Загальна гідрологія: базові поняття та наукові статті

Живлення річок. Класифікація річок

2015-05-21T11:00:35+00:00

Живлення річок - складне явище. Головна роль у живленні рік належить кліматичним умовам. Широке визнання одержало твердження відомого радянського вченого А.І. Воєйкова: "ріки можна розглядати як продукт клімату". Це твердження залишається вірним і по сьогодні, так як всі інші фактори, об'єднані під загальною назвою ландшафту, можуть лише частково впливати на умови живлення річки, не видозмінюючи основного його характеру.

Види живлення річок

Всі види живлення річок можуть бути представлені наступною схемою:

Грунтове живлення

- живлення грунтовими водами
- живлення підземними водами

Поверхневе живлення

- Дощове живлення
- Снігове живлення
- Льодовикове живлення

Дощове живлення, особливо зливове, відрізняється значними коливаннями. Звичайні дощі можуть охоплювати великі площі в декілька тисяч і навіть кілька десятків тисяч квадратних кілометрів і забезпечують стік в річки протягом більш-менш тривалого часу. Зливи ж, які поширюються на невеликі площі і є короткочасними, викликають швидкі, іноді досить значні паводки, які для малих басейнів можуть перевищити весняну повінь.

Порівняно регулярне дощове живлення річок можна спостерігати в районах з періодичними дощами.

Снігове живлення найбільш виражене в районах зі стійким сніговим покривом. Залежно від запасів води в снігу і умов сніготанення, повені протікають досить інтенсивно. Для більшості рівнинних річок України стік весняного водопілля становить понад 50% від сумарного річного обсягу стоку. Можливі зимові відлиги, які викликають паводки, які іноді перевищують весняне водопілля.

Льодовикове живлення являє собою стік від талих льодів і вічних снігів у високогірних районах. Воно залежить від температури. Цим пояснюються особливості водоносності річок цього виду живлення. Повінь проходить на них влітку; протягом доби спостерігаються добре виражені підйоми рівнів води вдень і зниження їх уночі. Льодовикове живлення зустрічається на багатьох річках Росії - на Кавказі, в Середній Азії і в Сибіру.

Живлення грунтовими водами відбувається за рахунок неглибоко залягаючих грунтових вод (верховодки). У період сніготанення та повені, а також у період дощів атмосферні води просочуються в грунт, накопичуються там і потім поступово втікають в річки, забезпечуючи, щоправда, не дуже рясне, але надійне джерело їх живлення взимку і в періоди бездощів'я в теплу пору року.

Рівнинні річки України влітку і восени живляться одночасно за рахунок грунтових вод і дощів, а взимку майже виключно за рахунок грунтових вод. Грунтове живлення має сезонні коливання, запізніле в порівнянні з поверхневим стоком внаслідок більш повільного руху води в грунтах, ніж по поверхні землі.

Живлення підземними водами має своїм джерелом води порівняно глибоко залягаючі водоносні горизонти. Цей вид живлення не схильний до сезонних коливаннь, стійкий і рівномірний протягом всього року. Він також незначно змінюється з року в рік.

Ґрунтові та підземні води займають другорядне місце в загальному балансі живлення. Так, для Дніпра загальне грунтове і підземне живлення становить близько 33% від усього живлення, а по річках Сибіру, - ще менше.

Зазвичай в живленні кожної річки беруть участь два-три його види. Таке живлення річок називається змішаним і має найбільше поширення. Рівнинні ріки мають дощове, снігове і грунтове живлення, причому дощове і снігове живлення в них переважає, а грунтове займає другорядне значення. Є ріки, у формуванні стоку яких беруть участь всі відомі види живлення. Найчастіше це стосується дуже великих річок, які протікають в різних фізико-географічних умовах.

Так, річка Дунай має льодовикове, дощове, снігове і ґрунтове живлення. Можна назвати й менш великі річки з подібним змішаним характером живлення.

Басейн річки Кубані (Північний Кавказ) має дещо інші умови. Лівобережна його частина - гірська, правобережна - рівнинна, степова. Перший паводок на річці Кубані проходить в лютому; він зумовлюється сніготаненням в рівнинній частині басейну. Приблизно з квітня спостерігається загальний підйом води в річці від танення снігів у передгір'ях; в червні і липні, з інтенсивним таненням льодовиків в горах Кавказу, настає річний паводок; нарешті, осінні дощі та зливи можуть викликати найвищі за рік паводки, які спостерігаються у вересні-листопаді і навіть пізніше. Річка Кубань має ще й грунтове живлення. Умови такого різноманітного та змішаного живлення річки Кубані викликають дуже різкі паводки, які не приурочені до певного періоду року.

Випадки, коли приплив води в річку обумовлюється тільки одним видом живлення, досить рідкісні. До річок такого типу живлення належать періодичні водотоки, які несуть воду тільки навесні в результаті сніготанення і потім швидко пересихають.

Класифікація річок

Російський учений А. І. Воєйков, виходячи з положення про те, що річки - суть продукту клімату, і враховуючи, що майже всі вони отримують в тому чи іншому вигляді грунтове живлення, розробив кліматичну класифікацію річок за типами їх живлення.

За кліматичної класифікації (в сучасному її вигляді) всі ріки діляться на три групи і вісім типів.

Група I. Річки паводки яких обумовлені дощами, і річки, які живляться переважно дощовими водами

Тип 1. Річки, які живляться дощами; паводки в квітні-травні; сюди відносяться річки Західної Європи: Луара, Маас, Сена та ін.
Тип 2. Річки субтропічних країн, які живляться дощами; паводки бувають взимку; до цього типу належать деякі ріки Криму та східного Закавказзя, а також річки Іспанії та Італії, які не мають льодовикового живлення.
Тип 3. Річки, які живляться мусонними дощами: Амур і його притоки Зея, Бурея, Уссурі і ін. в Росії, Ніл в Африці, Амазонка в Південній Америці.

Група II. Річки, паводки яких обумовлені таненням льоду, і річки, які живляться переважно талими водами

Тип 4. Річки рівнин і невисоких гір Арктики.
Тип 5. Річки, які отримують воду від танення снігу і льоду в горах. Яскравими представниками цього типу служать річки Аму-Дар'я і Сир-Дар'я, які живляться виключно водами іншого кліматичного району - льодовиків Тянь-Шаню. У нижній течії ці річки проходять по пустельних районах, майже позбавлених дощів, і не тільки не отримують тут додаткового живлення, але навіть, навпаки, втрачають частину принесених вод на випаровування, а частину віддають на зрошення.

Група III. Річки зі змішаним живленням, паводки яких обумовлені як талими, так і дощовими водами

Тип 6. Рівнинні річки помірних широт, які характеризуються щорічною весняною повінню, викликаною сніготаненням, і літньо-осінніми паводками, зумовленими дощами. До нього відноситься переважна частина рівнинних річок європейської частини Росії та Сибіру, а також річки східної Німеччини та Сполучених Штатів Америки.

Тип 7. Гірські річки з переважаючим льодовиковим живленням (Терек в Росії, Рейн у Західній Європі). Цей тип річок називається альпійським.
Тип 8. Інші річки зі змішаним живленням, які не відповідають жодному іншому типу. Сюди можуть бути віднесені річки Кубань, Дунай.

Класифікація річок за орографічної ознакою

Заслуговує на увагу класифікація річок за ознакою орографії басейну, тобто його висотного положення і рельєфу, з урахуванням ухилів течії річки. За цим фактором річки можуть бути поділені на рівнинні, гірські та змішані. Деякі з цих груп можуть бути розбиті на підгрупи.

До суто рівнинних відносять річки рівнин та річки з порожистими ділянками. До перших відносяться річки Волга, Дон, Сож та ін. Сюди ж слід додати річки із заболоченими басейнами. До другої підгрупи рівнинних річок входять такі, басейни яких позбавлені якихось помітних підвищень або знижень, але на яких зустрічаються пороги іноді з досить значними ухилами. Такі, наприклад, річки Дніпро, Волхов, Свір, Південний Буг та інші. На річці Дніпро в даний час залишилися лише пороги в його верхній течії; в нижній течії пороги перекриті водою в результаті підпору від греблі Дніпрогесу.

До гірських річок відносяться зазвичай не дуже великі річки, які цілком або майже цілком проходять по гірських районах. До них належать більшість річок Кавказу, Ангару та інші.

Річки, які мають гірський витік з подальшою рівнинною течією, можна назвати гірсько-рівнинними (ріки Єнісей, Кубань, Кура, Лена, Амур та інші). До підгрупи гірсько-рівнинних річок належать також ті, які течуть уздовж гірського хребта (Іртиш, Сунгарі). Різновидом гірсько-рівнинних річок вважаються гірсько-степові (Аму-Дар'я, Сулак) або гірсько-тайгові річки (лісові річки гірських районів тайги).

До групи змішаних входять також річки, басейни яких розташовані в районах невисоких гірських хребтів. Сюди, наприклад, відносяться невеликі річки в басейні Селенги.

Характеристика води як речовини

2013-09-06T12:50:40+00:00

Молекула води несиметрична: три ядра утворюють рівнобедрений трикутник з двома ядрами водню в основі і ядром кисню в вершині. Атом кисню в молекулі води приєднує до себе два електрони, що від'єднались від атомів водню, і тим самим здобуває негативний заряд. У свою чергу, обидва атоми водню, позбавлені електронів, стають позитивно зарядженими протонами. Молекула води тому утворює електричний диполь.

Полярна будова води і виникаюче в воді електричне поле обумовлюють велику діелектричну проникність води - величину, що показує, у скільки разів сила взаємодії електричних зарядів зменшується у воді в порівнянні з силами їх взаємодії у вакуумі. Висока діелектрична проникність води зумовлює її велику іонізуючу здатність, тобто здатність розщеплювати молекули інших речовин, що обумовлює сильну дію води як розчинника.
Кожна молекула води, що володіє двома позитивними і двома негативними зарядами, здатна утворити чотири так звані водневі зв'язки, тобто з'єднання позитивно зарядженого ядра водню (протона), хімічно пов'язаного в одній молекулі, з негативно зарядженим атомом кисню, що належить іншій молекулі.

Водяна пара складається переважно з мономірних (одиночних) молекул води, тобто водневі зв'язки практично не реалізуються. У твердому стані (лід) будова води має високий ступінь впорядкування. У кристалах льоду молекули води становлять гексагональну систему з міцними водневими зв'язками. Така структура вельми пухка і, як іноді кажуть, "ажурна". Вода в рідкому стані займає проміжне положення між парою і льодом. У такій воді зберігаються елементи "льодоподібного" молекулярного каркаса, а його порожнечі частково заповнюються одиночними молекулами. Тому "упаковка" молекул у воді, що знаходиться в рідкому стані, більш щільна, ніж у льоду, і плавлення льоду призводить не до зменшення, а до "аномального" збільшення густини води.

Перехід від повністю впорядкованої пухкої молекулярної структури, властивої льоду, до більш щільної структурі, властивої воді в рідкому стані, не відбувається миттєво в процесі плавлення льоду, а продовжується і в рідкій воді. При підвищенні температури поряд зі згаданим ущільненням молекулярної структури відбувається і властиве всім речовинам збільшення об'єму води внаслідок зростання інтенсивності теплового руху молекул. У діапазоні підвищення температури від 0 до 4°С переважає процес ущільнення хімічно чистої води, при температурі вище 4°С - теплове розширення, тому вода має "аномальну" властивість - найбільшу густину не при температурі плавлення, а при 4°С.

Притаманні воді водневі зв'язки приблизно в десять разів міцніші зв'язків, обумовлених межмолекулярними взаємодіями, які характерні для більшості інших рідин. Тому для подолання цих зв'язків при плавленні, нагріванні і випаровуванні води необхідно набагато більше енергії, ніж у випадку інших рідин. Це визначає ряд "аномалій" теплових властивостей води.

Водень і кисень мають кілька природних ізотопів: 1Н ("звичайний" водень), 2Н, або D ("важкий" водень, або дейтерій), 3Н, або Т (радіоактивний "надважкий" водень, або тритій), 16O, 17O, 18O. Тому і сама вода має змінний ізотопний склад. Природна вода - це суміш вод різного ізотопного складу. Найбільш поширена вода, що складається з ізотопів 1Н і 16O, частка інших ізотопних видів води незначна - менше 0,27%. Одна з головних причин, що призводять до відмінності ізотопного складу природних вод, - процес випаровування. У результаті випаровування відбувається деяке збагачення води більш важкими ізотопами, а в результаті конденсації - більш легкими. Тому поверхневі води, що формуються атмосферними опадами, містять "важкого" водню (3Н) і "важкого" кисню (18O) менше, ніж океанічні води.

Воду з ізотопним складом 1Н216O називають «звичайної» водою і позначають просто Н2O, решта види води (крім 3Н20) називають «важкої» водою. Іноді «важкою» водою вважають лише дейтерієву воду 2Н2O (або D2O). Вода з ізотопним складом 3Н2O (або Т2O) - так звана "надважка" вода. Її на Землі знаходиться всього 13-20 кг. Відомості щодо фізичних властивостей у гідрології наводяться тільки до "звичайної" води.

Практичне значення гідрології

2013-09-06T12:37:39+00:00

Незалежно від того, чи йде мова про водоспоживачів або водокористувачів, експлуатація водних ресурсів, оцінка можливості та ефективності їх використання неможливі без наукового обгрунтування та відповідних досліджень, тому в раціональному освоєнні водних ресурсів важлива роль належить гідрології. Гідрологи забезпечують водоспоживачів і водокористувачів даними про кількість і якість води, про просторово-часові зміни гідрологічних характеристик. Промисловість і комунальне господарство зацікавлені в оцінці як кількості, так і якості споживаної води, зрошуване землеробство - в даних про режим джерела, з якого здійснюється водозабір.

Будь-яке будівництво на берегах річок (набережних, причалів тощо), а також спорудження мостів, переходів трубопроводів і ліній високовольтних електропередач (ЛЕП) через річки вимагає знання про
рівні води, льодові явища, швидкості течії, руслові процеси (розмиву або намиву дна і берегів). Будівництво на берегах морів або в прибережній зоні, наприклад спорудження установок з видобутку нафти на шельфі, неможливо без урахування даних про хвилювання, льодові явища та інших характеристиках морського режиму. Надати такі дані проектувальникам і будівельникам можуть тільки гідрологи.

Річковий водний транспорт потребує відомостей про рівні води, швидкості течії, льодові явища, руслові процеси. Зауважимо, що вивчення режиму багатьох річок почалося саме у зв'язку з їх використанням для судноплавства. Морському транспорту потрібні дані про морські течії і хвилюванні. Океанологи нерідко надають моряків відомості про так званих «рекомендовані курси», що дозволяють перетнути океан найбільш швидко і безпечно.

Гідроенергетика потребує даних про сучасні та очікувані коливання стоку води, рибне господарство - відомості про фізико-хімічні характеристики води (температура, солоність, вміст кисню тощо).

Гідрологічні дослідження необхідні не тільки для задоволення запитів водоспоживачів і водокористувачів. Велика їх роль і у вирішенні такої проблеми, як захист поселень та земель від повеней (причому не тільки на річках, а й у приморських районах). Особливої актуальності набувають дослідження і прогнози повеней на річках, викликаних дощовими паводками або крижаними заторами, а в гирлах річок і в прибережних морських районах - штормовими нагонами і хвилями цунамі. Велика роль гідрологів в розробці коротко-, середньо- і довгострокових прогнозів стану водних об'єктів (річок, озер, морів).

Важлива роль гідрології також у вирішенні проблем охорони природи, при розробці заходів щодо захисту водних об'єктів від виснаження та забруднення. Гідрологи ведуть контроль за станом якості води, розробляють прийоми прогнозу поширення забруднюючих речовин, наприклад «нафтових плям» після аварій танкерів на річках і в морях.

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

Використання природних вод

2013-09-06T12:34:59+00:00

Природні води давно й інтенсивно використовуються людиною. Розвиток людського суспільства нерозривно пов'язаний з використанням води. Видатному індійсому політику Індірі Ганді належать такі слова: «Цивілізація - це діалог людини з водою». Зрошуване землеробство і сучасна цивілізація загалом зародилися в низинах і дельтах «великих» річок світу - Янцзи, Хуанхе, Гангу, Інду, Нілу, Тигру і Євфрату, Амудар'ї. Через річки і моря відбувалося поширення людської цивілізації по земній кулі. Споконвіку людина вибирав собі місця для проживання поблизу води.

Майже всі найбільші міста світу (зокрема багато столиць держав) розташовані на річках, у їх гирлах, на узбережжях морів. У соціальному та економічному розвитку багатьох країн світу водні ресурси грали і грають в даний час вельми важливу роль.

За характером використання води всі сучасні галузі господарства зазвичай поділяють на водоспоживачів і водокористувачів. Водоспоживачі - це ті галузі, які вилучають воду з її природних джерел (водотоків, водойм, водоносних пластів), споживають її для вироблення промислової чи сільськогосподарської продукції і для побутових потреб населення та повертають у джерела в іншому місці і, звичайно, в меншій кількості і часто гіршої якості. До галузей-водоспоживачів відносяться: промисловість, теплова та атомна енергетика, сільське господарство, комунальне господарство, які використовують воду для промислового, комунально-побутового та сільськогосподарського водопостачання, а також зрошення та обводнення земель.

Водокористувачі - це ті галузі, що не вилучають воду з джерел, а використовують воду як носія енергії, середовище, компонент ландшафту. До галузей-водокористувачів відносяться: гідроенергетика, водний транспорт, рибне господарство, а також такі види людської діяльності, як відпочинок на воді, водний туризм, водні види спорту тощо.
На господарські потреби у всьому світі використовуються величезні обсяги води, причому ці витрати води неухильно зростають.

Найбільша кількість води у світі споживається в сільському господарстві - переважно на зрошення земель, вирощування врожаю, водопостачання тваринницьких ферм. Наприклад, для зрошення 1 га рисових чеків потрібно 15-20 тис. м куб. води на рік; на виробництво 1 кг пшеничного зерна потрібно 0,75 м куб. води; на 1 корову потрібно до 200 л води на добу. Величезна кількість води споживається в промисловості. Без води не можна одержати метал, тканини, папір, багато будівельних матеріалів, вапно, продукти харчової промисловості і багато іншого. Так, для виробництва 1 т сталі необхідно 20 м куб. води, 1 т паперу - до 200 м3 води, 1 т нікелю - 4000 м куб. води. Щоб добути 1 т нафти, потрібно не менше 50 м куб. води. Одна з найбільш водоємних - текстильна промисловість.

Якщо для виробництва 1 т бавовняної тканини потрібно в середньому 20 м3 води, то для отримання такої ж кількості синтетичного волокна - вже 2500-5000 м куб. води. Великим споживачем води є теплова енергетика. При виробництві 1 млн кВт електроенергії на теплових електростанціях витрачають 1,2-1,6 км куб. води в рік. При виробництві електроенергії на атомних електростанціях води потрібно в 1,5-2 рази більше. Великі обсяги води потрібні для господарсько-питного водопостачання міст і селищ.

У великих містах на одного жителя припадає 300-600 л води на добу. Місто з населенням 1 млн чоловік споживає в добу до 1 млн м куб. води, тобто цілу річку.

Водні ресурси в усіх країнах світу намагаються використовувати раціонально, тобто з найбільшим ефектом і найменшими втратами, комплексно. Одночасно вживаються і заходи з охорони вод від виснаження та забруднення. Розподіл повного і безповоротного водоспоживання у світі за галузями господарства різний. Головні споживачі води - сільське господарство і промисловість. При цьому частка безповоротних втрат води в повному водоспоживанні в промисловості значно менша, ніж у сільському господарстві. Головні безповоротні втрати води у світі відбуваються в зрошуваному землеробстві.

Методи гідрологічних досліджень

2013-09-06T12:26:07+00:00

Сучасна гідрологія володіє великим арсеналом взаємодоповнюючих методів пізнання гідрологічних процесів.

Найважливіше місце в гідрології займають методи польових досліджень. Історично це був перший спосіб пізнання законів природи, але і в наші дні без використання або врахування результатів польових робіт не відбувається жодне гідрологічне дослідження. Польові дослідження поділяють на експедиційні та стаціонарні. Перші з них полягають у проведенні відносно короткочасних (від декількох днів до декількох років) експедицій на водних об'єктах (в океані, на льодовику, річці, озері). Другі полягають у проведенні тривалих (зазвичай багаторічних) спостережень в окремих місцях водних об'єктів - на спеціальних гідрологічних станціях і постах. Зазвичай при гідрологічних дослідженнях поєднують експедиційний і стаціонарний методи.

Для спостереження за гідрологічними характеристиками у водних об'єктах застосовують різноманітні вимірювачі рівня води та течій, а також зонди, що фіксують температуру води і значення низки гідрохімічних показників in situ, тобто в точці вимірювання. Для вивчення рельєфу дна і вимірювання глибин на річках, в озерах і морях використовують ехолоти та гідролокатори бічного огляду з фіксацією результатів промірів на комп'ютері. В останні роки було вирішено проблему просторової «прив'язки» результатів польових робіт за допомогою «супутникової навігації» - GPS (global positioning system, або системи глобального позиціонування за допомогою супутників).

Останнім часом стали широко застосовуватися так звані нетрадиційні дистанційні методи спостереження і вимірювання за допомогою локаторів, аерокосмічна зйомки і спостереження, автономні реєструючі системи (автоматичні гідрологічні пости на річках, буйкові станції в океанах). За допомогою радіолокаторів ведуть спостереження за дощовими хмарами; цей метод в майбутньому дозволить прогнозувати атмосферні опади і викликані ними дощові паводки. Величезні можливості дає використання авіації та космічних апаратів для спостережень за станом водних об'єктів. Так, за допомогою встановлених на літаках радіометрів, що працюють в інфрачервоному діапазоні, можна визначати температуру поверхневого шару океанів, морів і озер.

Знімки з супутників дозволяють вести спостереження за замерзанням і розкриттям річок, розливами і повенями, крижаними заторами, станом льодовиків, течіями в океані тощо. Космічні знімки допомогли оцінити вплив нещодавнього підвищення рівня Каспійського моря на морські береги і річкові дельти. Тільки космічні знімки дозволяють стежити за висиханням і деградацією Аральського моря (наземні спостереження в цьому районі практично припинено).

Космічні знімки дозволяють за кольором поверхні моря визначати концентрацію хлорофілу - головної характеристики, що характеризує стан морської екосистеми. У майбутньому, безсумнівно, все більшого поширення отримають повністю автономні (працюючі без участі людей) автоматичні установки, що здійснюють спостереження за режимом річок, озер, морів, льодовиків і передають інформацію до центрів збору та аналізу даних.

Широко використовуються в гідрології методи експериментальних досліджень. Розрізняють експерименти в лабораторії і експерименти в природі. У першому випадку на спеціальних лабораторних установках проводять експерименти в умовах, повністю контрольованих експериментатором. Так, в лабораторіях вивчають різні режими руху води і наносів, розмиви річкового русла, гідрохімічні процеси тощо.

У другому випадку спостереження проводять на невеликих ділянках природних об'єктів, спеціально обраних для детальних досліджень. Людина не в змозі регулювати прояв природних процесів, але завдяки спеціальному вибору ряду зовнішніх умов (наприклад, характеру грунту, рослинності, крутизни схилів), застосуванню спеціального обладнання і особливих методів (включаючи ізотопні) і ретельним спостереженням може створити умови для досліджень, неможливі при звичайних польових роботах. Так, в гідрології для вивчення окремих питань проводять спостереження на так званих «експериментальних майданчиках» на схилах, «експериментальних водозборах», «полігонах» в океані тощо.

Встановити зв'язки між різними гідрологічними характеристиками або між ними та іншими визначальними факторами (наприклад, висотою місцевості, опадами, швидкістю вітру) в конкретних природних умовах, а також оцінити ймовірність настання того чи іншого гідрологічного явища допомагають статистичні методи, які використовують сучасні прийоми обробки даних спостережень і математичної статистики.

Нарешті, завершальним етапом досліджень у багатьох випадках стають теоретичні узагальнення та аналіз. Теоретичні методи в гідрології базуються, з одного боку, на законах фізики, а з іншого - на географічних закономірностях просторово-часових змін гідрологічних характеристик. Серед цих методів останнім часом на перший план виходять методи математичного моделювання, системного аналізу, гідролого-географічних узагальнень, включаючи гідрологічне районування та картографування, геоінформаційні технології.

Зв'язки гідрології з іншими науками

2013-03-27T14:34:53+00:00

Загальна гідрологія як частина комплексної науки - гідрології - насамперед тісно пов'язана з іншими її розділами - гідрографією, прикладною (інженерною) гідрологією, гідрометрією, спеціальними розділами гідрології. Перераховані розділи гідрології, тобто науки так званого гідрологічного циклу, не можуть повноцінно існувати без взаємодії, взаємного проникнення і збагачення. Так, наприклад, загальні закони гідрології не можна пізнати без вивчення конкретних водних об'єктів (гідрографія) і навпаки. Багато загальних законів гідрології встановлені за допомогою спеціальних розділів - фізики, хімії, біології природних вод. Без гідрометрії неможливе вивчення будь-яких водних об'єктів. Прикладна гідрологія широко використовує закони, встановлені загальною гідрологією і спеціальними розділами гідрології тощо.

Загальна гідрологія (і гідрологія у цілому), що вивчає природні води, відноситься до географічних наук і тісно пов'язана з іншими фізико-географічними науками - метеорологією і кліматологією, геоморфологією, гляціологією, картографією тощо. Цей зв'язок відображає об'єктивно існуючу єдність природи, що виявляється у взаємозв'язку і взаємодії всіх компонентів природного середовища, а вода, як зазначалося вище - один з провідних її компонентів. Але зв'язок вод та інших компонентів природного середовища обопільна, тому і відповідні науки тісно взаємопов'язані. Так, з одного боку, метеорологія та кліматологія дозволяють пояснити багато гідрологічних явищ (дощові паводки, накопичення снігу та льоду в льодовиках, вітрові течії в морях тощо), але, з іншого боку, й гідрологія допомагає метеорологам і кліматологам вивчати процеси в атмосфері як результат взаємодії з водними об'єктами (обмін водою, теплом). Точно так само тісно взаємодіють гідрологія та геоморфологія, наприклад, при вивченні формування річкових долин і русел, ярів, морських берегів, річкових дельт. Пов'язана загальна гідрологія (і гідрологія у цілому) також з іншими природничими науками - геологією, біологією, грунтознавства, геохимией. Гідрологія (і загальна гідрологія, зокрема) не може продуктивно розвиватися без опори на фундаментальні науки - фізику, хімію, математику.

З гідрологією тісно пов'язані розділи фізики: гідрофізика, гідромеханіка і гідравліка, термодинаміка. Багато гідрологічних закономірностей мають в своїй основі строгі фізичні закони і тому без використання досягнень відповідних розділів фізики не можуть бути пізнаними. Гідрохімія як розділ гідрології широко використовує закони взаємодії хімічних речовин і методи хімічного аналізу їх складу. Таким чином, загальна гідрологія пов'язана з фізикою і хімією через спеціальні розділи гідрології. Використання математики та інформатики в гідрології відбувається в кількох напрямках. По-перше, широко застосовуються методи математичної обробки даних спостережень з використанням чисельних методів аналізу та методів математичної статистики. По-друге, застосування фізичних законів в гідрології вимагає строгих формулювань, використання методів математичного моделювання. Нарешті, створення баз даних і організація мережевого обміну та обробки даних спостережень спирається на інформатику. Пов'язана гідрологія також з такою сферою діяльності людини, як техніка. Гідрологія широко використовує досягнення техніки при проведенні вимірювань і спостережень (зокрема дистанційних), обробці їх результатів; гідрометрія має справу з різноманітною вимірювальною технікою, іноді вельми складною. При обробці даних спостережень, їх аналізі, різних розрахунках, математичному моделюванні широко використовують електронно-обчислювальну техніку. У той же час розвиток деяких галузей техніки не може обійтися без використання гідрологічних знань.

Останнім часом проявляється тенденція до "екологізації" багатьох природних наук. Але оскільки зміст і завдання екології як міждисциплінарного наукового напрямку ще до кінця не сформульовані, не цілком визначилося і місце гідрології у комплексі наук екологічного циклу. В даний час активно розробляються основи геоекології - комплексної науки, покликаної вивчати взаємодію геосфер (тобто як живої, так і неживої природи) між собою та з людським суспільством. В рамках геоекології почала розвиватися гідроекологія (водна, або аквальна, екологія), що вивчає екологію водних об'єктів (річок, озер, морів тощо.) Ця комплексна наука повинна вивчати водні екосистеми - сукупність трьох взаємодіючих компонентів: водного середовища, водних організмів і діяльності людини. Місце гідрології як науки в гідроекології цілком виразні - це вивчення абіотичних компонентів водного середовища та їх взаємодії з водною біотою і діяльністю людини. Мабуть, має право на існування і така частина гідрології, як екологічна гідрологія (або екогідрологія), яка широко розвивається в останні десятиліття за кордоном. Під екологічною гідрологією можна розуміти ті розділи гідрології, які мають безпосередню екологічну спрямованість і орієнтовані на вивчення взаємодії водних об'єктів і водного середовища з водної біотою і людською діяльністю.

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

Науки про гідросферу

2013-03-27T14:32:14+00:00

Природні води на Землі і гідрологічні процеси вивчає комплекс наук, що об'єднуються загальним поняттям гідрологія. Термін "гідрологія" утворено від латинських слів "гідро" - вода і "логос" - наука. Однак
гідрологія займається вивченням не води як такої (фізичної речовини або хімічної сполуки), а вивченням поширення та режиму природних вод на Землі. Термін "гідрологія" вперше з'явився в 1694 р. у книзі,
що містить "початки вчення про води", виданої Мельхіором у Франкфурті-на-Майні. У повноцінну самостійну науку гідрологія оформилася лише в 20-30-х роках минулого сторіччя.

За спрямованістю і методами досліджень виділяють великі розділи гідрології: загальна гідрологія, що вивчає найбільш загальні закономірності гідрологічних процесів і явищ; гідрографія, що займається
вивченням і описом конкретних водних об'єктів; прикладна (або інженерна) гідрологія, розробляє методи розрахунку і прогнозу різних гідрологічних характеристик; гідрометрія , що розробляє методи
вимірювань і спостережень при вивченні природних вод, а також спеціальні розділи гідрології, такі, як фізика природних вод (або гідрофізика), хімія природних вод (або гідрохімія), біологія природних вод
(або гідробіологія).

Загальна гідрологія за об'єктами дослідження підрозділяється на три великі частини: гідрологію морів (синонім - фізична океанологія), що займається вивченням океанів і морів; гідрологію суші, або точніше
- гідрологію поверхневих вод суші (часто звану просто гідрологією), що вивчає водні об'єкти суші - ріки, озера, водосховища, болота, льодовики; гідрологію підземних вод, що вивчає води, що
знаходяться у вільному стані у верхній частині земної кори. Гідрологія суші, в свою чергу, за об'єктами дослідження поділяється на гідрологію річок (застаріла назва - потамологія), гідрологію озер
(лімнологія або озерознавство), гідрологію боліт і гідрологію льодовиків.

Болота як фізико-географічні об'єкти (геоморфологічні, біологічні, а також і гідрологічні процеси в болотах) вивчає також комплексна наука "болотознавство". Гідрологія боліт тому може вважатися одночасно
частиною гідрології суші і болотознавства. Те саме стосується льодовиків. Як природні об'єкти їх вивчає розділ фізичної географії - "гляціологія", що включає, крім гідрологічних, також геологічні,
геоморфологічні, кліматичні та інші дослідження. Тому гідрологію льодовиків можна одночасно вважати і частиною гідрології суші, і частиною гляціології. Гідрологію підземних вод іноді ототожнюють з
самостійною наукою "гідрогеологією" - розділом геології. Однак гідрогеологія вивчає не тільки закономірності поширення, залягання і руху підземних вод, але і їх роль у геологічних процесах, а також
умови і можливості господарського використання підземних вод (розвідки і видобутку). Гідрогеологія, крім того, вирішує різноманітні задачі з інженерно-геологічного забезпечення будівництва, меліорації,
розробки родовищ корисних копалин тощо. Тому гідрологія підземних вод також може вважатися як частиною гідрології, так і частиною гідрогеології.

Останнім часом в якості самостійних розділів гідрології стали виділяти гідрологію водосховищ, що поєднує методи гідрології річок і гідрології озер, а також гідрологію морських гирл річок, прикордонну
науку між гідрологією річок і океанологією.

Окремі розділи, які виділяються в гідрології за спрямованістю і методами дослідження, так само як і загальна гідрологія, допускають підрозділ за об'єктами вивчення. Так, в рамках гідрографії можна
виділити гідрографію річок, гідрографію озер, регіональну океанологію тощо. У рамках прикладної гідрології також можуть бути виокремлені прикладна океанологія (наприклад, промислова) та інженерна
гідрологія суші. Прикладну (інженерну) гідрологію суші, в свою чергу, іноді підрозділяють на самостійні розділи, що займаються вивченням річок і озер. Гідрометрія також може стосуватися і морів, і річок,
і озер. У спеціальних розділах гідрології можуть бути виділені підрозділи, що відносяться до водних об'єктів різних типів, наприклад фізика океану, хімія океану; комплекс дисциплін, які мають відношення
до фізики річкового потоку, - динаміка руслових потоків, теорія руслових процесів, а також гідрофізика річок, гідрофізика озер; гідрохімія річок, гідрохімія озер; гідробіологія річок тощо. Спеціальні розділи
гідрології є одночасно розділами фізики, хімії, біології. Усталеної та загальноприйнятої класифікації розділів гідрології як науки поки не існує, тому в різних посібниках можна зустріти досить істотні
відмінності у назві та тлумаченні змісту окремих розділів гідрології.

Предмет загальної гідрології як науки - природні води Землі і процеси, що в них відбуваються при взаємодії з атмосферою, літосферою і біосферою з урахуванням впливу господарської діяльності людини.
Термін "загальна" вказує на те, що розглядаються найбільш загальні (не вузькоспеціальні і не регіональні) питання гідрології, і що мова йде про всі водні об'єкти Землі, зокрема річки, озера, водосховища,
болота, льодовики, підземні води, океани і моря. Завдання загальної гідрології полягає в розгляді основних і найбільш загальних закономірностей процесів у водних об'єктах, виявленні їх взаємозв'язків з процесами, що протікають в атмосфері, літосфері і біосфері. Особливе значення при цьому має встановлення закономірностей кругообігу води на земній кулі, географічного розподілу різних гідрологічних характеристик у глобальному масштабі і розгляд гідрологічних процесів як найважливішого чинника у формуванні географічної оболонки Землі.

Гідрологічний режим та гідрологічні процеси

2013-03-27T13:52:50+00:00

Будь-який водний об'єкт і його режим можуть бути описані за допомогою деякого набору гідрологічних характеристик. Ці характеристики поділяються на кілька груп. Наведемо деякі з них.

1.Характеристика водного режиму: рівень води, швидкість течії, витрати води, стік води за інтервал часу, ухил водної поверхні і т. д. Більшість цих характеристик може бути віднесено не лише до водотокыв і водойм, але і до особливих водних об'єктів - льодовиків, підземних вод.

2. Характеристики теплового режиму: температура води, снігу, льоду, тепломісткість водного об'єкта або тепловий стік за інтервал часу тощо.

3. Характеристики льодового режиму: строки настання і закінчення різних фаз льодового режиму (замерзання, льодоставу, танення, скресання, очищення від льоду), товщина крижаного покриву, скупченість льодів.

4. Характеристики режиму наносів: вміст у воді зважених наносів або каламутність води, витрата наносів, розподіл наносів за фракціями.

5. Характеристики форми і розміру водного об'єкта: його довжина, ширина, глибина тощо.

Крім того, до гідрологічних характеристик зазвичай відносять такі важливі для опису будь-якого водного об'єкту властивості: гідрохімічні - мінералізацію води або її солоність, вміст окремих іонів солей, газів, забруднюючих речовин тощо; гідрофізичні - щільність води, в'язкість води тощо; гідробіологічні - склад і чисельність водних організмів і величину біомаси.

Сукупністю гідрологічних характеристик даного водного об'єкта в даному місці і в даний момент часу визначається гідрологічний стан водного об'єкта. Гідрологічний стан водного об'єкта подібно погоді стосовно до стану атмосфери є схильним до постійних просторових і часових змін. Він завжди залежить від безлічі факторів і визначається характером процесів, що відбуваються у водному об'єкті, його зв'язком з іншими водними об'єктами, атмосферою, літосферою, впливом господарської діяльності людини тощо. Однак внаслідок складності і багатофакторності цих процесів і зв'язків і недостатнє знання їх природи ми часто змушені підходити до оцінки гідрологічного стану водного об'єкта як явища, що піддається випадковим змінам, які підпорядковуються імовірнісним законам і піддаються статистичному аналізу.

При тривалих спостереженнях за будь-яким водним об'єктом виявляються деякі закономірності в змінах його гідрологічного стану, наприклад протягом року. Сукупність закономірно повторюваних змін гідрологічного стану водного об'єкта представляють собою його гідрологічний режим. Деяким аналогом гідрологічного режиму стосовно до атмосфери можна вважати клімат. Сутність гідрологічного режиму водних об'єктів - це зміна гідрологічних характеристик у просторі та часі. Під зміною гідрологічних характеристик у просторі розуміють їх зміну від місця до місця (уздовж, поперек або вглиб річки, уздовж або влиб моря або озера тощо), від одного водного об'єкта до іншого.

Зміна гідрологічних характеристик у часі (тимчасова мінливість) має декілька масштабів. Виділяють мінливість вікову (з інтервалами часу або періодами, що обчислюються століттями); багаторічну (періоди коливань - від кількох до десятків років), сезонну (коливання протягом року), короткочасну, що має період в декілька діб (наприклад, коливання синоптичного масштабу з періодом 3-10 днів), добову мінливість, а також мінливість впродовж хвилин і секунд. Головні причини вікової та багаторічної мінливості гідрологічних характеристик - довгоперіодичні коливання клімату, а також вплив господарської діяльності людини. Основні причини внутрішньорічних (сезонних) змін - зміна сезонів року, коливань синоптичного масштабу - атмосферні процеси (переміщення циклонів, антициклонів і атмосферних фронтів), мінливості добового масштабу - обертання Землі навколо осі, супутні йому зміна дня і ночі та припливна діяльність. Природа коливань наймешшого у часі масштабу (хвилини, секунди) - хвилі на поверхні води, макро- і мікротурбулентность у водних потоках.

Гідрологічний режим водного об'єкта - хоча й закономірний, але все ж лише зовнішній прояв деяких більш складних внутрішніх процесів, властивих водному об'єкту, або обумовлених його взаємодією з іншими водними об'єктами, атмосферою, літосферою. Спостерігаючи за рівнем або витратою води в річці, наприклад, і з'ясовуючи закономірності їх зміни, тобто вивчаючи їх режим, ми поки залишаємо осторонь причини цих змін. Для того, щоб їх розкрити, необхідно вивчити вже деякі як внутрішні, так і зовнішні процеси, що впливають на режим водного об'єкта. Тому гідрологи вивчають не тільки гідрологічний режим водних об'єктів, але й гідрологічні процеси, під якими розуміється сукупність фізичних, хімічних і біологічних процесів, що визначають закономірності формування гідрологічного стану і режиму водного об'єкта.

Щоб пізнати гідрологічні процеси в будь-якому водному об'єкті, необхідно вивчити, по-перше, явища, що відбуваються у водній товщі розглянутого об'єкта (перемішування, формування температурної і щільнісної стратифікації, формування внутрішньоводного льоду, продукування кисню завдяки життєдіяльності зелених рослин тощо); по-друге, процеси на твердих межах водного об'єкта - його дна і берегах (взаємодія водного потоку і грунтів, розмив або акумуляція наносів тощо), по-третє, явища, що відбуваються на водній поверхні об'єкта - на межі поділу вода - повітря (тепло- і газообмін з атмосферою, випаровування і конденсація, утворення або танення крижаного покриву, виникнення хвиль і течій під дією вітру); по-четверте, взаємозв'язок водного об'єкта з його водозбором (умови формування стоку води, наносів, розчинених речовин, теплоти тощо).

Поняття про гідросферу

2013-03-27T13:44:29+00:00

Значна частина води, що бере участь в кругообігу речовини на Землі, представлена у вигляді водних об'єктів, тобто скупчень природних вод на земній поверхні й у верхніх шарах земної кори, яким властивий певний гідрологічний режим. Виділяють три групи водних об'єктів - водотоки, водойми та особливі водні об'єкти.

До водотоків належать водні об'єкти на земній поверхні з поступальним рухом води в руслах в напрямку ухилу (річки, струмки, канали). Водойми - це водні об'єкти в пониженнях земної поверхні з уповільненим рухом вод (океани, моря, озера, водосховища, ставки, болота). Групу водних об'єктів, що не укладаються в поняття водотоків і водойм, складають особливі водні об'єкти - льодовики і підземні води (водоносні горизонти). Водні об'єкти можуть бути постійними і тимчасовими (пересихаючі).

Багато водних об'єктів мають водозбір, під яким розуміють частина земної поверхні і товщі грунтів і гірських порід, звідки вода надходить до даного водного об'єкту. Водозбори є у всіх океанів, морів, озер, річок. Межа між суміжними водозборами називається вододілом. Розрізняють поверхневий (орографічний) і підземний вододіли.

Під гідрографічною мережею звичайно розуміють сукупність водотоків і водойм у межах певної території. Однак правильніше гідрографічною мережею вважати сукупність усіх водних об'єктів, що знаходяться на земній поверхні в межах даної території (включаючи льодовики). Частина гідрографічної мережі, представлена водотоками (річками, струмками, каналами), називається русловою мережею, а та частина, що складається тільки з великих водотоків (річок) - річковою мережею.

Природні води Землі формують її гідросферу. Усталених визначень поняття гідросфери та її меж поки немає. Традиційно під гідросферою розуміють переривчасту водну оболонку земної кулі, розташовану на поверхні земної кори та в її товщі, що представлена сукупністю океанів, морів і водних об'єктів суші (річок, озер, боліт, підземних вод), включаючи сніговий покрив і льодовики. У такому трактуванні гідросфера не включає атмосферну вологу і воду в живих організмах. Однак існують і більш вузьке і більш широке тлумачення поняття гідросфери. У першому випадку під нею розуміють лише поверхневі води, що знаходяться між атмосферою та літосферою, у другому-всі природні води Землі, що беруть участь в глобальному кругообігу речовин, в тому числі підземні води у верхній частині земної кори, атмосферну вологу і воду живих організмів. Таке широке розуміння терміну «гідросфера» представляється найбільш правильним. У цьому випадку гідросфера - це вже не переривчаста оболонка, а дійсно геосфера, що включає не тільки скупчення самої води (а також снігу і льоду) на земній поверхні, але і взаємопов'язані з ними води в верхній частині літосфери і нижній частині атмосфери.