Полная версия

Главная arrow Экология arrow Науки о Земле

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ГИДРОЛОГИЯ

Гидрология (от гидро - вода и логос - наука) - наука, занимающаяся изучением природных вод, явлений и процессов, в них протекающих. Гидрология, являясь наукой геофизической, тесно соприкасается с науками географических, геологических и биологических циклов. Предмет изучения гидрологии - водные объекты: океаны, моря, реки, озёра, водохранилища, болота, скопления влаги в виде снежного покрова, ледников, почвенных и подземных вод.

Основные проблемы современной гидрологии:

  • - исследование круговорота воды в природе, влияния на него деятельности человека и управление режимом водных объектов и водным режимом территорий;
  • - пространственно-временной анализ гидрологических элементов (уровня, расходов, температуры воды и др.) для отдельных территорий и Земли в целом;
  • - выявление закономерностей в колебаниях этих элементов.

Основное практическое приложение гидрологии заключается в

оценке современного состояния водных ресурсов, прогнозе их будущего состояния и в обосновании их рационального использования.

В связи со специфическими особенностями водных объектов и методов их изучения гидрология разделяется на океанологию (гидрология моря), гидрологию суши, или собственно гидрологию (точнее, гидрология поверхностных вод суши), гидрогеологию (гидрология подземных вод).

Первоначально гидрология развивалась как отрасль физической географии, гидротехники, геологии, навигации и как система научных знаний оформилась только в начале XX в. Определение гидрологии как науки дал В. Г. Глушков (1915 г.). В ее формировании большую роль сыграло учреждение в 1919 г. Гидрологического государственного института. Современная гидрология широко пользуется методами, применяемыми в географии, физике и других науках; всё больше возрастает роль математических методов и моделирования на ЭВМ.

Круговорот воды на Земле - непрерывное перемещение воды в земной коре, гидросфере и атмосфере, сопровождающееся её фазовыми превращениями и имеющее более или менее выраженный циклический характер. Круговорот воды состоит из испарения воды с подстилающей поверхности, переноса её с места испарения воздушными течениями, конденсации водяного пара и выпадения осадков, а также перемещения вод в водоёмах, по поверхности суши и внутри земной коры. Основная масса воды испаряется с поверхности Мирового океана и на неё же выпадает, меньше переносится воздушными течениями с океана на сушу. Масса влаги, испарившейся с поверхности суши и вынесенной в океан воздушными массами, незначителена. Количественно круговорот воды есть водный баланс. В зависимости от места испарения воды и выпадения осадков, а также от путей её переноса различают малый круговорот:

море (океан) —» атмосфера —>• море (океан) и большой круговорот:

океан —» атмосфера —» суша —» океан.

На континентах влага многократно испаряется, переносится в атмосфере, конденсируется, вновь выпадает в виде осадков и вновь испаряется. Этот комплекс процессов называется внутриматериковым круговоротом. Для замкнутых межгорных котловин характерен внутренний круговорот влаги. Круговорот воды на Земле - часть общего комплекса процессов круговорота веществ на Земле.

Водный режим - изменение во времени расходов воды рек, уровней и объёмов воды в реках, озёрах, водохранилищах и болотах. Водный режим тесно связан с сезонными изменениями климата. В районах с тёплым климатом основное влияние на него оказывают атмосферные осадки и испарение; в районах с холодным и умеренным климатом очень существенна роль температуры воздуха.

Водный режим рек проявляется в виде суточных, декадных, месячных, сезонных и многолетних колебаний; слагается из ряда характерных периодов (фаз), зависящих от сезонных изменений условий питания рек. Различают следующие фазы водного режима: половодье, паводки и межень. Режим питания рек неравномерен в течение года вследствие неравномерности выпадения атмосферных осадков, таяния снега и льда и поступления их вод в реки. Наблюдаемые колебания уровня воды вызываются в основном изменением величины расхода воды, а также действием ветра, ледовых образований, хозяйственной деятельностью человека.

Водный режим озёр определяется соотношением между количеством осадков, выпадающих на водную гладь озера, испарением, поверхностным и подземным притоком воды в озеро, поверхностным и подземным стоком воды из озера; размерами озера, его формой, закономерностью изменения площади водного зеркала при изменении уровня воды, деятельностью ветра, определяющей размеры волн, высоту сгонов и нагонов этого уровня. Колебания уровня озера могут быть сезонные, годовые и кратковременные.

Водный режим болот определяется климатическими и гидрологическими условиями, рельефом местности, характером растительности. Хозяйственная деятельность человека вносит всё большие изменения в водный режим.

Живое сечение в гидравлике - сечение потока жидкости (в трубопроводе, канале, речном русле и др.), перпендикулярное направлению скорости её течения. При плавно изменяющемся движении жидкости живое сечение считается плоским и равным площади поперечного сечения потока.

Водомерный пост - устройство для систематического измерения уровня воды на реках, морях, озёрах, каналах. Состоит из приспособления для отсчёта уровня воды и реперов - геодезических сооружений, закрепляющих положение точки, высота которой определена. Реечные водомерные посты оборудованы деревянной или металлической рейкой с делениями, прикреплённой вертикально к сооружению (мосту, плотине и т. п.), а свайные водомерные посты - сваями, забитыми перпендикулярно к берегу. Если подход к рейке затруднён (например, из-за крутого берега), устанавливают передаточные водомерные посты, которые позволяют производить отсчёт на расстоянии. Для непрерывной записи колебаний уровня служат самопишущие приборы - самописцы уровня воды. Дистанционные водомерные посты оборудованы механическими, электрическими, радио- или другими системами, передающими показания уровня к месту отсчёта. Наблюдения на водомерных постах производятся ежесуточно в определённые, строго установленные сроки.

Гидрологическая станция - 1) производственный орган гидрометеорологической службы, осуществляющий наблюдение и изучение гидрологического режима водных объектов и территории (на реках -уровень воды, ее температура, скорость течения, мутность, ледовые явления и др.). Гидрологические станции имеют пункты наблюдений (посты), оборудованные соответствующими устройствами и приборами. Гидрологические станции подразделяются на речные, озёрные, болотные, воднобалансовые, снеголавинные, селестоковые, ледниковые, морские; 2) пункт в какой-либо одной точке моря (озера) с известными координатами, где с судна проводится серия гидрологических наблюдений: исследование состояния моря (озера) и погоды, прозрачности и цвета, температуры и химического состава воды на различных глубинах, а также направления и скорости течения.

Гидрологические карты - карты, отображающие распределение вод на земной поверхности, характеризующие режим водных объектов и позволяющие оценить водные ресурсы отдельных частей суши. К гидрологическим картам относятся:

  • - карты речной сети, её густоты и озёрности;
  • - карты стока;
  • - карты источников питания, ледового режима, мутности воды в реках, минерализации и химического состава природных вод, некоторых характерных явлений - пересыхания и перемерзания, наводнений;
  • - карты составляющих водного баланса;
  • - карты испарения с поверхности суши и водной поверхности, коэффициента стока;
  • - карты гидрологического районирования и перспектив использования водных ресурсов.

Особенности режима озёр и водохранилищ отображаются на специальных картах, аналогичных морским картам. Основными гидрологическими картами являются карты стока (среднего, максимального и минимального). Для оценки водных ресурсов территории наиболее существенна роль карты распределения среднего многолетнего стока (нормы). Сток отдельных рек показывают на карте водоносности в виде масштабной полосы, соответствующей величине стока в разных створах. Карта водоносности характеризует отдельные реки; сток с территории (и её увлажнённость) хорошо отражают карты модуля стока (в л/с-км“) и слоя (в мм/год, в месяц, сезон). В условиях малой гидрометеорологической изученности территории гидрологические карты являются наиболее надёжными источниками информации о водных ресурсах.

Впервые карта стока была составлена в США в 1892 г. Ф. Ньюэллом. В нашей стране первую карту стока (весеннего половодья притоков Днепра) опубликовал П. Н. Лебедев (1925 г.). В 1927 г. Д. И. Ко-черин впервые составил карту среднего многолетнего стока Европейской части СССР. В 1937 г. Б. Д. Зайков и С. Ю. Беленков опубликовали карту стока нашей страны. Первая карта стока всего земного шара выполнена М. И. Львовичем (1945 г.). Наиболее полно распределение среднего стока территории бывшего СССР отражено на картах

Б. Д. Зайкова (1946 г.), В. А. Троицкого (1948 г.), а также в Физико-географических атласах мира (1967 г. и в более поздних).

Гидрологические прогнозы - научные (с различной заблаговременностью) предсказания развития того или иного процесса, происходящего в реке, озере или водохранилище. По характеру предсказываемых элементов гидрологического режима гидрологические прогнозы делят на водные и ледовые. К водным гидрологическим прогнозам относятся прогнозы объёма сезонного и паводочного стока, максимальных расходов воды и уровня половодья или паводка, средних расходов воды за различные календарные периоды, времени наступления максимума половодья и др.; к ледовым - прогнозы сроков вскрытия и замерзания рек, озёр, водохранилищ, толщины льда и др.

Гидрологические прогнозы бывают краткосрочные - на срок до 15 суток и долгосрочные - на срок от 15 суток до нескольких месяцев. По целевому назначению различают прогнозы для гидроэнергетики (приток воды в водохранилища гидроэлектростанций), водного транспорта (прогнозы уровня воды по судоходным рекам), ирригации (прогнозы стока рек за период вегетации). Гидрологические прогнозы -один из основных разделов прикладной гидрологии.

Гидрологические расчёты - раздел инженерной гидрологии, занимающийся разработкой методов, позволяющих рассчитать величины, характеризующие гидрологический режим. Результаты расчёта обычно даются в виде средних значений и величин различной вероятности их повторений.

Задачи, решаемые в процессе гидрологических расчетов, можно разделить на следующие основные группы:

  • 1) расчёты стока воды, в том числе нормы годового стока, максимальных расходов половодий и паводков, внутригодового распределения стока, минимальных расходов воды, продолжительности бессточного периода (перемерзания и пересыхания рек), гидрографов половодий и паводков;
  • 2) расчёты гидрометеорологических водных объектов, в том числе испарения с поверхности воды и суши, атмосферных осадков;
  • 3) расчёты водного баланса отдельных водных объектов;
  • 4) расчёты стока наносов, переформирования берегов и заиления водохранилищ;
  • 5) расчёты динамики водных масс, в том числе элементов ветрового волнения;
  • 6) расчёты характеристик термического режима, в том числе сроков замерзания и вскрытия водоёмов, толщины льда и снега, температуры воды;
  • 7) расчёты гидрохимических характеристик, в частности минерализации воды водоёмов и содержания в ней отдельных компонентов. Решение всех этих задач достигается несколькими методами, основ-

ными из которых являются балансовый и метод математической статистики.

Сток в гидрологии - стекание в моря и понижения рельефа дождевых и талых вод, происходящее как по земной поверхности - поверхностный сток, так и в толще почв и горных пород - подземный сток. Процесс стока - составное звено круговорота воды на Земле. Таким образом, сток, являясь прежде всего продуктом климата, влияет на формирование рельефа, геохимические процессы в земной коре, развитие почвенного покрова, распределение растительности и т. п. В свою очередь величина и режим стока зависят от количества и режима осадков, испарения, температурных условий, характера рельефа и геологического строения, почвенного покрова и растительности территории. Со стоком связаны эрозия, естественный дренаж и орошение, перенос и отложение продуктов денудации.

Образующая сток доля атмосферных осадков, не израсходованных на испарение и потребление растениями, находится в обратной зависимости от величины средней температуры воздуха. На равнинах максимум стока наблюдается, как правило, в наиболее увлажнённых лесных зонах на западных и восточных побережьях материков, в горах величина стока возрастает до определённой высоты преимущественно на склонах хребтов, обращенных к влажным воздушным потокам. Характерные периоды формирования стока - половодье, паводок, межень (летняя и зимняя).

Величину стока в течение какого-либо периода времени (года, сезона, месяца ит. п.) выражают высотой слоя стёкшей воды (мм или см), суммарным её объёмом, средним её расходом, модулем стока, модульным коэффициентом стока. Суммарный объём стока (м , км; -количество воды, протекающей через гидрометрический замыкающий створ бассейна. Суммарный объём стока обычно определяют графически, строя график изменения во времени / расходов () за год, который называется гидрографом. С его помощью можно построить интегральную кривую стока, дающую представление о последовательном накоплении объёма воды (например, в водохранилище) с течением времени. Модуль стока - объём стока в единицу времени с единицы площади водосбора; обычно выражается в л/(с-км ) или л/(ста). Модульный коэффициент стока - отношение изменяющейся во времени величины стока к своему среднему значению. Коэффициент стока показывает отношение величины стока к количеству осадков, выпавших на территории за тот же период времени, т. е. какая часть осадков расходуется на образование стока. Кроме стока воды (жидкий сток), определяют сток взвешенных и влекомых по дну наносов (твёрдый сток).

Для изучения процесса стока и количественного определения всех влияющих на него факторов ведутся наблюдения на гидрологических постах и станциях и экспериментальные исследования на стоковых площадках и в лабораториях. Определение численных параметров стока, в том числе при его регулировании, осуществляемое с помощью водохранилищ, является задачей гидрологических расчетов, а также гидрологических прогнозов.

Суммарный объём годового стока рек в Мировой океан составляет 35-40 тыс. км3, из этого объёма около !/з формируется за счёт подземных вод, дренируемых речными долинами (некоторая часть подземного стока поступает непосредственно в океан). Объём годового стока рек в замкнутой части суши составляет около 750 км3 (из них около 320 км' приходится на долю Средней Азии и бассейн Каспийского моря). Суммарная величина годового стока рек нашей страны около 4700 км', значительны также стоки рек Бразилии (Амазонка -5520 км3), Китая (2600 км3), США (2100 км’).

Поверхностный сток - процесс перемещения воды по земной поверхности под влиянием силы тяжести. Поверхностный сток делится на склоновый и русловой. Склоновый сток образуется за счёт дождевых и талых вод, происходит на поверхности склона вне фиксированных путей. Русловой сток проходит по определённым линейным направлениям - в руслах рек, днищах оврагов и балок. В формировании руслового поверхностного стока иногда принимают участие также подземные и грунтовые воды. Поверхностный сток характеризуется объёмом воды, стекающей по поверхности (модуль стока), выраженным в л/с-км или слоем в мм/год или за какой-либо другой период. В России и странах СНГ наименьший модуль стока в засушливых районах равнин Средней Азии - 0-1 л/с-км", наибольший - в горах Западного Кавказа - до 125 л/с-км". Поверхностный сток изменчив во времени: при среднем годовом модуле стока в бассейне реки Ворскла (Украина, левый приток Днепра) 2,1 л/с-км , максимальный модуль весеннего половодья 220 л/с-км"; в Приморье, где модуль среднего стока составляет 8-15 л/с-км", максимальные модули ливневого стока достигают 600-700 л/с-км (и даже более 1000 л/с-км ).

Подземный сток - перемещение подземных вод под действием пьезометрического напора и силы тяжести. Подземный сток является составной частью круговорота воды на Земле и характеризует естественные ресурсы подземных вод, находящихся под дренирующим воздействием рек, озёр, морей или безводных отрицательных форм рельефа. Выражается в виде модуля (л/с-км") или слоя воды (мм/год), а также в м/сутки и км' /год. В практике гидрогеологических исследований обычно определяются модули и коэффициенты подземного стока, показывающие (часто в %), какая часть атмосферных осадков идёт на питание подземных вод. В России и странах СНГ модуль подземного стока изменяется от 0,1-0,5 л/с-км" на равнинах Средней Азии - до 10 л/с-км" в Западном Памире и до 20 л/с-км" на Большом Кавказе.

Океанология, или океанография, - совокупность научных дисциплин о физических, химических, геологических и биологических процессах в Мировом океане. Целесообразность объединения физики, химии, геологии и биологии океана в целостную науку определяется общностью среды, в которой происходят разнородные процессы, многообразными взаимодействиями между ними, общей методологической основой их изучения - исследованием трансформации и обмена энергии и веществ в океане, единством основных технических средств исследования. Главные практические цели океанологии - обеспечение безопасности и повышение эффективности надводного и подводного мореплавания, использование биологических минеральных и энергетических ресурсов вод и дна океана, усовершенствование методов прогноза погоды.

Океанология базируется главным образом на данных судовых измерений:

  • - эхолотного промера глубин с определением места судна методами астрономии, с помощью радио- и специальных навигационных спутников Земли;
  • - гидрологических станций, где на разных глубинах измеряется температура и берутся пробы воды для определения её солёности и других химических, а также оптических характеристик;
  • - измерений поверхностных течений (по сносу судов и методом бутылочной почты) и течений на глубинах (вертушками, подвешиваемыми к заякоренным буям, и поплавками нейтральной плавучести с акустическим прослеживанием);
  • - визуальных оценок волнения и его измерений волнографами;
  • - специальных гидроакустических измерений;
  • - оценок цвета воды и измерений её прозрачности по глубине видимости погружаемого белого диска;
  • - характеристик льдов, проб грунтов, биологических образцов.

Ряд измерений производится на береговых и островных станциях

(уровень моря, приливы, волнение, температура и др.).

Мировой океанографический каталог содержит данные около 200 000 гидрологических станций (исследования проводились преимущественно в Северном полушарии, в прибрежных акваториях океанов, до глубин 500-2000 м и в спокойные сезоны года); около 1000 буйковых станций с инструментальным измерением течений (большинство сведений о глубинных течениях получено расчётным, так называемым динамическим, методом по данным гидрологических станций). Накопленные данные промера глубин обеспечивают составление батиметрических карт основной доли площади океанов не детальнее масштаба 1:10 000 000. Ряд морей и прибрежных акваторий океанов описан более подробно. Описательные данные океанологии являются научной основой работы гидрографических служб по составлению навигационных карт, таблиц, пособий и лоций.

Перспективными методами океанологических исследований являются непрерывные измерения глубинных течений автоматическими буйковыми станциями; измерения характеристик поверхности океана- её рельефа, температуры, ледовитости, волнения, цвета - с помощью искусственных спутников Земли; непосредственное проникновение человека в пределы шельфа в подводных лабораториях (в режиме насыщения дыхательными смесями) и на океанские глубины в герметичных подводных аппаратах.

Физика океана (физическая океанография, физика моря) включает гидротермодинамику, акустику и оптику океана; исследование его радиоактивности (ядерную гидрофизику) и электромагнитного поля в нём. Гидротермодинамика океана занимается изучением его теплового и водного баланса и вариаций уровня; формирования его температурной, солёностной и плотностной стратификации; вертикальной тонкослойной микроструктуры; ледовых условий околополярных морей; синоптических, суточных, сезонных и междугодичных колебаний; динамики ветровых, внутренних и гироскопических волн (волн Россби); инерционных и приливных колебаний и волн цунами; турбулентности и конвекции; молекулярных процессов на поверхности океана. Акустика океана исследует закономерности распространения в нём звуковых волн (главных средств подводного наблюдения и связи) и природные шумы. Оптика океана занимается изучением распространения, рассеяния и поглощения света в его водах.

Крупнейшая проблема физики океана - выяснение закономерностей взаимодействия океана и атмосферы (мелкомасштабного - формирования потоков количества движения, тепла и влаги на поверхности океана и крупномасштабного - взаимосвязи между долгосрочной глобальной изменчивостью океана и атмосферы), образующих основу для долгосрочного прогноза погоды и океанской изменчивости и для теории климата.

Химия океана (химическая океанография) включает гидрохимию его вод и геохимию донных осадков. Гидрохимия занимается количественным исследованием веществ, содержащихся в растворе или во взвеси в водах океана, их элементарного и изотопного состава, ионных и молекулярных форм, физико-химических и биохимических превращений. Особое внимание уделяется солёности воды, растворённым кислороду и углекислому газу, растворам соединений фосфора и азота, кремнекислоте, органическому углероду. Основные проблемы - химический баланс океана (его химический обмен с континентами через речной сток, с атмосферой и дном); идентификация различных водных масс; происхождение и геохимическая эволюция вод океана; извлечение ценных веществ из морской воды; химическое загрязнение океана (нефтью, ДДТ, ртутью, свинцом и др.). Геохимия донных осадков занимается изучением их химического состава, миграций, превращений и концентрирования веществ в них, химических процессов их диагенеза (превращения в горные породы) и формирования осадочных месторождений полезных ископаемых.

Геология океана включает все разделы геологии, геофизики и геохимии в применении к земной коре в области Мирового океана. Непосредственно изучаются рельеф океанского дна; состав и процессы образования современных осадков; стратиграфия, литология, минералогия и геохимия осадочной толщи (с использованием колонок донных отложений, получаемых грунтовыми трубками, и кернов океанского бурения), петрография магматических пород дна; структура слоев земной коры (методами сейсмического зондирования и непрерывного сейсмопрофилирования); тепловой поток через дно, гравитационные и магнитные аномалии и другие геофизические характеристики. Крупнейшие проблемы - исследование полезных ископаемых поверхности и недр океанского дна (нефти, газа, минеральных россыпей, железо-марганцево-полиметаллических конкреций, металлоносных осадков, фосфоритов и др.) и закономерностей формирования их месторождений; геологическая история океанов и глобальная тектоника Земли (формирование срединно-океанических хребтов, океанских плит и глубоководных желобов; раздвижение дна океана, дрейф континентов).

Биология океана занимается изучением его живого населения -планктона, нектона, бентоса и микроорганизмов. Рассматриваются их систематика, физиология, биология развития, биохимия, экология, биогеография, эволюционная история, пищевые взаимоотношения, структура и функционирование биологических сообществ, динамика популяций промысловых организмов. Промысловая океанография исследует влияние океанических факторов на урожайность, численность и поведение морских промысловых организмов, имеет целью разработку океанологических основ промысловых прогнозов. Крупнейшие проблемы биологии океана - бонитировка его акваторий, т. е. оценка биомассы и годовой продукции важнейших видов организмов; управление биологической продуктивностью океана, т. е. искусственное создание повышенной продукции ценных организмов (аквакультура).

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>