м³) или площади дна (г/м², кг/га). Увеличение биомассы связано с ростом и размножением организмов, перемещением из смежных районов, уменьшение - с гибелью, перемещением за пределы рассматриваемого объекта, изъятием для хозяйственных нужд (выловом).

Свойство водных объектов воспроизводить органическое вещество в виде живых организмов называется биологической продуктивностью, количественной характеристикой которой служит продукция, т.е. приращение биомассы за некоторый интервал времени.

При этом важнейшую роль играет так называемая первичная продукция, т.е. органическое вещество, создаваемое автотрофными организмами, в основном в процессе фотосинтеза. Гетеротрофные организмы лишь преобразуют органическое вещество.

Противоположного характера процесс связан с деструкцией, или разложением органического вещества, ведущим механизмом которого являются окислительные процессы. Разложение органического вещества может быть полным, и тогда продуктами его распада будут С0₂, NH₄, Н₂0 и др., или неполным. В последнем случае не полностью разложившиеся остатки растительности формируют слои торфа, сапропелита, горючих сланцев, бурого и каменного угля, а остатки водных живых организмов (в первую очередь беспозвоночных) - слои органогенных морских осадочных пород, например известняки, состоящие из раковин фораминифер, кораллов, брахиопод, моллюсков и т.д.

Водные объекты по условиям питания гидробионтов подразделяют на олиготрофные (биогенных веществ мало, планктон развит слабо), евтрофные (большое содержание биогенных и органических веществ, бурно развивается фитопланктон), дистрофные (в воде содержатся вредные для развития жизни вещества, наблюдается недостаток кислорода), мезотрофные (водные объекты со средними условиями питания).

Евтрофирование - это процесс повышения биологической продуктивности водных объектов в результате накопления биогенных веществ под действием естественных или антропогенных факторов.

В результате усиленного развития в водном объекте растений и микроорганизмов, а затем их гибели ухудшается качество воды - уменьшается ее прозрачность, появляются неприятные вкус и запах, повышается величина рН, возникают дефицит кислорода и заморные явления.

Полагают, что евтрофирование водных объектов начинается, если содержание фосфора в воде превысит, по некоторым данным, 10-30 млг/л. Благоприятным условием для развития водных организмов отвечает содержание кислорода в воде не менее 4 мг/л.

Вода как важная часть входит в состав всех организмов в количестве от 60 до 99,7%. В наземных растениях 70-90% воды, в водорослях 90-98%. Медузы на 95-98% состоят из воды, в рыбах ее около 70%. Млекопитающие содержат 63-68% воды. Сам человек на 65% состоит из воды.

Вода также необходима для жизнедеятельности организмов: ее потребляют и животные и растения. Огромные объемы воды фильтруют самые распространенные на Земле животные - беспозвоночные (простейшие, кишечнополостные, моллюски, губки, ракообразные и др.), живущие в водах океана и водоемов суши. Большие количества воды (близкие к величине речного стока) пропускают через себя растения. Главный механизм этого процесса - поднятие воды по капиллярам тканей растений и транспирация (физиологическое испарение).

Водные экосистемы могут быть подразделены не только на упомянутые выше типы, но и по иерархической подчиненности: глобальная экосистема Мирового океана вместе с речной сетью его водосбора; изолированные водные экосистемы областей внутреннего стока; крупные водные объекты (океаны, речные системы); отдельные реки, озера, моря, водохранилища, болота; их крупные части (притоки, дельты, заливы, лагуны, лиманы, эстуарии и др.); экосистемы самого низкого ранга (элементы водоемов и водотоков - экосистемы плесов, литорали, пелагиали и т.д.).

По данным Ю. Одума (1986), водные экосистемы принадлежат к числу самых биопродуктивных на планете. Наибольшей удельной (на 1 м² площади) биопродуктивностью обладают эстуарии, влажные тропические леса, районы морского апвеллинга (подъема вод), т.е. экосистемы, в которых вода играет важнейшую роль. Общая же валовая первичная биологическая продукция распределяется между сушей и Мировым океаном приблизительно в пропорции 60:40%. Ю. Одум отмечает также, что малая биопродуктивность некоторых экосистем (например, пустынь) связана прежде всего с недостатком воды.

Существенным недостатком определений Геккеля, Тенсли и многих других, касающихся экологии и экосистем, является отсутствие в них упоминания о человеческом обществе и его хозяйственной деятельности. В позапрошлом и начале прошлого века это, возможно, было оправдано, поскольку человек (не биологический вид, а социально-экономический фактор) еще слабо взаимодействовал как с живой, так и с неживой природой. В наши дни человеческое общество и его хозяйственная деятельность становятся мощнейшим экологическим фактором, причем действующим в двух направлениях: с одной стороны, человеческое общество, обеспечивая себе необходимые условия жизнедеятельности и социально-экономического развития, активно использует как абиотические, так и биологические ресурсы природы, с другой - преобразует и те и другие ресурсы, изменяя и регулируя их, а нередко и нарушая экологическое равновесие.

Поэтому водную экосистему (т.е. экосистему, в структуре и функционировании которой ведущая роль принадлежит воде) следует рассматривать как систему, состоящую из трех самостоятельных, но активно взаимодействующих компонентов:

- абиотическая часть водной экосистемы, т.е. вода с содержащимися в ней растворенными (включая газы) и взвешенными веществами, грунты дна и берегов водных объектов;

- биотическая часть экосистемы, т.е. все гидробионты и их комплексы - биоценозы;

- человеческое общество и его хозяйственная деятельность.

К числу характеристик абиотической части водных экосистем, имеющих наибольшее экологическое значение как для развития водной биоты, так и для обеспечения жизнедеятельности человека и его хозяйственной деятельности, необходимо прежде всего отнести: температуру, минерализацию (соленость) и мутность воды; содержание в ней химических веществ, в том числе биогенных, органических и загрязняющих; концентрацию кислорода и диоксида углерода; скорости течения; интенсивность водообмена между различными частями водного объекта; уровни воды и площади заливания поймы; ледовые явления. Изучением пространственно-временной изменчивости этих экологически значимых характеристик и занимается гидрология.

Часть 2. Процессы и компоненты в водных системах

Модуль 2.1. Водные экосистемы, процессы и компоненты природных вод

Вы будете изучать

- Понятия и термины водных экосистем.

- Процессы и компоненты природных вод.

- Процессы формирования поверхностного стока. Грунтовое питание рек.

- Уровенный и скоростной режим рек

- Тепловой режим и условия освещенности.

- Взвешенные и растворенные вещества.

- Физико-химические реакции в природных водах.

- Растворение газов.

- Биологическая продукция экосистем рек

Цели модуля

- Изучить основные термины и понятия в сфере водных экосистем.

- Рассмотреть процессы формирования природных вод и их компоненты.

- Дать представление об уровенном, скоростном, тепловом режимах рек, основных физико-химических реакциях.

- Обсудить биологическую продуктивность экосистем рек.

После изучения модуля вы сможете

- Иметь представление о водных экосистемах и процессах, проходящих в них.

- Знать основные закономерности формирования поверхностной и грунтовой составляющих питания рек.

- Проводить анализ и оценку уровенного, скоростного, теплового режимов рек, основных физико-химических реакций.

Основная литература

- Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Учебник. / 12-е изд., доп. и перераб. - Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 602 с.

- Лиходед В.М. Экология: Учебное пособие/ В.М. Лиходед, В.Н. Лиходед. - Ростов-на-Дону, 2009. - 253 с.

- Колесников С.И. Экологические основы природопользования: Учебник/ С.И. Колесников. - Москва, 2009. - 304 с.

- 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).

Дополнительная литература

- Латышенко К.П. Экологический мониторинг: Лабораторный практикум/ К.П. Латышенко. - Москва, 2008. - 108 с.

- Трушина Т.П. Экологические основы природопользования: Учебник/ Т.П. Трушина. - Ростов-на-Дону, 2009. - 407 с.

- Бондаренко Ю.В., Афонин В.В. Справочник по водному хозяйству / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». - Саратов, 2009. - 176 с.

Ключевые слова

Экосистема, геоэкосистема, гидроэкология, реопланктон, гетерогенность, ветвистоусые рачки, грунтоеды, детритофаги, хирономид и симулиид, аллахтонное, перифитонное и эпифитонное.

Водные экосистемы

Понятие «экосистемы», в частности водные, неразрывно связано с представлением об экологии как комплексе наук: экосистемы - это предмет изучения экологии. Термин «экология» был впервые предложен в 1866 г. немецким зоологом Э. Геккелем; экологию он определил как общую науку об отношениях организмов к окружающей среде. Понятие «экосистема» было введено в науку в 1935 г. английским ботаником А. Тенсли. Согласно его определению, экосистема - это природный комплекс, образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания, связанными между собой обменом веществ и энергии. Многие трактовки понятий «экология» и «экосистема», появившиеся в последующее время, являются в той или иной степени модификациями терминов, предложенных Геккелем и Тенсли.

Согласно Ю. Одуму (1986), все природные экосистемы подразделяются на три группы: наземные (тундра, леса разного типа, степи и пустыни), пресноводные (озера, реки, болота) и морские (океан, шельф, эстуарии, соленые марши). Из этого перечня видно, что водные экосистемы очень распространены и служат важными компонентами природной среды Земли. Изучать водные экосистемы призвана гидроэкология (водная экология) как часть общей экологии (или геоэкологии). В состав гидроэкологии входит и гидрология.

Речной бассейн представляет собой единую и достаточно автономную целостную геоэкосистему, основные элементы которой связаны текущими природными водами. Изучение процессов функционирования этой системы, ее устойчивости, динамики эволюции и развития позволит разработать и создать правильные и экологически безопасные методы управления рациональным водопользованием.

Бассейн реки включает в себя две относительно самостоятельные, но постоянно взаимодействующие подсистемы: водосбор и реку. Поэтому условно их можно рассматривать каждую в отдельности.

Совокупность живых сообществ, воды и русла составляет экосистему реки. Обладая определенной обособленностью и специфичностью, она представляет собой подсистему экосистемы водосбора. Экосистемы рек весьма разнообразны и зависят от физико-географических условий: геологических, почвенных, климатических.

Экосистема реки формируется под большим влиянием водосбора и физико-географических условий территории в целом, также велика роль внутри водоемных процессов. Они существенно изменяют воздействие водосбора и формируют специфические черты экосистемы реки. Изменение физических и химических характеристик водотока привлекает к себе соответствующие этим условиям живые организмы, которые вытесняют предшествующих. Дальнейшее преобразование среды обитания воздействует на живые организмы и происходит новая замена. Под влиянием хозяйственной деятельности на водосборе и в русле экосистема реки изменяется. Поступающие в реки загрязнения и токсичные вещества коренным образом преобразуют экосистему реки. Из объекта с активной жизнедеятельностью различных организмов она превращается в приемник отходов производства. Восстановление экосистемы реки может быть эффективным только при одновременном проведении мероприятий на водосборе и в самой реке. Односторонние мероприятия могут смягчить ситуацию, но не обеспечат желаемого результата.

Процессы и компоненты природных вод

Биотические сообщества рек. Население рек не всегда характеризуется значительным видовым разнообразием. Из отдельных экологических группировок значительного числа в реках достигает перифитон, планктон, бентос и нектон, а нейстон и плейстон вследствие турбулентного движения воды могут отсутствовать.

Планктон рек, или реопланктон, характеризуется гетерогенностью происхождения, так как образуется за счет автохтонных и аллохтонных элементов. Аллохтонный планктон, заносимый в реку поверхностными водами, попадая в новые условия, изменяется. Становление специфики речного планктона начинается с момента неодинакового выноса форм, в разной степени противостоящих сносу. По этой причине фитопланктон выносится в реки сильнее, чем зоопланктон, а в последнем коловратки как менее активные пловцы представлены относительно богаче, чем ракообразные. В дальнейшем среди организмов реозоопланктона в более благоприятных условиях оказываются коловратки и ветвистоусые рачки, способные размножаться партеногенетически и потому не нуждающиеся в обеспечении встречи особей разного пола. Ветвистоусые рачки менее приспособлены к существованию в речных условиях. Минеральная взвесь засоряет их отцеживающий аппарат, а также, попадая в кишечник, ухудшает возможности питания и плавания животных.

Видовое разнообразие реопланктона обычно возрастает с продвижением от истоков к устью реки. Короткие реки могут быть практически лишены фито- и зоопланктона и в толще воды присутствует только бактериопланктон. Численность бактерий в речной воде претерпевает значительные сезонные изменения, обнаруживая максимум во время пика паводка. Заметное повышение численности бактерий прослеживается в реках ниже очагов загрязнения органическими веществами.