Методы гидрологических исследований

ГИДРОЛОГИЯ КАК НАУКА

Общие сведения

 

Гидрология буквально – наука о воде (от греческого «hydro» – вода и «logos» учение, знание, наука).

Гидрология занимается изучением природных вод, явлений и процессов, в них протекающих, а также определяющих распространение вод по земной поверхности и в толще почвогрунтов, закономерностей, по которым эти явления и процессы развиваются.

Гидрология относится к комплексу наук, изучающих физические свойства Земли, в частности такой ее элемент как гидросфера, то есть гидрология – часть физической географии – науки, занимающейся изучением явлений, происходящих на поверхности земного шара, формированием и динамикой их развития, взаимосвязями и закономерностями.

Предметом изучения гидрологии являются водные объекты: океаны, моря, реки, озера и водохранилища, болота и скопления влаги в виде снежного покрова, ледников, почвенных и подземных вод.

Гидрология как прикладная наука получила развитие в связи с насущными хозяйственными задачами. Она занимается рациональным использованием и охраной поверхностных и грунтовых вод, прогнозом паводков, оценкой водных ресурсов и другими проблемами.

Воды поверхности Земли (океанов, морей, рек, озер, болот, ледников), ее воздушной оболочки (атмосферы) и находящиеся в земной коре тесно связаны между собой. Поэтому ряд вопросов, относящихся к деятельности воды на земном шаре, одновременно рассматривается гидрологией, метеорологией, геологией, почвоведением, геоморфологией, географией и другими науками, изучающими атмосферу и литосферу.

В гидрологических исследованиях широко используются выводы физики, гидравлики и гидродинамики.

Так как процессы, совершающиеся в морях и океанах, существенно отличаются от процессов, происходящих в реках, озерах и болотах, что определяет и различие в методах их исследований, гидрология делится на гидрологию моря и гидрологию суши.

Гидрологию моря чаще называют океанологией, или океанографией, сохраняя термин «гидрология» за гидрологией суши. Такое понятие и будет использоваться в дальнейшем.

В зависимости от объектов исследования в гидрологии суши различают:

1) гидрологию рек;

2) гидрологию озер;

3) гидрологию болот;

4) гидрологию подземных вод;

5) гидрологию ледников.

 

История развития гидрологии

Жизнь человека во все времена была тесно связана с водой, с использованием рек и водоемов для водоснабжения, орошения и судоходства, поэтому уже в глубокой древности велись наблюдения за колебаниями уровней воды крупных рек и появились первые попытки объяснить процессы, происходящие в реках.

Гидрология может по праву считаться одной из древнейших наук в мире, однако понадобилось несколько тысячелетий, для того чтобы гидрология сформировалась в самостоятельную научную дисциплину.

Важным рубежом в истории развития гидрологии стал конец XVII века, когда французские ученые Пьер Перро, Эдм Мариотти, англичанин Эдмунд Галлей на основании измерений и расчетов осадков, стока и испарения впервые установили количественные соотношения главных фаз круговорота воды. Эти измерения, расчеты и эксперименты, выполненные 300 лет назад, несмотря на их приближенный характер и смелые допущения, заложили прочную основу плодотворного развития гидрологии.

Пётр I Великий (1672-1725)

Более или менее систематические исследования водных объектов в России были начаты при Петре I. Он был организатором первых специальных гидрографических обследований рек, создателем первого закона об охране вод (о водоохранных лесных полосах), по его приказу в 1715 году был устроен первый водомерный пост в России на р. Неве у Петропавловской крепости.

В начале XVIII века были составлены и частично осуществлены проекты соединения рек Москвы и Волги, Волги и Дона, Днепра и Западной Двины. Проводились изыскания по строительству Вышневолоцкой, Тихвинской и Мариинской водных систем, Ладожского канала.

Большую работу по изучению вод России проводила созданная в 1724 году Академия наук, организовавшая многие гидрографические экспедиции, в том числе вторую камчатскую экспедицию (1733-1743 гг.), по материалам которой С. П. Крашенинников составил труд «Описание Земли Камчатки».

С.П. Крашенинников (1711-1755)

В период 1768-1774 гг., называемый эпохой академических экспедиций, был собран большой материал о реках, озерах и подземных водах обширных районов России: Поволжья, Южного Урала (Н. И. Липихин), Западной и Восточной Сибири, Забайкалья, Крыма (П. С. Паллас), Оренбургского края, предгорьев Северного Кавказа (И. П. Фальк) и др.

Начало планомерных водных исследований в России относится к 70-м годам XIX века. Организованная в 1874 году навигационно-описная комиссия министерства путей сообщения за 20 лет своей деятельности провела большую работу по исследованию рек Европейской России, Сибири и Дальнего Востока. Описные партии этой комиссии организовали около 500 водомерных постов и гидрометрических станций для изучения водности больших рек.

Обширные гидрологические исследования продолжались и в начале XX века на всей территории России. Теоретические исследования в это время были направлены на изучение компонентов водного баланса речных бассейнов, а также на изучение термических и ледовых условий на реках, разрабатывались методы расчета максимальных расходов талого и дождевого стока. Большой вклад в развитие этих направлений в гидрологии сделан Н. И. Максимовичем, Е. В. Оппоковым, Э. И. Ольдекопом, Н. Е. Долговым и др.

Большую роль в изучении водных ресурсов страны и становления научной гидрологии сыграло создание в 1919 году Российского гидрологического института (в настоящее время Государственный гидрологический институт), на который была возложена задача научного руководства всеми водными исследованиями.

Для планомерного и комплексного изучения гидрометеорологического режима территории нашей страны и обеспечения водохозяйственных мероприятий в 1929 году был создан Гидрометеорологический комитет СССР (в настоящее время Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды).

Большим событием в изучении водных ресурсов нашей страны явилось издание в 1940 году «Водного кадастра», представляющего собой систематизированные сведения о режиме морей, рек, озер, болот, ледников и подземных вод. В 1936 году начато систематическое издание гидрологических ежегодников, в которых публиковались сведения об уровнях, расходах воды и взвешенных наносов, температуре воды и других гидрологических характеристиках.

В период Великой Отечественной войны гидрологические исследования проводились в направлении обеспечения действующей армии гидрологическими прогнозами и расчетами по режиму водных объектов, по оценке проходимости местности и преодоления водных преград.

После Великой Отечественной войны гидрологические исследования в нашей стране были связаны с восстановлением народного хозяйства, строительством гидроэлектростанций, оросительных систем, проведением осушительных работ и т. д.

За последние время российские гидрологи создали как общепризнанные теоретические основы гидрологии, так и методы расчета и прогноза, необходимые при решении многих народнохозяйственных проблем.

В последние годы все более широкое применение в гидрологических исследованиях начинают приобретать методы лабораторного и математического моделирования с использованием ЭВМ и полевые экспериментальные исследования.

1.3. Научные дисциплины гидрологии

 

Помимо деления по видам изучаемых объектов в гидрологии выделяют самостоятельные разделы (научные дисциплины):

1) Гидрометрия – рассматривает методы наблюдений за режимом водных объектов и измерений гидрологических величин; применяемые для этого приборы и способы обработки результатов.

2) Гидрография – изучает и выявляет закономерности распространения поверхностных вод; дает описание водных объектов или территорий с общей характеристикой режима и хозяйственного значения, географических условий территории.

3) Общая гидрология – изучает и описывает водные объекты и их характерные свойства, устанавливает общие закономерности управляющие процессом формирования и деятельности вод суши. Изучает связь гидрологических явлений с метеорологическими факторами и условиями подстилающей поверхности. Освещает особенности проявления гидрологических закономерностей в различных водных объектах.

4) Инженерная гидрология – занимается разработкой методов расчета (гидрорасчеты) и прогноза (гидропрогнозы) гидрологических характеристик, необходимых в хозяйственной деятельности, строительстве гидротехнических сооружений, планировании изменений естественного режима водных объектов.

5) Водохозяйственные расчеты и регулирование речного стока – совокупность методов оценки соответствия водных ресурсов, объектов или территории требованиям их хозяйственного использования, способов определения режима регулирования стока, параметров гидротехнических сооружений и правил их работы.

6) Гидрофизика – изучает физические и механические свойства вод (испарение, образование и таяние льда и снега, влагосодержание почв).

7) Динамика вод суши и русловые процессы – изучает закономерности перемещения водных масс и наносов, течения, волнение, сгонно-нагонные явления; закономерности формирования берегов и русел рек, явления размыва, перемещения и отложения (аккумуляции) частиц грунтов, слагающих русло и берега.

8) Гидрохимия – изучает химические свойства и состав вод суши. В настоящее время ее важной задачей является решение проблемы качества воды.

9) Охрана водных ресурсов – в последнее время развивается направление, занимающееся разработкой научных основ рационального использования и охраны водных ресурсов с целью предотвращения их истощения, загрязнения и неблагоприятного изменения водного режима. В рамках этого направления развивается гидроэкология – наука, изучающая изменения водных ресурсов, гидрологического режима и качества вод; влияние этих изменений на экологическое состояние водных объектов и окружающей природной среды.

 

РОЛЬ ВОДЫ В ПРИРОДЕ

Основные понятия

 

Вода – одно из самых распространенных на Земле химических соединений, это один из самых важных минералов на Земле.

Без воды невозможно существование биосферы, жизни и человека на Земле.

Велика роль воды в формировании географической оболочки Земли, облика поверхности нашей планеты. Вода – важный компонент ландшафтов.

Она является активным геологическим и географическим фактором, служит носителем механической и тепловой энергии, транспортирует вещества, совершает работу, играет важную роль в обмене веществом и энергией между геосферами, определяет многие особенности климатических, метеорологических и геоморфологических процессов на Земле. Вода для человека является необходимым средством жизнедеятельности и основой современного производства. Вода – бесценное богатство человечества и поэтому водные ресурсы люди должны бережно и экономно использовать и охранять.

Водные объекты – это скопление природных вод на земной поверхности или в верхних слоях земной коры, обладающих определенным гидрологическим режимом.

Гидросфера – это слабо прерывистая водная оболочка земного шара, расположенная на поверхности земной коры и в её толще, представляющая совокупность океанов, морей и водных объектов суши (рек, озёр, болот, подземных вод), включая снежный покров и ледники. Гидросфера не включает атмосферную влагу и воду в живых организмах.

Гидрологические процессы – это совокупность физических, химических и биологических процессов, определяющих закономерности формирования гидрологического состояния и режима водного объекта.

Гидрологические характеристики водного объекта могут быть следующими: уровень воды, скорость течения, расход воды, температура воды, форма и размеры водного объекта, расход наносов и другие.

Гидрологическое состояние водного объекта определяется совокупностью гидрологических характеристик данного водного объекта в данном месте и в данный момент времени. Это состояние подобно погоде подвержено пространственно-временным изменениям.

Гидрологический режим – это совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта. Аналогом режима можно считать климат в атмосфере.

Водные ресурсы – это запасы всех видов воды на Земле, исключая воду, связанную с горными породами и биосферой. Для практических нужд необходимы в основном пресные воды. Общий объём водных ресурсов на земном шаре составляет около 1388 млн. км³.

 

 

Понятие о гидросфере

Гидросфера – с латинского – водная оболочка. Впервые понятие гидросферы было введено в научную литературу Э. Зюссом в 1875 году, который понимал под ней единую водную оболочку планеты, в основном состоящую из вод Мирового океана. В 1910 году более широкая трактовка представлена Дж. Мерреем, он включил в гидросферу воды рек и озер, атмосферы, криосферы и биосферы. Столь широкое толкование гидросферы не было принято исследователями. Различия между последующими определениями гидросферы касались, в основном, ее непрерывности, нижней и верхней границ ее распространения, возможности отнесения к ней химически и биологически связанных вод.

Наиболее физически обоснованным является определение И. А. Федосеева: в широком смысле гидросфера – сплошная оболочка земного шара, простирающаяся вниз до верхней мантии, где в условиях высоких температур и давления наряду с разложением молекул воды непрерывно проходит их синтез, а вверх – примерно до высоты тропопаузы, выше которой молекулы воды подвергаются фотодиссипации (разложению).

Можно привести более узкое определение, гидросфера – сплошная оболочка Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях в пределах Мирового океана, криосферы, литосферы и атмосферы, принимающую непосредственное участие в планетарном круговороте влаги (гидрологическом цикле).

В общем смысле гидрологический цикл представляет собой непрерывный процесс циркуляции и перераспределения всех видов природных вод между отдельными частями гидросферы. Гидрологический цикл обеспечивает взаимосвязь и единство гидросферы.

Гидросфера и гидрологический цикл являются единой саморегулирующейся системой, состоящей из четырех резервуаров: океан, криосфера (оболочка Земли, содержащая воду в твердой фазе), литосфера (поверхностные и подземные воды суши) и атмосфера.

Все четыре резервуара гидросферы взаимосвязаны посредством непрерывного процесса циркуляции и перераспределения природных вод. Не смотря на замкнутость системы, в ней постоянно происходит перераспределение вод между резервуарами, приводящее к изменению запасов вод в каждом отдельном резервуаре во времени.

Мировой океан занимает 71 % поверхности Земли, суша – 29 %. Воды Мирового океана образуют непрерывное водное пространство, со всех сторон окружающее разобщенные им материки. Неравномерность распределения воды и суши влияет на многие планетарные процессы, влечет за собой асимметричность в распределении компонентов географической оболочки и, следовательно, и биосферы.

В 1928 году Международное гидрографическое бюро приняло деление Мирового океана по ряду признаков на четыре океана: Атлантический, Индийский, Тихий и Северный Ледовитый. Второй Международный океанографический конгресс счел возможным выделить пятый океан – Южный.

Самую значительную площадь, составляющую почти половину всей площади Мирового океана и превышающую площадь всех материков и островов, имеет Тихий океан. Он же является и самым глубоким океаном.

Самым малым является Северный Ледовитый океан, площадь которого в 12 раз меньше площади Тихого океана. Северный Ледовитый океан – единственный океан, находящийся полностью в полярной области, и имеющий в связи с этим специфический гидрологический режим.

Доля небольших глубин (до 500 метров) составляет только 9, 6 % всей акватории Мирового океана, причем на долю шельфа (глубины до 150-200 метров) приходится менее 7 %. На 73, 8 % площади Мирового океана преобладают глубины 3000-6000 метров.

В каждом океане можно выделить моря – достаточно большие районы океана, ограниченные берегами материков, островами, повышениями дна и обладающие собственным гидрологическим режимом. Площадь морей составляет 10 % площади Мирового океана, а объем воды в них – около 3 % объема Мирового океана. По своему расположению и физико-географическим условиям моря делятся на три основные группы:

1) внутренние моря;

2) окраинные моря;

3) межоcтровные моря.

Воды криосферы

Самые большие запасы воды в твердой фазе на Земле содержатся в ледниках Антарктиды и Гренландии, называемых ледниковыми покровами. Это огромные сплошные массы материкового льда, нависающие над океаном. Средняя толщина ледяных щитов около 2000 метров, в Гренландии она достигает 3000 метров, а в Восточной Антарктиде – 4000 метров.

Ледниковый покров Антарктиды (28 млн. км³) делится на 2 части: Восточно-Антарктический и Западно-Антарктический ледяные щиты. Потоки льда от ледоразделов движутся к краю щита и образуют шельфовые ледники и айсберги. Средняя скорость движения льда у края составляет 100-400 метров/год.

Гренландский ледяной щит содержит 2, 7 млн. км³ льда. Средняя скорость движения льда составляет около 20 метров/год.

Главное различие между двумя современными ледяными щитами состоит в том, что в Антарктиде поверхностная аккумуляция почти полностью компенсируется айсберговым стоком, в то время как на поверхности Гренландского щита существует область интенсивного таяния.

Горные ледники по своему объему и площади составляют сравнительно небольшую часть криосферы. Часть ледников расположена на островах Арктики (запас воды 83500 км³), а остальные представляют собой непосредственно горное обледенение (40000 км³). Ледники встречаются на всех континентах, и высота их расположения зависит от широты местности. Наиболее распространены горные ледники в Азии: Гималаи, Тибет, Каракорум. В Северной Америке ледники есть на Аляске, в Южной Америке – на огненной Земле, в Европе – на Кавказе, в Альпах, в Африке – на Килиманджаро. На ледниках берут начало горные реки, имеющие своеобразный водный режим. Горные ледники чутко реагируют на изменение климата.

Морской лед – это лед, непосредственно образовавшийся при замерзании морской воды. В основном он распространен в Северном Ледовитом океане, в морях, относящихся к северным частям Атлантического и Тихого океанов и омывающих Антарктиду. Морские течения переносят лед на сотни и тысячи километров от места образования. Лед является продуктом взаимодействия океана и атмосферы и влияет на многие процессы в океане и тепловой баланс атмосферы.

Зона многолетнемерзлых пород (вечная мерзлота) – зона, в поверхностных горных породах которой находится замерзшая вода. Вечная мерзлота, по разным оценкам, покрывает от 14 до 20 % поверхности суши и представляет собой рудименты (остатки) послеледниковых эпох. Основная часть вечной мерзлоты сосредоточена в Северном полушарии, и лишь 1 млн. км² – в южном. Толщина мерзлых пород изменяется от нескольких метров до 1500 метров. Верхний слой, сезонно оттаивающий, называется деятельным. Вечная мерзлота сформировалась в течение последних тысячелетий и, одновременно, существенно зависит от изменений климата и влияет на них.

Сезонный снежный покров может, за редким исключением, наблюдаться почти повсеместно, но продолжительность его залегания различна. Максимальная площадь сезонного снежного покрова 100 млн. км², в том числе примерно 64 млн. км² в Северном полушарии (примерно 25 % его площади) и 36 млн. км² в Южном (14, 5 %). Согласно спутниковым данным средняя продолжительность его залегания в Северном полушарии около 6 месяцев, а в Южном – около 8 месяцев. Снежный покров не только служит индикатором климата, но и сам может существенно влиять на его колебания.

Влага атмосферы

Атмосфера – единственная оболочка Земли, содержащая воду во всех трех агрегатных состояниях. Наиболее важен водяной пар, которого нет ни в одной другой оболочке. В атмосфере постоянно происходят фазовые переходы воды (под действием солнечной энергии), из которых самый важный – процесс конденсации, сопровождающийся выделением огромного количества тепла, которое обеспечивает поддержание общей циркуляции атмосферы. Образовавшаяся из водяного пара в процессе конденсации жидкая вода выпадает на поверхность Земли в виде осадков. Следовательно, основными движущими силами круговорота воды является солнечная энергия и сила тяжести.

Солнечная энергия – это причина нагревания и испарения воды, неравномерного распределения атмосферного давления, вызывающего воздушные потоки, переносящие влагу, неравномерного распределения плотности воды в океане, вызывающего морские течения. Сила тяжести вынуждает влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а поверхностные и подземные водотоки стекать в океан.

Атмосфера играет центральную роль в гидрологическом цикле, это самый подвижный его компонент: скорость переноса водяного пара на порядок больше скорости движения речных вод и на два порядка выше типичной скорости океанских течений. Самыми важными характеристиками атмосферной влаги являются: влажность вблизи подстилающей поверхности (приземная или приводная), интегральное влагосодержание столба воздуха (осажденная вода) и облачность.

Рис. 1. Схема малого круговорота воды

 

При большом круговороте воды в природе часть облаков под воздействием ветра переносится на материк (рисунок 2).

Там из них тоже могут выпадать осадки в жидком или твердом виде. Часть атмосферных осадков попадает в реки. Они, впадая друг в друга, в конечном счете, несут воды в моря Мирового океана или в замкнутые водоемы типа Каспийского или Аральского морей, восполняя их потери при испарении. Другая часть воды, выпавшая на землю в виде атмосферных осадков, просачивается вниз с поверхности суши и с подземными водами стекает в Мировой океан или реки. Это очень важный этап в круговороте воды, так как он регулирует речной сток во времени. Если бы его не было, вода в реках была бы лишь в кратковременные периоды выпадения осадков или таяния снегов.

Третья часть воды, выпавшая на землю в виде осадков, может проникать в почву, а оттуда подниматься по корням растения и испаряться через листья. Этот этап круговорота очень важен для растений, так как с водой из почвы через корни поступают растворенные минеральные вещества, необходимые для жизнедеятельности растений.

Рис. 2. Схема большого круговорота воды

 

На приведенных схемах (рис. 1, 2):

z – слой испарения (индекс «о» – относится к океану, индекс «с» – относится к суше), представляющий собой отношение полного объема испарившейся воды ( ) к площади земного шара ( ), мм.

 

, (1)

 

х, y – обозначают, соответственно, слои осадков и стока, которые рассчитываются также через отношение объемов к площади земного шара.

Уравнение водного баланса для океана:

 

z_o = x_o + y (2)

 

Уравнение водного баланса для суши:

 

x_c = z_c + y (3)

 

Решая совместно уравнения 2 и 3 можно получить уравнение мирового водного баланса:

 

z_o + z_c = x_o + x_c (4)

 

При исследованиях гидрологических процессов на суше важно учитывать, что суша подразделяется на две области:

- область внешнего стока (80 % суши), откуда осадки поступают в Мировой океан и которая дренируется крупнейшими реками мира.

- область внутреннего стока (20 %), являющаяся бессточной, не дающей стока в Мировой океан, например: бассейны Каспия, Арала, Балхаша, пустыни Гоби, Сахара, Калахари, и т.д. Есть там и крупные реки: Волга, Амударья [1].

Главный водораздел земного шара делит всю сушу на два склона:

1) со стоком в Атлантический и Северный Ледовитый океаны (60% суши) и

2) со стоком в Тихий и Индийский океаны.

Водораздел проходит по Америке от мыса Горн по Андам до Берингова пролива, затем по восточному нагорью Азии в широтном направлении и продолжается вдоль восточной окраины Африки и её южной оконечности [1].

Не вся вода возвращается с суши в океан одновременно. В процессе круговорота воды в природе происходит постепенное обновление вод во всех частях географической оболочки:

- подземные воды обновляются за сотни, тысячи и миллионы лет;

- покровные ледники – за несколько тысяч лет (в Антарктиде – за десятки миллионов лет);

- воды Мирового океана – за 2, 5-3 тыс. лет;

- замкнутые бессточные озера – за 200-300 лет;

- проточные озера – за несколько лет;

- реки – за 12-15 суток;

- водяной пар атмосферы – за 8 суток;

- вода в организмах – за несколько часов.

Существенную роль в круговороте воды в природе с недавних пор стала играть деятельность человека. Уничтожение лесов, осушение и орошение земель, создание водохранилищ и плотин, расходование воды на хозяйственные нужды – все это в значительной мере изменило гидрологические процессы на Земле. И хотя хозяйственная деятельность мало повлияла на общий объем гидросферы, она заметно влияет на отдельные ее части. Сток одних рек уменьшился, других – увеличился, изменилось внутригодовое распределение стока.

В результате изъятия воды из вод суши во многих районах мира возросло испарение, потому что именно на испарение идет значительная часть воды, изымаемой человеком из источников. Часть воды, которую потребляет человек и которая входит в состав производимой им продукции, надолго выпадает из всеобщего круговорота, поэтому ее называют «безвозвратно изъятой». Этот термин, конечно, достаточно условен, так как эта вода не исключается полностью, но ее возвращение может произойти с большой задержкой во времени и на совершенно другой территории.

Другой проблемой является загрязнение большого объема вод в результате хозяйственной деятельности человека. Именно угроза загрязнения водных масс представляет сейчас главную опасность, гораздо большую, чем угроза физической нехватки воды. Загрязненная вода, поступающая в ходе круговорота воды в Мировой океан ведет к гибели живых организмов и нарушению биологического равновесия.

Водные объекты и их виды

 

Водный объект – природный или искусственный водоём, водоток или иной объект, в котором постоянно или временно сосредоточены воды.

То есть, водный объект – естественное или рукотворное образование с постоянным или временным скоплением вод. Скопление вод может быть как в формах рельефа, так и в недрах.

Выделяют три группы водных объектов:

3) Водотоки – скопления вод в относительно узких и мелких углублениях поверхности Земли с поступательным движением воды в направлении уклона этого углубления. К этой группе водных объектов относятся реки, ручьи, каналы. Они могут быть постоянными (с течением воды круглый год) и временными (пересыхающими, перемерзающими).

4) Водоёмы – скопления вод в понижениях земной поверхности. Котловина и заполняющая её вода представляет собой единый природный комплекс, для которого характерно замедленное движение воды. К этой группе водных объектов относятся океаны, моря, озёра, водохранилища, пруды, болота.

Совокупность водотоков и водоемов в пределах определенной территории образуют гидрографическую сеть.

5) Особые водные объекты – ледники (движущиеся естественные скопления льда) и подземные воды.

Вода на Земле находится в жидком, твёрдом и парообразном состоянии; она включена в водоносные горизонты и артезианские бассейны.

Водные объекты имеют водосбор – часть земной поверхности или толщи почв и горных пород, откуда вода поступает к определённому водному объекту. Граница между соседними водосборами называется водоразделом. В природе водоразделы обычно разграничивают водные объекты суши, главным образом речные системы.

Каждый водный объект, относящийся к той или иной группе, характеризуется своими особенностями природных условий. Они изменяются в пространстве и во времени под влиянием физико-географических, прежде всего климатических факторов. Закономерные изменения состояния водных объектов, образующих в совокупности гидросферу, в той или иной мере отражаются на ней.

Различают поверхностные водные объекты, состоящие из поверхностных вод и покрытых ими земель в пределах береговой линии, и подземные водные объекты.

К поверхностным водным объектам относятся:

1) моря или их отдельные части (проливы, заливы, в том числе бухты, лиманы и другие);

2) водотоки (реки, ручьи, каналы);

3) -водоемы (озера, пруды, обводненные карьеры, водохранилища);

4) болота;

5) ледники, снежники;

6) природные выходы подземных вод (родники, гейзеры).

Береговая линия (граница водного объекта) определяется для:

- моря – по постоянному уровню воды, а в случае периодического изменения уровня воды – по линии максимального отлива;

- реки, ручья, канала, озера, обводненного карьера – по среднемноголетнему уровню вод в период, когда они не покрыты льдом;

- пруда, водохранилища – по нормальному подпорному уровню воды;

- болота – по границе залежи торфа на нулевой глубине.

К подземным водным объектам относятся:

1) бассейны подземных вод;

2) водоносные горизонты.

Границы подземных водных объектов определяются в соответствии с законодательством о недрах.

Существуют и такие природные образования переходного характера, которые не обладают признаками водного объекта, но обладающие «возможностью» вредного воздействия. Примером таких образования являются, в частности, «дышащие» озёра. Суть явления заключается в неожиданном и быстром (иногда в одну ночь) появлении и исчезновении «большой воды» во впадинах рельефа, болотистых и луговых низменностях (иногда площадью до 20 км²).

«Дышащие» озёра наблюдаются в Ленинградской области, Прионежье, в Новгородчине, Архангельской области, в Вологодчине, в Дагестане. Внезапно возникающие возле населённых пунктов и различных коммуникаций озёра подтопляют их.

В зависимости от круга водопользователей водные объекты подразделяются на:

1) Водные объекты общего пользования – общедоступные поверхностные водные объекты, находящиеся в государственной или муниципальной собственности.

Каждый гражданин вправе иметь доступ к водным объектам общего пользования и бесплатно использовать их для личных и бытовых нужд, если иное не предусмотрено Водным кодексом Российской Федерации, другими федеральными законами. Полоса земли вдоль береговой линии водного объекта общего пользования (береговая полоса) предназначается для общего пользования. Ширина береговой полосы водных объектов общего пользования составляет двадцать метров, за исключением береговой полосы каналов, а также рек и ручьев, протяженность которых от истока до устья не более чем десять километров. Ширина береговой полосы каналов, а также рек и ручьев, протяженность которых от истока до устья не более чем десять километров, составляет пять метров.

2) Особо охраняемые водные объекты – водные объекты (или их части), имеющие особое природоохранное, научное, культурное, а также эстетическое, рекреационное и оздоровительное значение. Их перечень определяется законодательством об особо охраняемых природных территориях.

Водные объекты составляют основу водных ресурсов. Для изучения водных объектов и их режима применяются гидрологические методы измерения и анализа.

 

ГИДРОЛОГИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

 

Вода в недрах Земли находится в жидком, твердом и газообразном состоянии. Она или свободно циркулирует по трещинам и порам горных пород и почв, подчиняясь силе тяжести, или находится в физически и химически связанном состоянии с минеральными частицами почв, грунтов и горных пород.

Вопрос о происхождении подземных вод издавна привлекал к себе внимание исследователей. Долгое время существовали две теории, отрицавшие одна другую:

1) теория инфильтрации, в которой утверждается, что скопление подземной воды есть результат просачивания атмосферных осадков в почву и грунт,

2) теория конденсации доказывающая, что источником происхождения подземных вод является водяной пар атмосферы, который вместе с воздухом попадает в холодные слои земной коры и там конденсируется.

К настоящему времени можно считать установленным, что основным видом питания подземных вод зоны активного водообмена является инфильтрация (просачивание) атмосферных осадков. Часть подземных вод образуется путем конденсации и сорбции.

Единой точки зрения по вопросу формирования запасов подземных вод в глубоких недрах земной коры в настоящее время нет. Различные взгляды отражены в трех основных гипотезах происхождения подземных вод [2]:

1) Магматическое и метаморфическое происхождение. Воды возникают на больших глубинах из диссоциированных ионов Н и О₂ или паров воды, поднимающихся из магматической или метаморфической зоны. На земную поверхность эти воды могут выходить в виде минеральных источников с высокой температурой.

2) Седиментационное происхождение. К таким водам относятся воды древних морей, лагун, озер, накапливающиеся в осадочных толщах. Эти воды, погребенные последующими отложениями, сохраняются в глубоких закрытых пластах в течение длительного геологического времени.

3) Поверхностное (атмосферное) происхождение.

Виды воды в порах

 

1) Химически связанная (конституционная) вода – входит в молекулу вещества гидроксильной группой, например Fе₂О₃+ЗН₂О → 2Fе(ОН)₃. Удаление химически связанной воды при прокаливании сопровождается распадом минерала.

2) Кристаллизационная вода – является составной частью многих минералов, например гипса (CaSO₄*2H₂O), и удаляется из породы нагреванием до 100-200 °С или химическим путем.

3) Парообразная вода – находится в порах и пустотах пород и перемещается главным образом под влиянием разности упругостей пара из областей с большей упругостью в области с меньшей.

4) Гигроскопическая вода – это вода, адсорбированная частицами породы из воздуха. Гигроскопическая вода перемещается из одних слоев в другие путем перехода в парообразное состояние. Она может быть отделена от породы только нагреванием.

5) Пленочная вода – обволакивает частицы породы сверх максимальной гигроскопичности. Эта вода адсорбируется из жидкой фазы. Она менее прочно связана с минеральными частицами и относится к категории рыхлосвязанной. Растениями пленочная вода усваивается с трудом.

6) Капиллярная вода – заполняет сравнительно мелкие поры породы. Она удерживается и передвигается в почвогрунтах под влиянием капиллярных сил из зоны большего увлажнения в зону меньшего увлажнения.

1234Следующая ⇒

Поделиться: