Методологические основы гидрофизики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение. Методологические основы гидрофизики

гидрофизика водный объект природный

1. Исторические основы и структура гидрофизики как науки

Одной из важнейших особенностей развития современной науки является возникновение очень сложной иерархии специализированных дисциплин. Основной причиной, породившей тенденцию к раздроблению науки на узкие специальности, по мнению Дж. Клира, является «ограниченность возможностей человеческого разума. Поскольку объем знаний стал больше того, который человек в состоянии воспринять, всякое увеличение знания необходимо приводит к тому, что человек может охватить все меньшую его часть. Чем глубже это знание, тем более специализированным оно должно быть». Расширение и многообразие человеческих знаний о гидросфере привело к созданию сложной иерархии специализированных научных дисциплин о воде, учитывая ее первичный характер в физике многих природных процессов.

За последнее столетие накоплено и обобщено много сведений, которые существенно изменили подходы ученых и специалистов к пониманию процессов, происходящих в водных системах. Имея в виду практическую направленность исследований различных форм воды, заключающуюся в изучении взаимодействия природной воды с деятельностью человека, в ХХI веке актуальным становится вопрос о необходимости детального физического и математического описания свойств и процессов, обеспечивающих понимание поведения водных, ледяных и снежных масс, с последующим выходом на решение конкретных практических задач, стоящих как перед специалистами-гидрологами (в исследовании проблем, связанных с водными объектами на поверхности суши), гидротехниками (в части освоения водных ресурсов и безопасной эксплуатации гидротехнических сооружений), гляциологами, климатологами и метеорологами (в части динамики водных масс, ледниковых и снежных покровов и прогнозов погоды), океанографами (в описании морских вод и льдов), строителями (в вопросах использования льда как строительного материала).

Сложность, многообразие и широкий круг таких задач потребовали при их рассмотрении применения детального геофизического подхода. Поэтому вода в различных ее состояниях, как основная часть гидросферы Земли, стала объектом исследований гидрофизики - геофизической науки, изучающей физические процессы, протекающие в водной оболочке Земли - гидросфере.

Гидрофизика разделяется на физику моря и физику вод суши (состоящую из физики поверхностных вод и физики подземных вод). Последняя исследует процессы, протекающие в водных объектах на материках (реках, озерах, водохранилищах, подземных водах и т.п.), а также термические и динамические процессы, обусловливающие изменения запасов влаги в речных бассейнах.

Научные проблемы гидрофизики неразрывно связаны с одной из физико-географических наук - гидрологией, изучающей природные воды, явления и процессы в них протекающие.

Физика подземных вод в настоящем курсе не рассматривается, так как в учебном плане направления подготовки дипломированного специалиста «Водные ресурсы и водопользование», включающего в себя специальности 320600 - «Комплексное использование водных ресурсов» и 311600 - «Инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения», предусмотрен курс «Геологии и гидрогеологии», в котором она изучается.

Гидрофизические основы передвижения влаги в почве, в том числе уравнения влагопереноса в почвогрунтах, также не рассматриваются в данном курсе, так как эти вопросы подробным образом изучаются в курсах «Почвоведение» и «Мелиорация земель».

Примерно с середины 30-х годов ХХ в., когда в Америке, Северной Европе и бывшем СССР начинают интенсивно осваивать водные и энергетические ресурсы, в связи с чем возникает целый ряд задач по количественной оценке термических и ледовых явлений на реках и водохранилищах, важным самостоятельным разделом внутри гидрофизики становится гидротермика, в которой рассматриваются тепловые процессы, протекающие в водоемах, водотоках, почвах и грунтах, ледовом и снежном покровах, а также других объектах. Одной из задач гидротермики является установление общих закономерностей, которым подчиняются температурные поля, а также изучение распространения теплоты в водных ламинарных и турбулентных потоках. Гидротермика своим возникновением и развитием обязана в первую очередь трудам норвежского исследователя О. Девика, первым предложившим производить расчет температуры воды в реке по тепловому балансу путем определения составляющих теплообмена, и русских ученых - Л.Ф. Рудовица, Н.М. Бернадского, В.Я. Альтберга, К.И. Россинского, В.В. Пиотровича, Б.В. Проскурякова и других.

В 1970-1990-ые годы наибольшее внимание вопросам термического и ледового режимов рек, озер и окраинных морей уделялось в работах ученых Института водных проблем РАН (В.К. Дебольского, Е.И. Дебольской и др.), Института гидродинамики и Института водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН (О.Ф. Васильева, А.В. Зиновьева, В.И. Квона и др.), МГУ им. М.В. Ломоносова (В.В. Пуклаков и др.).

Современные тенденции развития гидротермики водных объектов состоят, прежде всего, в поисках аналитического представления гидрофизических процессов в водоемах и водотоках, а при невозможности такого представления - в описании этих процессов с помощью статистических характеристик. В настоящее время активно формируются пути дальнейших исследований и поисков решения многих гидротермических проблем, в том числе с учетом нелинейных эффектов, нестационарности процессов, их многофакторности, а также современных экологических требований к хозяйственному освоению водных объектов.

Широкое развитие в 1960-1980-ые годы проектирования, строительства и эксплуатации гидротехнических сооружений в зимних условиях, особенно в районах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, потребовало от специалистов-гидрофизиков, гидрологов и гидротехников из института «Гидропроект»(Я.Л. Готлиб), ГГИ (Р.В. Донченко, А.Н. Чижов), ВНИИГ им. Б.Е. Веденееева (А.И. Пехович, В.Н. Карнович, И.Н. Шаталина, Г.А. Трегуб) разработки надежных методов расчета и прогноза зимнего термического и ледового режимов водохранилищ, каналов и рек. Это привело к закономерному появлению в составе гидротермики, а, следовательно, и гидрофизики, нового самостоятельного раздела - гидроледотермики, базирующейся на достижениях гидротермики, мерзлотоведения, хладотехники и охватывающей термические вопросы воздействия и использования тепла, холода и льда в строительстве и технике.

Таким образом, работами ведущих ученых и специалистов ХХ столетия гидрофизика из преимущественно описательной науки, располагавшей в начале прошлого века лишь некоторым запасом эмпирических формул, была переведена в разряд дисциплин физики и инженерного дела, рассматривающих природные явления и техногенные гидрофизические процессы в водных объектах и средах с позиций глубокого системного анализа, правильной постановки задач и комплексного их решения.

2. Системно-методологические основы и проблемы гидрофизики

Жизнь на Земле появилась из вод Мирового Океана и развивается благодаря использованию воды. Практически все современное многоотраслевое мировое хозяйство заинтересовано в использовании воды в любой форме и различных объемах. Россия не является в этом смысле исключением. Однако большая часть водных ресурсов нашей страны сосредоточена в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока, освоение которых осуществлялось на протяжении последних ста лет и тесно связано с развитием гидротехники, гидроэнергетики, водного хозяйства и транспорта. Обычно с объектов гидротехники и транспорта начинается освоение новых отдаленных районов, на базе которых затем формируются крупные территориально-промышленные комплексы. Инженерные сооружения, возводимые для этих целей (гидроузлы, мосты, порты и др.), должны быть надежны и безопасны, а поэтому при их проектировании, строительстве и эксплуатации, в первую очередь, необходимо учитывать особенности термического и ледового режима водных объектов (рек, озер и морей). Решению этих проблем мы во многом обязаны знаниям, накопленным гидрофизикой, которые развивались главным образом в связи с потребностями гидротехнического и транспортного строительства.

В настоящее время, когда наши знания о земных геосистемах и влиянии на них хозяйственной деятельности человека (геотехносистемах) становятся более обширными и разнообразными, когда в науку активно внедряются уникальные по своим возможностям информационные технологии, гидрофизика, как самостоятельная наука, характеризуется сменой парадигм (от греч. paradeigma - образец, пример - строго научная теория, воплощенная в системе понятий, выражающих существующие черты действительности; исходная концептуальная схема, модель постановки проблем и их решения, методов исследования, господствующих в течение определенного исторического периода в научном сообществе). Смена парадигм должна сопровождаться и сменой методологии.

Под методологическими основами понимается совокупность исходных идей, понятий и принципов, включающая такие составляющие каждой из наук, как концепция (определенный способ понимания, трактовки каких либо явлений, основная точка зрения, руководящая идея для их освещения), объект (имя предмета) и предмет (все то, что может находиться в отношении или обладать каким либо свойством), которые, в свою очередь, способствуют логической организации научной и практической деятельности, целью которой является описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет изучения.

Основные положения концепции гидрофизики включают в себя следующее.

В основу ее содержания положены знания из фундаментальных и прикладных разделов геофизики, гидрологии, гидрогеологии. Основой для изучения курса являются такие дисциплины как физика, высшая математика, гидромеханика (механика жидкости и гидравлика) и др.

Концепция гидрофизики предполагает, что как наука она изучает физические основы природных и техногенных процессов и явлений, возникающих и протекающих в водной среде и грунтах земной гидросферы.

Глобальными объектами гидрофизики как науки являются:

природные системы (водных объектов (озер, незарегулированных водотоков, болот), почвогрунтов, ледников и др.), которые обладают рядом фундаментальных свойств: пространственно-временной эволюционной изменчивостью, дискретностью, организованностью;

природно-технические и технические системы (зарегулированные водоемы и водотоки совместно с гидротехническими и другими сооружениями и инженерно-техническими объектами).

Учитывая, что основным методом исследования уровней организации природных и природно-технических систем выступает системный анализ, а каждая такая система может выступать в качестве объекта исследований различных научных дисциплин, то предметом исследований гидрофизики будут являться те или иные аспекты этих систем. Для гидрофизики - это изучение:

· молекулярного строения воды во всех ее состояниях (жидком, твердом, газообразном);

· физических свойств воды, снега и льда - тепловых, радиационных, электрических, радиоактивных, акустических, механических;

· процессов, происходящих в водоемах и водотоках - динамических (течения, волны, приливы и отливы), термических (нагревание и охлаждение водоемов, испарение и конденсация, образование и таяние льда и снега), а также оптических, связанных с распространением, поглощением и рассеянием света в толще воды, снега и льда.

Поэтому вода и ее различные состояния в природных и природно-технических системах могут рассматриваться гидрофизикой как один из самостоятельных первичных объектов исследования.

Гидрофизика имеет большое хозяйственно-экономическое и экологическое значение.

Особенно велика ее роль в гидротехническом строительстве и гидроэнергетике, сельском хозяйстве (в том числе, в гидромелиорации). В настоящее время невозможно себе представить проектирование ни одного гидротехнического сооружения без использования методов, созданных и накопленных гидрофизикой. Так, например, современный расчетный прогноз ледового режима бьефов проектируемых гидроузлов основывается на тепловых расчетах, созданных гидрофизикой. Установление возможного давления ледяного покрова на гидротехнические и транспортные сооружения, вызванного расширением льда при повышении температуры, нагревание и охлаждение водоемов, формирование и таяние ледяного и снежного покровов также производится методами, разработанными гидрофизикой. Без привлечения гидрофизики немыслимо проектирование гидротехнических сооружений и других сооружений на вечной мерзлоте. Практическая деятельность в области гидрофизики направлена на сохранение и улучшение экологических условий при гидроэнергетическом и водохозяйственном освоении регионов страны.

Размещено на Allbest.ru