В Г Клименко - Загальна гідрологія - страница 2

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23 

10.13.     Хвилювання в океанах і морях........ 150-151

10.14.     Течії в океанах і морях....... 151 -154

10.15.     Припливи і відпливи..... 154-155

10.16.     Ресурси Світового океану та їх використання ............ 155-158

Проблеми охорони вод Світового океану 158-159МОДУЛЬ 1. ВСТУП. ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІВОДИ.

ГІДРОЛОГІЯ РІЧОК ВСТУП

 

Серед дисциплін географічного циклу значне місце посідає гідро­логія - наука про гідросферу. Гідросфера - сукупність усіх вод Землі: материкових (глибинних, ґрунтових, поверхневих), океанічних та атмо­сферних. Верхня межа гідросфери (поверхня океанів, морів, річок, озер, льодовиків і боліт) збігається з поверхнею земної кулі та нижньою ме­жею атмосфери і виражена досить чітко. Нижня межа гідросфери чітко не виділяється, тому що гідросфера іноді проникає в літосферу. Основна частина вод гідросфери ( 96,5 % загального об'єму) припадає на Світо­вий океан. Води суходолу становлять менше 3,0 % загального обсягу гі­дросфери. Усі води на Землі - океанічні, поверхневі і підземні води суші - завдяки променевій енергії Сонця здійснюють єдиний кругообіг води в природі.

Незважаючи на різноманітність видів вод і їхній різний агрегатний стан, гідросфера є цілісною, оскільки всі її частини пов'язані потоками води у вигляді океанічних течій, руслового, поверхневого та підземного стікання, атмосферного переносу. Гідросфера характеризується різнома­нітними зв'язками з іншими сферами Землі: літо-, педо-, атмо- й біосфе­рою. Зв'язок із літосферою здійснюється завдяки (ін)фільтрації поверх­невих, ґрунтових і підземних вод. Атмосферні опади й випаровування вологи з поверхні суходолу та океану свідчать про інтенсивність зв'язків між гідросферою й атмосферою, а процеси фотосинтезу і транспірації є найважливішими об'єднуючими ланками гідро-, педо- й біосфери.

Особлива увага водним ресурсам приділяється в наш час, тому що вони стали виступати важливим природним ресурсом, котрий часто ви­значає можливості розвитку промисловості, організації відпочинку й охорони здоров'я людей.

Теоретично водні ресурси невичерпні, оскільки вони відновлюють­ся у процесі кругообігу. Ще в недалекому минулому вважалося, що води на Землі багато, що, за винятком окремих посушливих районів, людям не слід турбуватися про те, що її може не вистачити. Однак споживання води зростає й перед людством дедалі частіше й частіше виникає про­блема чистої води.

Кількісне виснаження водних ресурсів - це лише один бік пробле­ми. Другий бік - це забруднення вод. Проблема чистої води в багатьох країнах світу є найголовнішою, оскільки діяльність людини призвела до погіршення якості води й режиму річкового стоку, перетворення бага­тьох річок на канали та ланцюг водосховищ і ставків.

Сьогодні при плануванні водогосподарських заходів необхідно враховувати загальний характер, тенденції і розміри втручання людини у природні процеси, реально оцінювати та прогнозувати екологічні, еко­номічні й соціальні наслідки. Зусилля науки та практики мають бути спрямовані на найбільш ефективне використання насправді дорогоцін­ного природного ресурсу і збереження чистоти водних джерел.

 

 

Блок 1. ГІДРОЛОГІЯ ЯК НАУКА. ЇЇ МІСЦЕ У ВИВЧЕННІ ГЕОГРАФІЧНОЇ ОБОЛОНКИ

 

1.1. Предмет вивчення гідрології, її поділ на розділи та значення

 

Гідрологія - наука про природні води, їх властивості та явища і процеси, що в них відбуваються, а також закономірності розвитку цих явищ і процесів у взаємозв'язку з атмосферою, літосферою, і біосферою.

Термін "гідрологія" утворений з латинських слів "гідро" - вода і "логос" - наука. Термін "гідрологія" вперше з'явився у 1694 р. у книзі "Начала учений о водах", виданій Мельхіором у Франкфурті-на-Майні. В самостійну науку гідро­логія сформувалася лише в 20-30-і роки ХХ століття.

Сучасна гідрологія об'єднує в собі окремі науки про складові частини гі­дросфери. До них насамперед належить загальна гідрологія, яка вивчає розпо­діл і кругообіг води на земній кулі, окремі частини гідросфери, взаємозв'язок між ними, найбільш загальні закономірності гідрологічних процесів і явищ, що в них відбуваються, у взаємодії з атмосферою, літосферою й біосферою та під впливом господарської діяльності. Термін загальна вказує на те, що розгляда­ються найбільш загальні питання гідрології і що мова йде про всі водні об'єкти Землі.

Загальна гідрологія за об'єктами вивчення поділяється на дві великі са­мостійні частини: гідрологію моря й гідрологію суші.

Гідрологія моря - це самостійна наука, яка вивчає процеси і явища, що відбуваються у Світовому океані, їхню взаємодію з навколишнім середовищем, а також окремі моря та океани.

Гідрологія моря поділяється на океанологію та океанографію.

Океанологія - наука про Світовий океан; вивчає фізичні, хімічні, геологі­чні й біологічні процеси та явища, які відбуваються у Світовому океані, розчле­нування Світового океану на водні маси, поділ його на райони тощо.

Океанографія - 1) це частина океанології, яка вивчає режим Світового океану і фізико-хімічні особливості морської води; 2) регіональний розділ океа­нології, задачею якої є характеристика окремих частин Світового океану.

Гідрологія суші - розділ гідрології, що вивчає поверхневі води. Залежно від об'єкта вивчення поділяється на великі розділи, яких нараховується понад 30, наприклад, : загальна гідрологія, гідрометрія, гідрографія, інженерна гідро­логія, динаміка вод суші, руслові процеси, гідрофізика, гідрохімія, гідроеколо-гія .

Усі розділи гідрології мають свою специфіку, багато з них уже є самос­тійними науками. Так, до самостійних розділів належать: гідрологія підземнихвод, гідрологія річок, гідрологія озер, гідрологія боліт, гідрологія льодовиків та повітряна гідрологія.

Гідрологія підземних вод (або гідрогеологія) - наука, що вивчає похо­дження, поширення, режим, ресурси і фізико-хімічні властивості підземних вод та розробляє методи їх пошуку та добування для використання.

Гідрологія річок - наука, що вивчає формування стоку річок, водний ре­жим, характеристики річкового стоку, термічний і льодовий режим, хімічний склад води, річкові наноси, руслові процеси тощо.

Гідрологія озер (лімнологія) - наука, яка вивчає гідрологічний режим озер та водосховищ.

Гідрологія боліт - наука, що вивчає походження, поширення, розвиток і гідрологічний режим боліт, фізичні процеси руху вологи в болотах і процеси вологообміну між болотами та довкіллям.

Гідрологія льодовиків (гляціологія) - наука, яка вивчає умови й особли­вості походження, існування та розвиток льодовиків, їхній склад, будову, фізи­чні властивості, геологічну і геоморфологічну діяльність, географічне поши­рення та різні форми взаємодії з навколишнім середовищем.

Повітряна гідрологія (гідроаерологія) - наука, яка вивчає водні процеси в атмосфері - утворення опадів, конденсацію, випаровування, вологість у зв'язку з повітряними течіями, теплообміном, сонячною радіацією тощо.

Вивчення водних об'єктів завжди пов'язане з проведенням різних спосте­режень і вимірювань (рівнів, глибин, витрат води, температури, льодових явищ, швидкостей протікання води, хімічного складу води тощо). Ці вимірювання, не­зважаючи на деяку специфічність у їх проведенні на різних водних об'єктах, мають багато спільного. Гідрометрія - розділ гідрології суші, що вивчає та ро­зробляє методи вимірювання, спостереження за режимом водних об'єктів, об­ладнання та прилади, які застосовуються при цьому, способи опрацювання ре­зультатів спостережень.

Гідрографія - це розділ гідрології суші, що вивчає закономірності геог­рафічного поширення поверхневих вод та описує конкретні водні об'єкти, їх режим та господарське значення.

Важливою дисципліною, котра об'єднує кілька розділів гідрології суші, є інженерна гідрологія. Інженерна гідрологія - розділ гідрології, що займається методами розрахування та прогнозування гідрологічних режимів і пов'язаний з практичним застосуванням гідрології для розв'язання інженерних завдань. На даних інженерної гідрології ґрунтуються проекти використання водних об'єктів для гідроенергетики, зрошення, осушення, промислового і комунального водо­постачання, водного транспорту тощо. Переважно - це область гідрологічних розрахунків. Інколи використовують поняття прикладна гідрологія, до якої ві­дносять не тільки гідрологічні розрахунки, а й гідрологічні прогнози.

Гідрологічнірозрахунки - це розробка методів визначення характеристик гідрологічного режиму і водних об'єктів, необхідних для проектування гідроте­хнічних споруд і планування водогосподарських заходів.

Гідрологічні прогнози - ця наукова дисципліна розробляє методи перед­бачення (прогнозування) гідрологічних характеристик (рівнів, витрат води, за­мерзання, скресання криги тощо) на майбутній період. За характером передба­чення елементів гідрологічні прогнози поділяють на водні та льодові. До вод­них прогнозів відносять прогнози об'єму сезонного і паводкового стоку, мак­симальних витрат і рівнів повені та паводків, середні витрати води за різні ка­лендарні періоди тощо. До льодових прогнозів відносяться прогнози строків скресання й замерзання річок, озер і водосховищ, товщу льоду тощо.

Вода, як усяке природне тіло, має низку фізичних і хімічних властивос­тей, що вивчаються окремими науковими дисциплінами. Так, гідромеханіка та її прикладний розділ гідравліка займаються вивченням законів руху і рівноваги рідин, зокрема, води, та їхньої взаємодії з твердими тілами. Фізичні властивості води як речовини і процеси, що відбуваються у водній масі, вивчає гідрофізика, а наука, що вивчає хімічний склад природних вод і його зміну у часі та просто­рі - гідрохімія, органічне життя у водах - гідробіологія.

Сільськогосподарська гідрологія - розділ гідрології, в якому розгляда­ються гідрологічні умови у їх взаємодії з об'єктами і процесами сільськогоспо­дарського виробництва.

Гідроекологія - учення про взаємозв'язки між гідрологічними, гідрохімі­чними і гідробіологічними процесами у водах, які містяться у різних компонен­тах навколишнього середовища, та впливають на життєдіяльність організмів, мають склад і властивості, сформовані під дією природних і антропогенних фа­кторів [ 6].

Гідрологія належить до таких наук, потреба в яких історично завжди пе­редувала їхньому розвитку як наук. Вода, водні джерела завжди відігравали ва­жливу роль у життя людини. Особливо широке практичне застосування має гі­дрологія в наш час. Адже відомості про водні об'єкти , їхній режим, гідрологіч­ні розрахунки і прогнози елементів водного режиму, кількість і якість води не­обхідні для задоволення потреб річкового і морського транспорту, гідроенерге­тики, зрошувальної і осушувальної меліорації, промислового, комунального і сільськогосподарського водопостачання, рибного господарства, будівництва населених пунктів, промислових підприємств, мостів, доріг, організації відпо­чинку населення і водного спорту, боротьби зі шкідливою дією вод, планування та проведення інших заходів щодо використання водних об'єктів і водних ресу­рсів.

Але на жаль , на планеті є місця, де не можна вирішити найактуальнішу проблему сучасності - проблему водозабезпечення перерозподілом водних ре­сурсів з одного району в інший. Дефіцит прісної води відчувається на території більш ніж 40 країни, які розташовані в аридних та в посушливих регіонах і ста­новлять близько 60% усієї поверхні земної суші. Цей дефіцит можна бути пок­ривати опрісненням солоних і солонувати океанічних, морських і підземних вод, запаси яких становлять 98% усієї води на земній кулі. Серед країн перше місце за виробництвом опрісненої води займає Саудівська Аравія.

Гідрологія тісно пов'язана з іншими науками, які вивчають географічну оболонку і, зокрема, діяльність води на Землі - це метеорологія і кліматологія, геологія, геоморфологія, фізична географія, картографія, фізика, хімія, матема­тика.Гідрологія широко використовує досягнення техніки, особливо при про­веденні вимірювань і спостережень та обробці одержаних даних.

Водокористування - використання води без вилучення її з водоймищ (гідроенергетика, водний транспорт, рибне господарство).

Водоспоживання - використання води, пов'язане з вилученням її з місць локалізації з частковими або повними незворотними втратами і поверненням у джерела водозабору у зміненому (забрудненому) стані. Основні водоспоживачі: комунально-побутове господарство, промисловість, сільське господарство.

 

1.2. Водні об'єкти та їхній гідрологічний режим

Водні об'єкти - це зосередження природних вод на земній поверхні чи у літосфері. Водним об'єктам властивий певний гідрологічний режим. Виділя­ють три групи водних об'єктів: водотоки, водойми та особливі водні об'єкти.

Водотоки - це водні об'єкти, для яких характерними є переміщення во­ди у напряму нахилу по заглибині на земній поверхні (річки, струмки, канали).

Водойми - це водні об'єкти у заглибині на суші, для яких характерним є уповільнене переміщення води або повна його відсутність (океани, моря, озера, водосховища, ставки, болота).

Особливі водні об'єкти - це льодовики і підземні води (водоносні гори­зонти та артезіанські басейни).

Водні об'єкти можуть бути постійними й тимчасовими (пересихаючими).

Гідрологічний режим - сукупність змін стану певного водного об'єкта, що закономірно повторюються та притаманні йому, на відміну від інших вод­них об'єктів. Він проявляється у вигляді багаторічних, річних, сезонних і добо­вих коливань рівнів води; витрат води; льодових явищ; матеріалу, що перено­ситься потоком; складу і концентрації розчинних речовин; змін русла водотоку тощо.

Явища і процеси, які характеризують гідрологічний режим водного об'єкта, називаються елементами гідрологічного режиму (наприклад, коли­вання рівня, витрат, температури тощо).

Елементи гідрологічного режиму описуються за допомогою певного на­бору гідрологічних характеристик. Гідрологічні характеристики - кількісна оцінка елементів гідрологічного режиму та морфологічних особливостей річко­вих басейнів (характерні витрати і рівні води, швидкість течії тощо).

Сукупність гідрологічних характеристик даного водного об'єкта в даному місці і в даний момент часу - гідрологічний стан водного об'єкта.

 

1.3. Методи гідрологічних досліджень

Важливе місце в гідрології належить методам польових досліджень. Ос­новними серед них є експедиційний та стаціонарний.

Експедиційний метод - це проведення порівняно короткочасних (від де­кількох днів до кількох років) експедицій на водних об'єктах. Такий метод дос­лідження дає якісні матеріали й опис вод певних територій з проведенням лише окремих вимірювань (рівня, течії, хвилювання, температури води, льодових явищ тощо).Стаціонарний метод - це проведення тривалих (багаторічних) спосте­режень на окремих місцях водних об'єктів - на спеціальних гідрологічних ста­нціях та постах за спеціальними програмами. Стаціонарні спостереження ве­дуться безперервно з року в рік і дають цінний матеріал для складання довідни­ків, водного кадастру, гідрологічних прогнозів, проведення гідрологічних роз­рахунків та вирішення інших теоретичних і практичних задач.

Останнім часом стали застосовувати дистанційні методи спостереження і вимірювання за допомогою локаторів, аерокосмічні зйомки і спостереження, автоматичні реєструючи системи ( автоматичні гідрологічні пости на річках, буйкові станції в океанах).

В гідрології використовується й експериментальний метод досліджен­ня. Розрізняють експерименти в лабораторії і експерименти у природі. У пер­шому випадку явище чи процес відтворюється у лабораторних умовах, а в ін­шому - спостереження проводяться в природних умовах. Так, у лабораторіях вивчають рух води й наносів при різних похилах, руслові процеси, хімічні влас­тивості води тощо. В польових умовах на спеціально обладнаних експеримен­тальних майданчиках або невеликих водозборах вивчають формування стоку, поглинання води ґрунтом, випаровування з водної поверхні й суші та ін.

Широко застосовують у гідрології метод математичної статистики й теорії ймовірності. За допомогою цих методів можна отримати ймовірні крайні значення елементів водного режиму, визначити ступінь ймовірності очі­кування цих величин, встановити типові риси режиму для водотоку певних те­риторій.

Завершальним етапом гідрологічних досліджень є теоретичне узагаль­нення і аналіз. Теоретичні методи в гідрології базується на використанні за­конів фізики і на географічних закономірностях просторово-часових змін гідро­логічних характеристик. Серед цих методів в останній час на перший план ви­ходять методи математичного моделювання, системного аналізу, гідролого-географічних узагальнень Включаючи гідрологічне районування і картографу­вання, геоінформаційні системи.

 

1.4. Фізичні основи гідрологічних процесів

Гідрологічні процеси протікають у відповідності з фундаментальними за­конами фізики, тому гідрологія широко використовує сформульовані у класич­ній фізиці закони збереження речовин, теплової та механічної енергії, кількості

руху.

 

Фундаментальні закони фізики та їх використання при вивченні во­дних об'єктів

Закон збереження речовини - незмінність маси в замкненій (ізольованій) системі. Стосовно відкритих природних систем, якими є водні об'єкти, закон збереження речовини визначає рівновагу між притоком, витратою речовини і зміною його маси в межах водного об'єкта. Це відноситься не тільки до води, а й до наносів, солей, газів та ін. речовин, що знаходяться у воді.Кількісним висловленням закону збереження речовини для водних об'єктів є рівняння балансу води, наносів і розчинених речовин (газів, солі), яке можна записати у такому вигляді:

A m = m+ - m-,

де m+ - маса речовини, що надходить до даного об'єкта зовні й утворю­ється з інших речовин у межах об'єкта;

m- - маса речовини, що вилучається за межі об'єкта і витрачається при перетворенні її в інші речовини в межах об'єкта;

Д m - зміна протягом часу Ді; маси речовини в межах об'єкту. Одини­цею

виміру членів рівняння є одиниця маси (кг).

Закон збереження теплової енергії характеризує незмінність енергії у за­мкненій (ізольованій) системі з урахуванням можливого переходу одного виду енергії в інший. Закон збереження теплової енергії визначає умови балансу притоку і витрат тепла та зміни тепловмісту водного об'єкта.

Кількісним висловленням закону збереження теплової енергії стосовно до водного об'єкта чи замкненого контуру суходолу є рівняння теплового балансу:

 

+                                                  A Q = Q+ - Q-,

де Q - тепло, що надходить до даного об'єкта зовні і виділяється в межах об'єкта при переході частини механічної енергії у теплову, а також під час льо­доутворення, конденсації водяної пари, розкладі деяких речовин;

Q- - теплота, що виходить за межі об'єкта і  витрачається в межах об'єкта на випаровування води, плавлення льоду, хімічні та біологічні процеси;

Д Q - зміна в часі Д t вмісту теплоти в об'єкті, що дорівнює mcp Д T, де m - маса об'єкта, cp - питома теплоємність, Д T - зміна температури (Ткін - Тпоч). Одиниці виміру членів рівняння - одиниці тепла (Дж).

Закон збереження механічної енергії означає, що повна енергія якої-небудь механічної системи складається з потенціальної (Епот) та кінетичної (Екін) енергії і залишається завжди постійною з врахуванням енергії на тертя:

Е     Епот + Екін + Едис,

де Едис - дисипація енергії (перехід частини механічної енергії у теплову внаслідок тертя).

Закон збереження механічної енергії стосовно до водних об'єктів визна­чає характер переходу потенціальної енергії у кінетичну енергію водного пото­ку, що рухається. Одиниці виміру даного рівняння дорівнюють одиниці енергії

(Дж).

Закон збереження кількості руху - в межах замкненої (ізольованій) меха­нічної системи кількість імпульсів залишається незмінною: m сіх/dt = 0, де m -маса системи, Сх/dt - її прискорення. Стосовно водних об'єктів цей закон тран­сформується в закон зміни кількості руху (імпульсу), котрий означає, що зміна кількості імпульсу відкритої системи дорівнює сумі усіх зовнішніх сил, які впливають на цю систему. Цей закон лежить в основі закономірностей динамі­ки вод в усіх водних об'єктах.Кількісним висловленням цього закону є рівняння руху, яке можна запи­сати у такому вигляді:

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23 


Похожие статьи

В Г Клименко - Загальна гідрологія

В Г Клименко - Формування v студентів знань і вмінь про хімічний склад та оцінку якості поверхневих вод