Методы исследований в гидрологии

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 4

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Основными методами исследований современной гидрологии являются: 1) полевой, 2) экспериментальный и 3) теоретический.

Полевые исследования включают стационарные наблюдения и измерения отдельных характеристик гидрологического режима по определенной программе в постоянном пункте водного объекта в течение длительного времени и экспедиционные исследования.

Экспериментальный метод заключается в детальном исследовании того или иного гидрологического процесса в лабораторных или природных условиях.

Теоретический метод исследования заключается в использовании общих физических законов и математических методов для решения гидрологических задач.

3. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ГИДРОЛОГИИ

Гидрология разделяется на 3 направления:

1. Гидрография – расположение систематического описания водно-гидрографической сети.

Проблемы: нехватка качественных описаний гидрографических объектов, хороших описаний рек – уклонов, бассейнов рек, участков затопления, выхода групп рек, скорости течения.

2. Гидрометрия – методы измерений и наблюдений.

Проблемы: резкое сокращение сети наблюдений за характеристиками, проблема природного парка – отсутствие заводов, нерепрезентативность наблюдений.

3. Инженерная гидрология.

Проблемы: современных методов расчетов и прогнозов – кратко- и долгосрочных (наводнение, таяние снега) при гидротехническом строительстве.

4. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГИДРОЛОГИИ

Охрана природы, защита водных объектов от истощения и загрязнения.

Геоэкология – комплексная наука, призванная изучать взаимодействие геосфер между собой и с человеческим обществом.

Гидроэкология изучает экологию водных объектов, водные экосистемы, т. е. совокупность водной среды, водных организмов и деятельности человека.

Экологическая гидрология – раздел экологии, имеющий гидрологическую направленность и ориентированный на изучение взаимодействия водных объектов и водной среды с водной биотой и человеческой деятельностью.

Экологический метод исследования в гидрологии – специфическая ориентация возможностей гидрологии в решении задач охраны окружающей среды.

5. ПОНЯТИЕ О ВОДНЫХ РЕСУРСАХ. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ЗЕМНОГО ШАРА

5 определений водных ресурсов:

1) Во́дные ресу́рсы — воды, пригодные для использования.

2) Водные ресурсы — это все воды гидросферы, то есть воды рек, озёр, каналов, водохранилищ, морей и океанов, подземные воды, почвенная влага, вода (льды) горных и полярных ледников, водяные пары атмосферы.

3) Водные ресурсы - пригодные для использования в национальной экономике запасы вод суши, Мирового океана, подземных вод, почвенной влаги, льдов, снежного покрова и их энергия: механическая или тепловая. Менее 3% составляют пресные воды, из них технически доступны для использования - всего 0.3%.

4) Водные ресурсы в широком смысле - это все природные воды Земли.

5) ВР в узком смысле - это природные воды, которые используются в хозяйственных нуждах в настоящее время и могут быть использованы в обозримом будущем (С.Л.Вендров). Наиболее ценными ВР являются запасы пресных вод.

Ресурсы пресных вод :

1. Статистические (вековые) – ежегодное изменение водных объёмов озёр, ледников, подземных вод.

2. Динамические (возобновляемые) – воды, которые ежегодно восстанавливаются в процессе круговорота воды на земном шаре. Измеряют в единицах стока.

Основные особенности водных ресурсов:

1) Вода – ресурс неистребимый.

2) Пресные воды – возобновляемый природный ресурс, круговорот воды.

3) Вода подвижна и имеет три агрегатных состояния – газообразное, жидкое, твёрдое..

4) Вода обладает уникальными свойствами и незаменима.

5) Вода – ресурс многоцелевой.

Мировые запасы воды: 93,9% - мировой океан, 4,3%- подземные воды

Пресная вода: 85% - ледники, 14% - подземные воды, 0,6% - реки 0,05% - озера и водохранилища. Полный объём = 36,7 млн км³.

Страны: Бразилия, Россия (4000 км³/год), Канада, Китай, Индонезия

Большой объем воды содержится еще и в атмосфере, и в био организмах.

Часть вторая. СВЯЗЬ ВОД СУШИ С АТМОСФЕРОЙ

6. АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ И ИХ ТИПЫ

Атмосферные осадки – вода в жидком (дождь, морось) или твердом (снег, крупа, град) состоянии. Осадки могут выпадать как из облаков (дождь, снег, град), так и из воздуха (роса, иней).

Осадки – важнейшая составляющая круговорота воды в природе. Образуются путём конденсации атмосферной влаги, во влажном морском воздухе, поступающем на сушу. Конденсация – следствие охлаждения.

Различают:

1) Обложные осадки, связанные преимущественно с теплыми фронтами. Небольшая интенсивность, большая продолжительность и площадь распространения. Вызываются медленным восхождением тёплого воздуха. Создаются благоприятные условия для просачивания воды и положения запасов грунтовых вод.

2) Ливневые осадки, связанные с холодными фронтами. Большая интенсивность, малая продолжительность и площадь распространения. Быстрое поднятие воздуха при сильно нагретой з. п. При интенсивных осадках вода не успевает просачиваться в почву и бурными потоками стекает в речную сеть (эрозия).

Осадки измеряются толщиной слоя выпавшей воды в мм. Для их возникновения необходим вертикальный перенос воздушных масс.

Типы:

1) Конвективные – характерны для тропиков и возникают в результате нагревания воздуха у поверхности земли. Развиваются восходящие потоки, что ведёт и динамическому охлаждению, а затем к конденсации воды и образованию осадков.

2) Орографические – образуются вследствие механического подъёма влажных воздушных масс, когда они обтекают естественные барьеры – горные цепи.

3) Циклонические – связаны с перемещением воздушных масс от областей с высоким давлением к областям с низким давлением. Разность в давлении за счёт неодинакового нагрева з. п.

4) Фронтальные – возникают вдоль фронта, разделяющего относительно тёплые и холодные массы воздуха.

7. ОБРАЗОВАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА КОЛИЧЕСТВО ОСАДКОВ

Главное условие образования атмосферных осадков:

Охлаждение тёплого воздуха, приводящее к конденсации содержащегося в нём пара. При подъёме и охлаждении тёплого воздуха образуются облака, состоящие из капелек воды. Сталкиваясь в облаке, капли соединяются, увеличивается их масса. Нижняя часть облака синеет, и оно поливается дождём. Осадки приносятся влажными воздушными массами, формирующимися над океанами.

На количество осадков влияют:

1) Рельеф. Количество осадков с увеличением высоты растёт, не пропускают влажные ветры.

2) Растительность. Крупные лесные массивы увеличивают количество осадков за счёт шероховатости поверхности и повышенного испарения. Меньше осадков идёт на сток, увеличивается местный влагооборот.

3) Крупные водоёмы (большие акватории). Из-за термической инверсии (температура воздуха с высотой растёт) опускание воздушных масс к поверхности воды, осадки снижаются над поверхностью водоёмов.

4) Океанические течения. В прибрежных частях материков. Тёплые – способствуют, холодные – препятствуют.

5) Города. Локальное влияние на осадки.

У экватора нагретый воздух, который, поднимаясь вверх, охлаждается и насыщается. Возникают обильные дожди при низком давлении.

8. МАЛЫЙ И БОЛЬШОЙ КРУГОВОРОТ ВОДЫ

Круговорот воды в природе – непрерывный процесс циркуляции воды на земном шаре между геосферами, обусловленный солнечной энергией, действием силы тяжести и геологическими процессами.

В процессе круговорота вода испаряется с поверхности океана, водяные пары перемещаются вместе с воздушными течениями, конденсируются, и вода возвращается в виде атмосферных осадков на поверхность суши и моря. Различают:

1) Большой круговорот воды, при котором вода, выпавшая в виде осадков на сушу, возвращается в море путем поверхностного и подземного стоков (Океан —> воздух —> суша —> океан).

2) Малый круговорот воды, при котором осадки выпадают на поверхность океана (Океан —> воздух —> океан).

Физические причины:

Солнечная энергия (причина испарения) и сила тяжести (выпадение осадков).

Большой круговорот – вода, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится воздушными потоками на сушу, выпадает на нее в виде осадков и частично стекает обратно в Мировой океан, частично аккумулируется в области внутреннего стока, обычно в крупных бессточных озерах. Испаряясь с поверхности этих озер, влага в общем потоке водяных паров вновь попадает в Мировой океан. В процессе круговорота воды осуществляется перераспределение тепла.

9. ВНУТРИМАТЕРИКОВЫЙ ВЛАГООБОРОТ

Осадки, выпадающие на любой участок земли, складываются из «внешних» и «внутренних» – образованных в результате испарения с конкретного участка. «Внутренние» осадки – это испарившаяся с данной территории вода, которая повторно выпадает на эту же территорию.

Важнейшая характеристика внутриматерикового влагооборота – отношение внутренних (Х_Z) и внешних (Х_А) осадков или отношение всех осадков (Х) к внешним осадкам (Х_А). Эту величину называют коэффициентом влагооборота: K = Х_Z/X_A = X/X_А

Коэффициент влагооборота показывает, сколько раз пришедший извне на данную территорию водяной пар выпадет в виде осадков до того, как воздушные потоки и речной сток вынесут его за пределы этой территории.

Часть третья. РЕКИ

10. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РЕЧНЫХ ВОД

Речные воды имеют, как правило, сравнительно невысокую минерализацию и относятся к пресным водам. Формирование химического состава речных вод определяется как естественными, климатическими и почвенно-гидрогеологическими условиями, так и антропогенными факторами.

В гидрохимический состав речных вод входят следующие основные группы:

1. Макроэлементы - главнейшие ионы и катионы, определяющие минерализацию речной воды. К числу главных ионов и катионов, содержащихся в речных водах, относят HCO₃^-, CO₃^2-, SO₄^2-, CI^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺.

2. Микроэлементы, из числа которых в речных водах присутствуют бром, медь свинец, ртуть, марганец, цинк, в количествах, не превышающих 10-30 мкг/л.

3. Биогенные элементы, в речных водах – это соединения неорганического азота и фосфора.

Химические характеристики стока меняются при смене одной фазы водного режима другой.

В период половодья склоновые воды характеризуются малой минерализацией (50-100мг/л) гидрокарбонатно-кальциевым составом, относительно большим содержанием растворенных в воде органических веществ гумусового происхождения и низкой величиной рН.

На спаде половодья в реки поступают почвенно-грунтовые воды вследствие дренирования водоносных горизонтов почвенно-грунтовой толщи. Они характеризуются довольно значительной минерализацией, преобладанием гидрокарбонатов в составе анионов и небольшим количеством органических веществ.

В период межени реки питаются за счет грунтовых вод. Поступление грунтовых вод приводит к увеличению минерализации с севера на юг (от 250-600 мг/л до 800-5000 мг/л) и большому разнообразию химического состава, вследствие разнообразия почвенно-геологических условий.

11. ВИДЫ КОЛЕБАНИЯ ВОДНОСТИ РЕК

1. Краткосрочные: сгонно-нагонные (в устьевых областях), паводки (ливневые), суточные колебания (при суточном регулировании ГЭС – волны попусков и внутрисуточные колебания рек с ледниковым питанием).

Режим уровня воды не всегда следует за колебанием водности. В устьевой области при повышении уровня воды расход падает. При зарастании русла расход не меняется, а уровень повышается. При ледовых заторных/зажорных явлениях уровень повышается, расход не меняется за счёт ледовой плотины.

Большинство рек не имеет ясно выраженного суточного хода уровней. Исключением являются реки с ледниковым питанием, для которых в соответствии с режимом таяния ледников в ночные часы наблюдается наинизший уровень (таяние прекращается), а в середине дня – наивысший (таяние достигает максимума).

2. Сезонные (внутригодовые) – связаны с изменением водности рек в различные фазы водного режима (половодье, межень, паводки), т.е. количеством поступающей воды. Повышение связано со снеготаянием, дождями, зарастанием русла (подъёмом воды).

В годовом ходе уровней выделяют наивысший, средний и наинизший.

3. Многолетние – зависит от изменений климатических характеристик. Часто на него оказывает влияние хозяйственная деятельность человека.

12. ВИДЫ ПИТАНИЯ РЕК

Питание реки (русск.) — приток воды в реку (водоток) от разных источников. Главные типы питания рек:

1. Дождевое —.чем меньше влажность воздуха и суше почва в период выпадения дождя, тем больше затраты воды на испарение и инфильтрацию и тем меньше величина дождевого стока.

2. Снеговое — снеготаяние начинается после достижения температуры воздуха положительного значения. Водоотдача зависит от физических свойств снега (основное для рек в умеренном и субарктическом поясах).

3. Ледниковое — имеют реки, вытекающие из районов с высокогорными ледниками (для арктического и антарктического поясов и высокогорий).

4. Подземное (грунтовое) — приток подземных вод в водотоки и водоемы

(для областей, в умеренно континентальных зонах, для рек предгорий).

5. Смешанное — дождевое, снеговое, грунтовое — для многих областей умеренных поясов и муссонных.

13. РЕЖИМ УРОВНЯ ВОДЫ В РЕКЕ. ТИПЫ УРОВЕННОГО РЕЖИМА

Уровень воды – высота поверхности воды над условной плоскостью сравнения, называемой «нулем графика», H, [см], смотри рисунок 5.

Уровень воды измеряется на пунктах гидрометеорологической сети наблюдений в определенные сроки (обычно 2 раза в сутки в 8 и 20 часов) [Практикум по гидрометрии].

Рисунок 5. Уровень воды над нулем графика водомерного поста

Изменения уровня воды могут быть связаны с увеличением объема воды

в русле или происходить без изменения объема.

Наблюдаемые в реке колебания уровня воды вызываются, главным образом, изменениями расхода. Такие изменения связаны с изменением объема воды в русле. К ним относятся изменения вызывные увеличением приходной части водного баланса – увеличение количества осадков, в период паводков, увеличение стока с водосбора за счет таяния сезонных запасов снега (в половодье), увеличение объема воды в бассейне вследствие изменения климата.

Типы уровней воды:

Половодье, паводок – максимальный уровень

Летняя и зимняя межень – минимальный уровень

14. ФАЗЫ ВОДНОГО РЕЖИМА РЕК. ТИПОВОЙ ГИДРОГРАФ РЕКИ

Фаза водного режима реки - характерное состояние водного режима реки, повторяющееся в определенные гидрологические сезоны в связи с изменением условий питания.

Основными фазами водного режима реки являются половодье, паводок, межень.

Водный режим - изменение во времени уровней и объемов воды в водных объектах и почтах.

Межень – летний или зимний период пониженной водности рек, связанный с уменьшением притока воды с водосбора. В этот период питание рек осуществляется в основном грунтовыми водами, дренируемыми гидрографической сетью.

Половодье – период повышенной водности рек, характеризующейся высоким и длительным подъемом уровня, часто сопровождающейся выходом воды из русла на пойму. Причинами являются весеннее снеготаяние (для равнинных рек), таяние снега и ледников (для высокогорных рек), в муссонных и тропических зонах – выпадение летних дождей. Для рек одной климатической зоны повторяется в один и тот же сезон, с различной интенсивностью и продолжительностью.

Паводки – быстрый, сравнительно кратковременный подъем уровня воды в отличие от половодья, возникает нерегулярно. Величина уровня и расхода воды при паводке может превышать уровень и расход воды в период половодья. Причиной возникновения чаще всего являются дожди, но

в условиях неустойчивой зимы паводок может быть вызван интенсивным кратковременным снеготаянием.

Гидрограф стока – график изменения расхода воды во времени. Он строится по среднесуточным расходам воды с 1 октября по 30 сентября. Гидрографы стока отражают внутригодовое распределение стока рек в зависимости от различных условий его формирования на водосборе.

По внутригодовому распределению стока различают реки

· с весенним половодьем,

· с половодьем в теплую часть года,

· с паводочным режимом.

Типовой гидрограф реки построен по среднемноголетним величинам стока. На нем хорошо прослеживаются фазы водного режима реки: зимняя межень, весеннее половодье, летняя межень, летне-осенние паводки.

15. ГИДРОГРАФИЧЕСКАЯ СЕТЬ И ЕЁ ПАРАМЕТРЫ

Гидрографическая сеть - совокупность водотоков и водоемов суши в пределах определенной территории.

Она характеризуется коэффициентами густоты речной сети, озёрности и заболоченности – это отношение площади зеркала озера или поверхности болот к площади территории, выраженное в процентах.

Строение гидрографической сети: её густота, озёрность, заболоченность — обусловлено всем комплексом физико-географических условий и прежде всего климатом (суммой годовых осадков, величиной испарения), рельефом, геологическим строением местности.

В процессе эрозии происходит присоединение к речному водосбору новых площадей, ранее не имевших стока в речную систему, ликвидация бессточных участков, западин. Уменьшение стока ведёт к обособлению отдельных частей гидрографической сети.

16. МОРФОЛОГИЯ И МОРФОМЕТРИЯ БАССЕЙНА РЕКИ

Водосбор реки – это часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда данная река получает своѐ питание. Различают:

· поверхностный – это участок земной поверхности, с которого поступают воды в данную речную систему или определѐнную реку;

· подземный – образует толщи рыхлых отложений, из которых вода поступает в речную сеть

Бассейн реки – это часть суши, включающая данную речную систему и ограниченная орографическим водоразделом. Бассейны рек, впадающих в один и тот же приемный водоём, объединяются соответственно в бассейны озёр, морей, океанов.

Основными морфометрическими характеристиками речного бассейна служат:

- площадь бассейна F,

- длина бассейна L_б – прямая между устьем реки и точкой на водоразделе, прилегающей к истоку реки

- ширина бассейна Вб ср, вычисляется по формуле: В_{б ср} = F/L_б.

- распределение площади бассейна по высотам местности, представленной гипсографической кривой, показывающей, какая часть площади бассейна расположена выше любой заданной отметки местности.

17. ГИДРОЛОГО-МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РУСЛА РЕКИ

Поперечный профиль русла водотока – очертания русла водотока

в плоскости, перпендикулярной к средней линии русла водотока.

В – ширина русла, w – площадь поперечного сечения,

P – длина смоченного периметра, Н_мах – максимальная глубина

Рисунок 10. Морфометрические характеристики русла

К гидролого-морфометрическим характеристикам поперечного сечения относят: ширину русла (В, м) (смотри рисунок 10), площадь поперечного сечения (w, м²) (смотри рисунки 9б и 10), среднюю глубину (Н_ср, м), длину смоченного периметра (P, м) (смотри рисунки 9б и 10), гидравлический радиус (R, м).

1. Ширина русла (В, м)

2. Площадь поперечного сечения (W = B * H_ср)

3. Средняя глубина (Н_ср, м) – отношение площади водного сечения (w, м²) к ширине русла (В, м).

,

4. Смоченный периметр (P, м) – часть периметра, по которой происходит соприкосновение потока с твёрдыми стенками (смотри рисунки 9б и 10).

5. Гидравлический радиус (R, м) – гидравлическая характеристика поперечного сечения потока жидкости, выражаемая отношением площади этого сечения (w, м²) к его смоченному периметру (P, м).

,

Величина гидравлического радиуса изменяется в зависимости

от размеров и формы поперечного сечения русла. Для открытых русел большой ширины гидравлический радиус принимается равным средней глубине потока.

6. Уклон водной поверхности – крутизна продольного профиля реки ( I=∆H/L, ∆H-падение уровня, L – длина реки на участке)

18. УРОВЕНЬ И СТОК ВОДЫ В РЕКАХ

Уровень – высота поверхности воды в данном створе над какой-то условной плоскостью отсчета (0,5м ниже средне минимального уровня воды). Колебания уровня воды могут быть (КУВ):

Многолетние – определяется климатическими факторами.

Сезонные – зависят от водности ( кол-во поступающей воды), повышение связано со снеготаянием и дождевыми осадками, от зарастания русла (подъем воды)

Краткосрочные – вызывают паводки, ливневые осадки, сгононагонные колебания в устье, приливно-отливные колебания в устье.

Речной сток включает:

Сток воды – процесс стекания воды в речных системах и характеристика количества стекающей воды.

Сток наносов – процесс перемещения наносов в речных системах и характеристика количества перемещающихся в реках наносов.

Сток растворённых веществ – процесс переноса в речных системах растворённых в воде веществ (соли, иона)

Сток теплоты – процесс переноса теплоты.

19. РЕЖИМ СТОКА НАНОСОВ

Твердые частицы, образующие речные наносы, поступают в русла рек в результате процессов эрозии поверхности водосбора и речного русла. Интенсивность процесса эрозии поверхности водосбора зависит от интенсивности поступления воды на поверхность в результате выпадения осадков или снеготаяния, уклона поверхности и устойчивости поверхности к размывающему действию потока.

Интенсивность эрозии русла рек зависит от скорости потока и устойчивости грунтов, слагающих дно и берега. Часть речных наносов образуется в результате абразии (волновом разрушении) речных берегов на широких плёсах. Наибольшую концентрацию наносов имеют реки с паводочным режимом и протекающие в условиях засушливого климата и легко размываемых грунтов. Это такие реки как Терек, Амударья, Ганг, Инд, Хуанхэ.

Наиболее важные характеристики наносов:

- геометрическая крупность, выражается через диаметр частиц наносов (D, мм),

- гидравлическая крупность – скорость опускания частицы

в неподвижной воде (W, мм/с, мм/мин),

- мутность воды S (г/м³, кг/м³) – концентрация наносов в потоке, определяется по формуле:

,

где m – масса наносов в пробе воды, V – объем пробы воды.

По геометрической крупности наносы делят на фракции: глина, ил, пыль, песок, гравий, галька, валуны. По характеру перемещения наносов в реках выделяют два основных типа: взвешенные и влекомые наносы.

Влекомые наносы – это наносы, перемещающиеся речным потоком

в придонном слое и движущиеся скольжением, перекатыванием или сальтацией. Путем влечения по дну перемещаются наиболее крупные частицы наносов (песок, гравий, галька, валуны). Песок – на равнинных реках, галька и валуны – на горных.

Взвешенные наносы переносятся потоком в толще воды. В речном потоке они распределены неравномерно: в придонных слоях мутность наибольшая и уменьшается по направлению к поверхности, причем для взвешенных наносов более крупных фракций быстрее, чем для мелких фракций.

Транспортирующая способность потока R_тр. – предельный суммарный расход как взвешенных, так и влекомых наносов, который может при данных условиях переносить река.

Сток наносов (W_н, кг или т) рассчитывается по следующей формуле:

W_н=R*T ,

где R (кг/сек) – расход наносов, R= S_.*Q; T – промежуток времени, за который рассчитывается сток наносов.

20. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ СТОКА

1. Расход воды – количество воды, протекающее через живое сечение русла в единицу времени.

[м³/с],

где – средняя скорость потока, – площадь поперечного сечения

2. Объем стока – количество воды, протекающее через живое сечение русла за промежуток времени.

[км³, м³],

где – средний расход за рассматриваемый промежуток времени, – количество секунд в рассматриваемом промежутке времени

3. Слой стока - количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо промежуток времени, выраженное в виде слоя (в мм), равномерно распределенного по площади водосбора.

[мм],

где – объем стока (км³) , – площадь водосбора (км²).

4. Модуль стока – количество воды, стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени.

[л/(км²*с)],

5. Коэффициент стока – отношения величины слоя стока воды к слою выпавших на площадь водосбора осадков. Эта характеристика показывает, какая часть осадков расходуется на образование поверхностного стока.

где X – слой осадков. Коэффициент стока – величина безразмерная. Изменяется от 0 до 1.

21. ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА В БАССЕЙНЕ РЕКИ

1. Выпадение дождя или снега.

2. Обмен поверхности бассейна и атмосферы тепловой энергией.

3. Перехват осадков растительным покровом.

4. Формирование, изменение, таяние и исчезновение снежного покрова, водоотдача из снега.

5. Начальные потери стока, инфильтрация и формирование поверхностного стока.

6. Задержание части поверхностного стока в бессточных отрицательных формах микрорельефа склонов.

7. Динамика воды на поверхности склонов.

8.Динамика почвенных вод (явления в ненасыщенной зоне), фазовые переходы воды в почве, формирование почвенного стока.

9. Испарение.

10. Динамика подземных вод различных ярусов (явления в насыщенной зоне). Формирование подземного стока.

11. Динамика воды в русловой сети речного бассейна.

12. Сток в замыкающем створе.

22. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФОРМИРОВАНИЕ СТОКА НА ВОДОСБОРЕ

На процессы формирования стока оказывают влияние факторы, связанные с климатическими, морфометрическими и морфологическими характеристиками водосборных бассейнов. Они вносят региональные особенности в формирование гидрологического режима водных объектов и называются факторами формирования стока:

1. Климатические и метеорологические: количество солнечной радиации, температура воздуха, дефицит влажности воздуха, количество осадков, скорость ветра в среднем

многолетнем разрезе и в определенный момент времени. От них, прежде всего, зависят климатические условия территории.

2. Факторы подстилающей поверхности:

Географическое положение. Определяет режим увлажнения, оказывает влияние на снеготаяние и ледовые процессы.

Размер и форма бассейна. Чем больше бассейн, тем больше глубина вреза речного русла и объем подземного стока.

Рельеф. Характеризуется уклоном поверхности, который непосредственно определяет скорости текущей воды.

Растительность. Изменяет шероховатость склонов, и снижает скорость движения воды по поверхности (дополнительные потери на испарение и фильтрацию в почву). Кроме того, растения задерживают осадки, которые затем испаряются с листьев.

Почвы. Влияние на формирование поверхностного стока определяется водно-физическими свойствами почв: водопроницаемостью, водоудерживающей способностью и водоотдачей, которые в свою очередь определяются гранулометрическим составом.

3. Наличие других водных объектов. На территории речных бассейнов могут существовать другие водные объекты: озера, болота, ледники, наледи.

Озера. Важная роль принадлежит сточным озерам, как регуляторам речного стока. В них накапливается избыток стока половодий и паводков, который затем, медленно стекая из озера, повышает сток озерной реки в период межени.

Болота. Влияние заключается в естественном регулировании. Вода аккумулируется деятельным слоем торфяной залежи, затем медленно стекает с болотного массива.

Ледники. Внутригодовое распределение стока рек со значительной степенью оледенения их бассейнов характеризуется большой неравномерностью. На короткое лето здесь приходится до 90% и более общего годового стока. Зимой сток очень мал или отсутствует вовсе.

4. Геологическое строение. Определяет чередование водоупорных и водопроницаемых пород, характер водоносных горизонтов и глубину залегания подземных вод.

5. Вечная мерзлота. Подземные воды в этих районах разделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные, при этом многолетнемерзлые породы выступают в качестве водоупора. Это возможно в условиях переувлажненных грунтов, где все поры заполнены льдом.

6. Антропогенные факторы. В современных условиях широкого использования водных ресурсов и проведения агрономических, агролесомелиоративных и гидромелиоративных мероприятий – хозяйственная деятельность человека воздействует как непосредственно на сток, так и на условия его формирования.

23. ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТОКА НА ВОДОСБОРЕ

1) Географическое положение бассейна

- удаленность от моря и океана

- экспозиция бассейна по отношению к основному направлению влагоносных ветров.

2) Размеры и форма бассейна

- чем больше площадь бассейна, тем больше расход воды в реке.

3) Характер поверхности

4) Расчленённость рельефа (горизонтальная)

5) Влияние растительности

6) Эрозия склонов

- горнодобывающая промышленность.

7) Хозяйственная деятельность

- искусственные преобразования гидрографической сети бассейна и режима рек.

8) Влияние водных объектов

- озёра и болота – увеличивают испарение в бассейне и являются регуляторами речного стока.

- ледники – увеличивают сток в период летне-осеннего периода

- наледи – это слоистый ледяной массив на поверхности земли образовавшийся при замерзании изливавшихся природных вод.

Зимой до 85% воды расходуется на обр наледи

Весной сток увеличивается за счёт таяния наледи.

24. ВОДНЫЙ БАЛАНС ПОВЕРХНОСТИ ВОДОСБОРА

dH/dt = i – f – e – T_пов

dH/dt – изменение запасов воды на поверхности бассейна в какой-то период времени

i – интенсивность осадков

f – интенсивность фильтрации

e – интенсивность испарения

Т_пов - интенсивность поверхностного притока к русловой сети

25. ВОДНЫЙ БАЛАНС БАССЕЙНА РЕКИ

Водный баланс является количественной характеристикой всех форм прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени в бассейне реки.

Уравнение водного баланса в общем виде:

,

где – изменение запасов воды в бассейне реки за расчетный промежуток времени;

– приходная часть уравнения водного баланса;

– расходная часть уравнения водного баланса.

Приходная часть: атмосферные осадки, конденсация водяного пара, приток подземных вод в случае несовпадения поверхностного и подземного водоразделов, поверхностный приток в случае наличия гидротехнических сооружений, которые обеспечивают переброску стока из соседних бассейнов.

Расходная часть: испарение с поверхности бассейна, отток грунтовых вод за пределы бассейна в случае несовпадения поверхностного и подземного водоразделов, русловой сток в замыкающем створе, поверхностный отток в соседние бассейны при наличии гидротехнических сооружений.

Уравнение водного баланса для многолетнего периода:

,

где – норма стока (среднемноголетнее значение стока), – норма осадков (среднемноголетнее значение осадков), – норма испарения (среднемноголетнее значение испарения).

26. ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РЕК

Термический режим рек определяется соотношением составляющих теплового баланса, теплообменом между атмосферой, водной массой и ложем реки. Основным источником тепла является суммарная солнечная радиация, поглощаемая поверхностью воды. Температура воды достаточно тесно связана с температурой воздуха. Годовой и суточный ход температуры воды в целом соответствует ходу температуры воздуха, но из-за большой теплоемкости воды максимальные значения наступают несколько позднее времени наступления максимальных значений температур воздуха.

Изменения в термическом режиме рек:

1. Суточные: отстают от изменения температуры воздуха. Минимальная – утром, максимальная – вечером (3 – 5 p.m.). Суточные колебания температуры воды хорошо выражены на реках, берущих начало из ледников.

2. Сезонные: зимой под ледовым покровом температура воды у поверхности реки равна 0⁰С. Весной и осенью температура воды отстаёт от температуры воздуха.

3. Пространственные: подчиняющееся широтной зональности изменение температуры воды вдоль крупных рек, текущих в меридиональном направлении. У таких рек наибольшее различие температуры воды вдоль реки отмечается в период нагревания.

27. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ДЛЯ БАССЕЙНА РЕКИ

,

где изменение запасов тепла в бассейне реки за рассматриваемый промежуток времени,

– прямая и рассеянная солнечная радиация,

– длинноволновое излучение атмосферы,

– длинноволновое излучение поверхностей (почва, водная поверхность, снег, лед) с минусом,

– турбулентный теплообмен с атмосферой,

– потеря тепла с речным стоком,

– поглощаемое или выделяемое тепло при фазовых перехода воды (испарение, конденсация, ледообразование и плавление льда),

Т_пр – приход тепла с притоками в случае нарушения границы водораздела.

28. ИСПАРЕНИЕ С ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И РАСТИТЕЛЬНОСТИ

Испарение с водной поверхности тем больше, чем меньше влажность воздуха и больше скорость воздуха.

Испарение с растений: три стадии –

1. поглощение влаги корневой системой,

2. подъем воды по стеблям,

3. испарение с поверхности листьев (чем больше корни и листья, тем больше испарение). Интенсивность испарения воды с листьев зависит от типа растительности. Разные растения расходуют различные объёмы воды на испарение. У них различно и отношение массы испаряемой ими воды к массе прироста сухого вещества – транспирационный коэффициент характеризует продуктивное испарение.

29. КЛАССИФИКАЦИЯ И РАЙОНИРОВАНИЕ УСТЬЕВЫХ ОБЛАСТЕЙ

Устьевая область реки – это особый физико-географический объект, расположенный при впадении крупной реки в море, в пределах которого происходят специфические устьевые процессы. Они обусловлены взаимодействием речных и морских вод.

В пределах этой области происходит трансформация гидродинамических, физико-химических и биологических свойств водных масс, а также процессы аккумуляции наносов и дельтообразования.

Границы морской устьевой области или устьевой области реки простираются от речной (верхней) границы до морской (нижней) границы.

Речная граница устьевой области (РГУО) определяется по максимальной дальности распространения в реку колебаний уровня воды морского происхождения (приливов, нагонов) при меженном речном стоке, либо по месту, где начинается разветвление русла реки на дельтовые рукава, если колебания уровня моря затухают в дельте.

Морская граница устьевой области (МГУО) – это среднее положение гидрофронта (разделение пресных и морских вод по 1⁰/₀₀) при максимальном стоке воды реки.

Морские устьевые области бывают: бездельтовые и дельтовые (смотри рисунок 11).

Простая и эстуарная устьевые области

Эстуарно-дельтовая и дельтовая устьевые области

Рисунок 11. Типы дельтовых устьевых областей

Морская устьевая область может быть разделена на две подобласти: устьевой участок реки и устьевое взморье (смотри рисунок 12).

На устьевом участке реки преобладает речной гидрологический режим, но активно влияет приемный водоем (море). На устьевом взморье преобладает гидрологический режим, свойственный приемному водоему, но активно влияет река.

Рисунок 12. Схемы устьевых областей рек разного типа

Устьевой участок реки в свою очередь подразделяется на речной участок почти с чисто речным режимом и влиянием моря только в период межени стока и дельту (там, где она имеется).

Дельта – это многорукавный участок реки в ее устьевой области.

Вершиной дельты называется место ответвления первого рукава или протоки впадающего непосредственно в море или в один из рукавов дельты.

Устьевое взморье подразделяется на отмелую часть устьевого взморья и приглубую.

30. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА УСТЬЕВОГО УЧАСТКА РЕКИ И УСТЬЕВОГО ВЗМОРЬЯ

Устьевой участок реки:

Важная черта – наличие дельты (форма устья реки; низменность в низовьях крупных рек, впадающих в мелководные участки моря или озера, образованная речными отложениями). В период повышенного стока наносов дельта выдвигается в море и ее площадь увеличивается. Устьевое удлинение – это увеличение длины рукавов дельты при их выдвижении в море или озеро. С выходом дельты на большие морские глубины её выдвижение замедляется. Если в устье реки дельта, то происходит периодическое затопление водами половодья и перераспределение стока по её рукавам.

Особенности проявления морского режима на устьевом участке реки заключаются в распространении на некоторое расстояние волн и приливов. Вверх по реке они затухают.

Приливы колебания уровня наибольших величин достигают именно в устьях рек. Приливы и нагоны на больших реках распространяются на большие расстояния. Штормовые нагоны в устье вызывают наводнения и проникновение в реку осолонённых вод.

Устьевое взморье:

Морской режим, свойственный прибрежной зоне моря. Характерны ветровые и приливные течения, волновые процессы. Река влияет на устьевое взморье в зоне опреснения, где с удалением от берега повышается солёность воды и уменьшается скорость стоковых течений.

Вода из пресной трансформируется в солоноватую или солёную, изменяется химический состав воды.

1. Гидрохимический барьер: речной –> морской тип солевого состава при 2 – 4 ⁰/₀₀.

2. Гидробиологический барьер: пресноводная –> солоноватая биота при 6 – 9 ⁰/₀₀.

При затухании скоростей течения речной поток на взморье теряет способность перемещать наносы и они отлагаются. Отложение речных наносов в устье водотока ведёт к формированию отмели – устьевого бара, начального элемента, из которого формируется дельта. Зона отложения речных наносов постепенно смещается в сторону моря.

Предельная дальность распространения приливов и волн тем больше, чем больше их величина в море и меньше обусловленный речным стоком уклон водной поверхности в реке.

31. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ УСТЬЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Устьевая область реки – это зона взаимодействия реки и приемного водоёма, подверженная влиянию морских и речных факторов.

Речные – сток воды и наносов,

Морские – солёность воды и волнение.

В устьях рек взаимодействуют две очень разные водные массы – речная и морская. Река оказывает воздействие на приёмный водоём, опресняя его прибрежные воды. Здесь формируется зона смешения речных и морских вод, где солёность воды изменяется от свойственной речным водам до характерной для моря. Помимо опреснения река создает в прибрежной части моря зону мутных вод и зону стоковых течений.

Приёмный водоём оказывает на реку прежде всего влияние через колебания уровня воды морского происхождения. Вершину устьевой области определяют по предельной дальности распространения вверх по реке в межень приливных уровней воды.

Вершина дельты – это место деления реки на крупные дельтовые рукава, переносящие речную воду в приемный водоём.

Если приливы и нагоны не распространяются выше вершины дельты, то именно вершину дельты принимают за вершину устьевой области.

Если же приливы или нагоны распространяются выше вершины дельты, то между вершиной устьевой области и вершиной дельты выделяют придельтовый участок реки.

Чем больше сток воды, тем сильнее воздействие реки на режим еѐ устьевой области, тем относительно слабее воздействие морских факторов, чем больше сток наносов, тем активнее идёт в устье реки формирование дельты.

32. ЗАМЕРЗАНИЕ РЕК

Процесс замерзания начинается с появлением на поверхности воды сала – очень тонкого слоя смерзшихся ледяных игл, образующих пятна. По мере охлаждения воды в прибрежных мелководных участках появляются забереги – ледяной припай в виде полос льда, которые в дальнейшем расширяются. Снег, выпавший на поверхность охлаждающейся воды, образует снежуру. Одновременно внутри потока при значительном его переохлаждении и перемешивании возникает внутриводный лед (шуга). В период образования ледовых явлений на реках наблюдается осенний ледоход.

В местах сужения русла поперечное сечение реки может заполняться внутриводным льдом, что приводит к образованию зажора и вызывает резкие поднятия уровня воды.

САЛА –> ЗАБЕРЕГ –> СНЕЖУРА –> ШУГА –> ЗАЖОР

33. ЛЕДОСТАВ НА РЕКАХ

По мере образования неподвижного ледяного покрова наступает фаза ледостава. В период ледостава на порожистых участках могут образовываться незамерзающие пространства – полыньи.

Толщина льда на реках зависит от температуры воздуха, толщины снега на поверхности льда и скорости течения воды. Она может изменяться от нескольких сантиметров для рек с неустойчивым ледяным покровом до 1,5-2 м на реках, протекающих в высоких широтах. Реки Восточной Сибири на отдельных участках могут промерзать до дна.

В период ледостава могут образовываться наледи. На́ледь – это естественное ледяное образование, образующееся в результате замерзания речных или подземных вод, излившихся на земную поверхность.

По происхождению наледи делятся на:

· наледи поверхностных вод,

· наледи подземных вод,

· смешанные наледи.

Различают:

· сухие наледи, образованные единовременным выходом воды,

· мокрые наледи, покрытые водой, постепенно изливающейся на поверхность льда.

Наледи наиболее широко распространены в области многолетнемёрзлых горных пород, но они характерны и для районов глубокого сезонного промерзания. Интенсивность развития наледей зависит от запасов подземных вод и водности предшествующего лета, глубины промерзания сезонно-талого слоя.

Места выхода наледей приурочены к участкам уменьшения сечения русла и очагам разгрузки подземных вод.

ЛЕДОСТАВ –> НАЛЕДЬ

34. ЛЕДОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ НА РЕКАХ. ВСКРЫТИЕ РЕК

Ледовый режим. При наступлении отрицательных температур воздуха и охлаждении поверхности воды создаются условия для образования ледяного покрова.

Время наступления ледовых явлений на реках, продолжительность ледостава и сроки полного освобождения рек ото льда определяются климатическими условиями, строением и размерами речных систем. Продолжительность ледостава может изменяться от 8-9 месяцев (на реках севера Сибири), до 1 месяца и при этом иметь неустойчивый характер (реки европейской части РФ) [4]. Многие реки Мира вообще не покрываются льдом.

Выделяют три фазы зимнего режима рек: замерзание, ледостав, вскрытие.

Вскрытие рек. При установлении положительного теплового баланса начинается процесс таяния и разрушения льда.

Таяние ледяного покрова происходит сверху за счет теплообмена с атмосферой и поглощения солнечной радиации. Уменьшение толщины льда в этом случае пропорционально притоку тепла.

Уменьшение толщины льда происходит также снизу за счет адвекции теплоты с вышерасположенных участков рек, где ледяной покров уже отсутствует, или за счет теплоты, поступающей через лед и поглощенной водной массой.

Разрушение льда происходит вследствие механического воздействия водного потока. Процесс разрушения ледяного покрова начинается у берегов, где образуются полосы свободной воды – закраины. Лед теряет прочность, начинаются подвижки и образуется весенний ледоход.

Движение льда часто сопровождается образованием в узких частях и на поворотах русла ледяных заторов, которые приводят к резким подъемам уровня воды и наводнениям.

ЗАКРАИНЫ –> ПОДВИЖКИ –> ВЕСЕННИЙ ЛЕДОХОД –> ЗАТОР

Часть четвёртая. ОЗЁРА

35. ТИПЫ ОЗЁР

Озеро – водоём с замедленным водообменом, не имеющий обратной связи с океаном.

I . По размеру – очень большие > 1000км², большие от 101 до 1000км², средние от 10 до 100 км², малые < 10 км².

II . По степени постоянства – постоянные и временные

III . По географическому положению – интразональные (в той же геогр. зоне), полизональные (водосбор в нескольких географических зонах)

IV . По происхождению котловин:

· Эндогенные

1. Тектонические: в тектонических прогибах, впадинах, трещинах, рифтах, сбросах, грабенах.

2. Вулканические: либо в кратерах потухших вулканов, либо вследствие подпруживания рек продуктами вулканизма.

· Экзогенные

3. Метеоритные: в местах падения метеоритов.

4. Ледниковые: деятельность ледников.

4.1. Троговые: «выпахивающая» работа ледников (эрозия).

4.2. Каровые: в карах (эрозия).

4.3. Моренные: в ледниковых отложениях.

5. Карстовые: в районах залегания известняков, доломитов и гипсов в результате хим. Растворения этих пород поверхностными и в особенности подземными водами.

6. Термокарстовые: многолетнемёрзлые грунты.

7. Суффозионные: просадки, вымывание частиц из грунта.

8. Речного происхождения: эрозионно-аккумулятивная деятельность рек. Пойменные (старицы, промоины, небольшие озёра), дельтовые и придельтовые водоёмы, плёсы пересыхающих рек.

9. Морского происхождения:

9.1. Лагуны – подпорное влияние моря.

9.2. Лиманы – УУР, отклонённые от берега акваторий косами – барами.

10. Эоловые: в понижениях между песчаными дюнами.

11. Органогенные: в болотах.

V . По характеру водообмена: сточные, бессточные, проточные.

VI . По солёности: солёные, пресные.

36. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОЗЁРНОЙ ВОДЫ, ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ ОЗЁР ПО КОЛИЧЕСТВУ СОДЕРЖАЩИХСЯ В НИХ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

Вещества, содержащиеся в озерной воде можно разделить на 4 основные группы: ионный состав, растворенные газы, биогенные и органические вещества.

Минерализация озер изменяется в очень широких пределах и может достигать 300 – 350 мг/кг, образуя рассолы, соленость которых во много раз превышает соленость морской воды.

К основным ионам, присутствующим в озерной воде, относятся HCO^-, CO₃^2-, SO₄^2-, CI^-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, микроэлементы содержатся в воде в ничтожных количествах. Распределение ионов подчиняется географической зональности.

По степени солености озера делятся на четыре группы: пресные

с минерализацией до 1‰, солоноватые 1,0-24,7‰, соленые 24,7-47‰, соляные или минеральные – более 47‰.

Одним из важных факторов накопления солей в озерной воде является проточность озера. В сильно проточных озерах накопление солей незначительно. Наибольшая минерализация отмечена на бессточных озерах, в которых аккумулируются все приносимые соли.

Озеро содержит биогенные вещества (растворённые газы и органические вещества (необходимы для жизни рыб)). Кислород поступает в озёра из атмосферы. При избытке кислород уходит из воды в атмосферу.

Питательные вещества:

Олиготрофные – с малым количеством питательным веществ

Евтрофные – большое содержание органических веществ

Дистрофные – избыточное количество органических веществ.

Мезотрофные – средние трофические условия

37. РЕЖИМ УРОВНЯ ВОДЫ В ОЗЁРАХ

По приходу и расходу водной массы озера подразделяются на:

1. Сточные: принимают притоки, вытекают реки.

2. Проточные: дают сток в период высоких вод, в межень вытекающие из них водотоки высыхают.

3. Бессточные: нет поверхностного и подземного стока, вода теряется на испарение.

4. Глухие (замкнутые): нет стока в виде рек и притока, не питаются атмосферными осадками.

Многолетние колебания воды в озере зависят от климатических факторов. Сезонные колебания определяются в основном притоком воды как русловым, так и распределенным (особенно в период таяния снегового покрова). Колебания уровня воды в озерах также зависят от соотношения элементов водного баланса. Если приходная часть уравнения водного баланса больше расходной, уровень воды в озерах растет, увеличивается объем водной массы и наоборот.

Краткосрочные изменения уровня воды в озерах могут быть вызваны ветровой деятельностью (за счет ветра формируется нагон воды на одном берегу и сгон на другом). Разность атмосферного давления над отдельными частями водоема приводит также к возникновению перекосов водной поверхности (деневеляций), что приводит к изменению уровня без изменения объема водной массы. Так образуются сейши – стоячие волны большого периода. При этом колеблется вся водная масса вокруг неподвижной оси, называемой узлом сейши.

38. ВОДНЫЙ БАЛАНС ОЗЁР

Уравнение водного баланса озера в общем виде:

,

где изменение запасов воды в озере за рассматриваемый промежуток времени,

– приходная часть уравнения водного баланса,

– расходная часть уравнения водного баланса.

Приходная часть: атмосферные осадки, выпадающие на зеркало озера, конденсация водяного пара, приток подземных вод к озерной котловине, поверхностный приток (склоновый и русловой).

Расходная часть: испарение, фильтрация озерных вод в озерную котловину, сток вытекающих рек.

39. ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ ОЗЁР

Термический режим водоема – это изменение распределения температуры по глубине или термическая стратификация. Он определяется соотношением элементов теплового баланса озера и зависит от времени года, географической широты местности, объема водной массы и формы озерной котловины.

В течение года наблюдается три основных вида термической стратификации: обратная (увеличение температуры с глубиной), прямая (уменьшение температуры с глубиной), гомотермия (температура одинакова по глубине).

Период осеннего охлаждения начинается с начала отдачи тепла водой в атмосферу и заканчивается установлением осенней гомотермии – температуры наибольшей плотности воды по всей глубине водоема. После установления гомотермии наступает период зимнего охлаждения, в результате которого устанавливается обратная термическая стратификация. У нижней кромки льда температура воды приближается к нулю, а у дна – к 4⁰С. В период весеннего нагревания формируется весенняя гомотермия. На крупных водоемах этот процесс может растягиваться до середины лета. В период летнего нагревания, который начинается после установления весенней гомотермии формируется прямая температурная стратификация.

В этот период вся водная толща разбивается на три вертикальные термические зоны:

· эпилимнион – верхняя зона с малыми градиентами температуры,

· металимнион или термоклин – средняя с высоким градиентом температуры,

· гиполимнион – нижняя, холодная с малыми градиентами температуры.

Эпилимнион является слоем перемешивания, а термоклин затрудняет перемешивание более глубоких слоев воды. Толщина этих слоев зависит от размеров водоема и интенсивности ветровой деятельности. Мелководные водоемы могут быть перемешаны до дна и для них типична летняя гомотермия. В течение лета слой температурного скачка (термоклин) постепенно опускается на большую глубину и к началу осеннего охлаждения исчезает.

3 типа термического режима:

Тропические (t⁰ > 4⁰C)

Умеренные (летом температурная стратификация прямая, t⁰ > 4⁰C, зимой – обратная, t⁰ < 4⁰C).

Полярные (t⁰ < 4⁰C).

40. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ВОДОЁМОВ

Уравнение теплового баланса водоёма:

dQ/dT = T_пр – T_эф +- T_тт +- T_дно +- T_р +- T_ф +- T_гр +- T_б

dQ/dT – изменение запасов тепла в озере за рассматриваемый промежуток времени

T_пр – прямая и рассеянная солнечная радиация

T_эф – эффективное излучение

T_тт – турбулентный теплообмен с атмосферой

T_дно – теплообмен с дном

T_р – поступление и потеря тепла со стоком втекающих и вытекающих рек

T_ф – поглощаемое или выделяемое тепло при фазовых переходах воды

T_гр – теплообмен с грунтовыми водами

T_б – тепло, выделяемое или затрачиваемое при биохимических реакциях в водоёме

Часть пятая. ЛЕДНИКИ

41. ТИПЫ ЛЕДНИКОВ. ОБРАЗОВАНИЕ И СТРОЕНИЕ ЛЕДНИКОВ

Типы

Выделяют покровные, горно-покровные и горные ледники. Среди покровных ледников выделяют ледниковые щиты и купола, выводные ледники и шельфовые ледники.

Покровные ледники

Ледниковые щиты и купола представляют собой плоско-куполовидные ледники, расположенные на каменном ложе, характеризующиеся значительной толщиной и большой площадью.

Шельфовый ледник – это плавучий или частично опирающийся на дно ледник, текущий от берега в море. Распространены главным образом в Антарктиде. Крупнейшие – ледник Росса и Фильхнера-Роне.

Выводные ледники представляют собой быстродвижущиеся ледяные потоки, через которые происходит основной расход льда с данного ледосборного бассейна. Наиболее широко распространены в Антарктиде и Гренландии.

Горные ледники по местоположению можно разделить на три группы: ледники вершин, склоновые и долинные ледники. Первые расположены на вершинах и плоских пространствах гор, вторые располагаются на склонах и имеют небольшие размеры, третьи приурочены к верхним частям горных долин.

Образование

Ледники образуются в результате многолетнего накопления, уплотнения и перекристаллизации снега. Могут существовать там, где устойчиво наблюдаются низкие температуры воздуха и выпадает достаточно много снега. Обычно это приполярные или высокогорные районы. Свободно плывущие отколовшиеся части ледников называются айсбергами.

3 способа образования льда:

1) рекристаллизация снега и фирна (под давлением);

2) Замерзание талой воды в толще фирна (инфильтрационный лёд);

3) На поверхности льда (конжеляционный или «наложенный» лёд).

Строение

Наземный ледник можно разделить на две части, верхнюю – область питания (аккумуляции) и нижнюю – область абляции. Линяя разделяющая эти зоны называется границей питания ледника. Ее положение может изменяться в зависимости от климатических условий. Она иногда совпадает с фирновой линией, которая в конце лета отделяет область ледника покрытого фирном от области обнаженного льда. В области питания происходит превращение снега в фирн и лёд, и накопление льда. Ледники питаются за счет поступления твердых атмосферных осадков, лавин, метелевого переноса и нарастающих осадков (изморозь, иней).

Ледник делится на 4 зоны: снежную, снежно-фирновую, холодную фирновую, тёплую фирновую.

42. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ЛЕДНИКОВ. ДВИЖЕНИЕ ЛЕДНИКОВ

Ледник – масса естественного фирна и льда, сформированная в результате накопления и преобразования твердых атмосферных осадков, расположенная главным образом на суше, существующая длительное время и обладающая собственным постоянным движением.

Условия образования

Для того чтобы возник ледник, необходимо чтобы на каком-то участке поверхности годовое количество выпавших твердых осадков, с учетом ветрового переноса и снежных лавин, было больше, чем то их количество, которое растает, испарится или отколется в виде айсбергов.

В образовании ледникового льда принимают участие следующие процессы:

1. повторное замерзание инфильтрационной воды в толще ледника (образование инфильтрационного льда),

2. перекристаллизация твердых атмосферных осадков без участия воды,

3. повторное замерзание воды на поверхности ледника (образование конжеляционного льда),

4. процесс режеляции.

Движение

При достижении некоторой критической толщины лед приобретает свойства пластичности и начинает двигаться под уклон из области питания в область абляции под действием силы тяжести. Характер движения – вязкопластическое течение или блоковое (глыбовое скольжение). Скорость колеблется от нескольких метров (вязкопластическое течение) до нескольких сотен метров в год (глыбовое скольжение) и может достигать нескольких тысяч метров в год в выводных ледниках Гренландии и Антарктиды.

Скорость движения ледника зависит от мощности льда, наклона ложа ледника, температуры и наличия воды в леднике.

43. РЕЖИМ И ДВИЖЕНИЕ ЛЕДНИКОВ. ОСОБЕННОСТИ РЕЖИМА РЕК С ЛЕДНИКОВЫМ ПИТАНИЕМ

Режим

Под режимом ледников понимают особенности их снабжения и подпитки твёрдыми атмосферными осадками, а также особенности перемещения и изменения их массы в результате абляции -в гляциологии - уменьшение массы ледника или снежного покрова в результате таяния, испарения и механического удаления) ∆U=0-стабильный ледник, ∆U>0 ледник нарастает, ∆U<0 масса льда уменьшается. ∆U – изменение массы льда.

Движение в зависимости от режима

Сила тяжести является важным фактором, но отнюдь не единственным. В противном случае ледники быстрее двигались бы зимой, когда они несут дополнительную нагрузку в виде снега. Однако на самом деле они быстрее движутся летом. Таяние и повторное замерзание кристаллов льда в леднике, возможно, тоже способствуют движению благодаря силам расширения, возникающим в результате этих процессов. Талые воды, попадая глубоко в трещины и замерзая там, расширяются, что может ускорить движение ледника летом. Кроме того, талые воды у ложа и бортов ледника уменьшают трение и таким образом способствуют движению.

Питание рек

Проявляется с усилением таяния ледников в тёплый период года, когда другие источники питания рек истощаются. Сам ледник заполнен водой, содержащая гравитационную воду является причиной сдвига максимального стока по отношению к максимальной температуре воздуха. Чем больше площадь ледника, тем больше запаздывание между максимумом температуры воздуха и следующими за ним максимумом таяния и временем поступления талой воды в реку.

Реки, берущие начало в ледниках характеризуются повышенной водностью в теплый период, когда наблюдается наиболее интенсивное таяние ледников.

44. ВОДНЫЙ БАЛАНС ЛЕДНИКОВ

Балансом массы ледника называется соотношение прихода и расхода массы снега, фирна и льда на леднике за определенное время, т.е. разница между величинами аккумуляции и абляции. Уравнение баланса массы ледника в общем виде:

,

где – изменение запасов льда за рассматриваемый промежуток времени,

– приходная часть уравнения баланса массы ледника (аккумуляция),

– расходная часть уравнения баланса массы ледника (абляция).

Приходная часть уравнения: твердые атмосферные осадки, метелевый перенос, лавинный перенос, нарастающие осадки (иней, изморозь, твердый налет), конденсация и сублимация водяного пара, жидкие осадки, масса повторно замерзшей воды внутри ледника.

Расходная часть уравнения: испарение с поверхности снега и льда, поверхностный и подземный отток талых вод, возгонка, обвалы льда, сдувание снега ветром, откалывание айсбергов.

Если приходная часть уравнения превышает расходную (положительный баланс), то происходит увеличение массы и размеров ледника, и он наступает. Если, наоборот, расходная превышает приходную (отрицательный баланс) – уменьшается масса и площадь ледника, и он отступает. На соотношение между приходной и расходной частью уравнения баланса массы ледника в первую очередь оказывает влияние климатические изменения. В периоды длительных похолоданий наблюдается наступления ледников и наоборот.

Часть шестая. БОЛОТА

45. ТИПЫ БОЛОТ. ВОДНЫЙ БАЛАНС БОЛОТ

Болото – природное образование, представляющее собой переувлажненный участок земной поверхности со слоем торфа и специфическими формами растительности, приспособившимися к условиям избытка влаги, слабой проточности и недостатку кислорода.

Типы:

Низинные (эвтрофные), переходные (мезотрофные) и верховые (олиготрофные), которые имеют вогнутую, плоскую или выпуклую форму поверхности соответственно.

Питание низинного болота происходит за счет поверхностного, подземного притока и атмосферных осадков. Поверхность болота имеет вогнутую или горизонтальную форму. Растительность представлена эвтрофными или мезотрофными видами, требовательными к обильному водно-минеральному питанию. Мощность торфа не велика.

При увеличении мощности торфяной залежи, поверхность болота приобретает выраженную выпуклую форму. Принципиально меняется характер водного питания, которое теперь полностью определяется атмосферными осадками. Болото становится верховым. Преобладает олиготрофная растительность, образовавшаяся в условиях бедного водно-минерального питания.

В этом случае нарастание мхов и накопление торфа идет быстрее в центральной части болотного массива.

В зоне избыточного и достаточного увлажнения можно наблюдать все формы развития болот, в то время как в зоне недостаточного увлажнения болота они могут быть только низинными и переходными. Образование верхового болота невозможно, так как испарение в таких зонах всегда превышает осадки, а подпитка грунтовыми и речными водами у верховых болот отсутствует.

Уравнение водного баланса болота в общем виде:

,

где – изменение запасов воды в болоте за рассматриваемый промежуток времени,

– приходная часть уравнения водного баланса,

– расходная часть уравнения водного баланса.

К основным приходным элементам уравнения водного баланса относятся для верхового (олиготрофного) болота: атмосферные осадки, выпадающие

на поверхность болота, конденсация водяного пара; для низинного (эвтрофного) болота: атмосферные осадки, выпадающие на поверхность болота, конденсация водяного пара, приток подземных вод, поверхностный приток.

Расходная часть уравнения водного баланса для верхового (олиготрофного) болота: испарение, поверхностный сток; для низинного (эвтрофного) болота: испарение, поверхностный сток, фильтрация.

46. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ БОЛОТ

Величина стока с болотного массива зависит от высоты уровня болотных вод и интенсивности фильтрации торфяной залежи. В зимний период болота высоких широт промерзают на несколько десятков сантиметров, осадки выпадают в виде снега, количество воды в болоте уменьшается, уровень воды падает. В периоды таяния снега и выпадения дождей приходная часть уравнения водного баланса увеличивается, следовательно, растет и уровень воды.

Водный режим болотных вод имеет схожий характер с режимом поверхностных и грунтовых вод бассейна, но носит более сглаженный характер.

Болота, таким образом, выполняют в целом регулирующую роль на водосборе (запасают воду в период высоких уровней и отдают – в период низких). Однако их влияние может меняться в зависимости от стадии развития болотного массива. Так в период роста болотного массива сток воды с водосбора, где находится болотный массив, уменьшается, а при деградации болота (или мелиорации – осушении) сток с территории болотного массива увеличивается.

Часть седьмая. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

47. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Свободная или гравитационная вода в жидком виде находится в крупных порах и трещинах. Перемещается под действием силы тяжести и градиентов гидростатического давления.

По своему происхождению подземные воды могут быть:

Экзогенные:

- инфильтрационные – поступившие с поверхности в результате процесса фильтрации талой или дождевой воды,

- седиментационные – образовавшиеся в результате захоронения озерных вод под слоем илистых отложений,

- конденсационные – образовавшиеся внутри почвы в результате конденсации водяного пара,

Эндогенные:

- ювенильные – образовавшиеся в недрах земли,

- дегидратационные – образовавшиеся в результате разрушения кристаллических решеток горных пород.

I. По характеру вмещающих воду грунтов:

1. Поровые: залегающие в рыхлых пористых грунтах

2. Пластовые: в пластах осадочных горных пород

3. Трещинные: в плотных горных породах

4. Трещинно-жильные: в отдельных тектонических трещинах

II. По гидравлическим условиям:

1. Напорные: артезианские, глубинные

2. Безнапорные: грунтовые

III. По температуре:

1. Исключительно холодные (ниже 0)

2. Весьма холодные (4- 20)

3. Тёплые (20 - 40)

4. Горячие (40 - 60)

5. Весьма горячие (60 - 100)

6. Исключительно горячие (выше 100)

IV. По минерализации:

1. Пресные ( < 1 ⁰/₀₀)

2. Солоноватые (1 – 25 ⁰/₀₀)

3. Солёные (25 – 50 ⁰/₀₀)

4. Рассолы ( > 50 ⁰/₀₀)

48. ВОДЫ ЗОНЫ АЭРАЦИИ

Занимают верхний слой почвенно-грунтовой толщи (от земной поверхности до уровня грунтовых вод). В этой зоне происходит – инфильтрация дождевых и талых вод, формирование почвенной воды, фильтрация гравитационной воды. Попадая после дождей в грунт вода расходуется прежде всего на смачивание почвенного слоя и формирование почвенных вод (участие в питании растений). Почвенный сток возникает при сильных дождях или снеготаянии.

Не все поры заполнены водой. Делится на 3 зоны:

1. Почвенные воды – временное скопление свободной (гравитационной) и капиллярной воды в почвенной толще.

1.1. Гигроскопическая – прочно связанная вода.

1.2. Почвенная – несколько молекул от частицы почвы можно отсоединить только путём нагревания. Плёночная влага удерживает воду силами молекулярного действия. Перетекает, может перемещаться

1.3. Капиллярная – (пойма) максимальная высота поднятия под действием капиллярных сил.

2. Верховодка – временные, сезонные скопления капельной воды на линзах. Образуются в результате инфильтрующихся вертикально вниз под действием силы тяжести вод зоны аэрации, встречая относительный водоупор.

Водоупор – относительные прослои или линзы грунтов, обладающие слабой водопроницаемостью.

3. Капиллярные воды – участвуют в питании почвенных вод и поглощаются корневой системой растений.

49. ВОДЫ ЗОНЫ НАСЫЩЕНИЯ

Под действием силы тяжести и гидростатического давления свободная вода по порам и трещинам грунта перемещается в сторону уклона поверхности водоносного горизонта или в сторону уменьшения напора – фильтрация. При полном насыщении грунта могут формироваться как безнапорные (грунтовые), так и напорные (артензианские) воды.

Все поры заполнены водой. Делится на 3 зоны:

Грунтовые воды – это подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом выдержанном по площади водоупорном пласте.

Важнейшими процессами, воздействующими на состояние грунтовых вод, являются их питание и разгрузка.

Питание грунтовых вод осуществляется путём инфильтрации через зону аэрации атмосферных осадков, конденсации водяного пара и поглощение вод из водотоков и водоёмов.

Разгрузка грунтовых вод осуществляется в виде источников, фильтрацией в русло водотока, путём испарения и перетекания в нижележащие водоносные горизонты.

Артезианские воды – это напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами (арт. Бассейн – гидрологические структуры синклинального типа, которые содержат несколько водоносных горизонтов с напорными водами)

Глубинные воды – это расположенные на больших глубинах напорные подземные воды, испытывающие воздействие геостатического давления и эндогенных сил.

50. ВОДНЫЙ БАЛАНС ПОДЗЕМНЫХ ВОД

1) Для зоны аэрации (почвогрунтового покрова):

dH_п-г/dt = i – f – e – r_поч

dH_п-г/dt – изменение запасов влаги в толще почво-грунтов в какой-то период времени

i – интенсивность осадков

f – интенсивность фильтрации

e – интенсивность испарения

r_поч – интенсивность притока русловой сети из толщи почво-грунтов

В период длительного отсутствия осадков:

dH_п-г/dt = – e

2) Для зоны насыщения (грунтовая толща бассейна):

dH_гр/dt = f – e – k – r_гр

dH_гр – динамические запасы воды в подземных ёмкостях бассейна

f – интенсивность фильтрации в почво-грунтах

e – интенсивность испарения

k – интенсивность инфильтрации через водоупорные слои в более глубоких грунтовых горизонтах

r_гр – интенсивность грунтового стокообразования

51. ФИЗИЧЕСКИЕ И ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВО-ГРУНТОВ

Подземные воды в верхней толще земной коры, включая кору выветривания и почвенный слой.

Физические св-ва:

1. Плотность однородного грунта – это отношение массы однородного грунта к его объёму..ρ_гр=m_гр/V_гр. Грунт состоит из «скелета» и пор, заполненных либо воздухом, либо водой, либо льдом. ρ гр < ρ ск.

2. Гранулометрический состав – процентное содержание в рыхлых грунтах групп частиц (фракций) различного диаметра.

3. Скважность – наличие в грунтах пустот независимо от их размеров

Пористость Трещиноватость Кавернозность

(скважность (наличие трещин) (крупные пустоты)

обусловлена порами)

Водные св-ва:

1. Влажность – фактическое содержание воды в грунтах. (это отношение массы воды к массе сухого грунта, выраженное в %).

2. Влагоёмкость – способность вмещать и удерживать определённое количество воды.

3. Полная водоотдача – способность водонасыщенных грунтов отдавать воду путём свободного стекания

4. Удельная водоотдача – это количество воды, которое можно получить из 1 м³ грунта

5. Водопроницаемость – способность пропускать через себя воду под действием силы тяжести или градиентов гидростатического давления

6. Капиллярность – способность содержать и пропускать капиллярную воду.

52. ИСПАРЕНИЕ С ПОЧВЫ И СНЕГА

Испарение воды – переход воды из жидкого состояния (вода) в газообразное (водяной пар).

Испарение происходит с поверхности воды, почвы, растительности, льда, снега и т.д. за счет энергии, получаемой Землей от Солнца.

Испарение воды с почвы определяется метеорологическими условиями и интенсивностью поступления воды к поверхности почвы из более глубоких слоёв грунта. Испарение с поверхности почвы тем больше, чем больше влажность почвы и скорости ветра. Оно возрастает после дождей и при повышении уровня грунтовых вод.

Вследствие низкой температуры испаряющей поверхности менее интенсивно. Оно составляет всего 20-30 мм, т. е. в десятки раз меньше испарения с поверхности воды. Для измерения испарения с поверхности снега применяют специальные испарители, при этом используется весовой метод.

53. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ И ПОДЗЕМНЫХ ВОД. РОЛЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ПИТАНИИ РЕК

Поверхностные и подземные воды связаны друг с другом. Благодаря подземным водам реки получают питание в меженные периоды. Характер этой связи зависит от геологического строения местности (чередования водоносных и водоупорных горизонтов, высоты кровли водоупорного пласта), уровня грунтовых вод и уровня воды в реке. Выделяют постоянную двустороннюю гидравлическую связь, одностороннюю гидравлическую связь, временную гидравлическую связь и случай полного отсутствия гидравлической связи поверхностных и подземных вод (смотри рисунок 7).

Рисунок 7. Виды взаимодействия поверхностных и подземных вод

а – постоянная односторонняя гидравлическая связь. Река в течение всего года питает грунтовые воды;

б – постоянная двусторонняя гидравлическая связь. Река питает грунтовые воды

в половодье и дренирует их в межень;

в – временная гидравлическая связь. В половодье река питает грунтовые воды, в межень – разрыв кривой депрессии грунтовых вод и понизившегося уровня в реке – на склонах возникают мочажины и начинают действовать родники и ключи, дебиты которых не зависят от уровня воды в реке.

г – отсутствие гидравлической связи. Река и грунтовые воды в течение всего года не питаются.

1 — водоупорный пласт; 2 — уровень грунтовых вод;

3 — направление движения грунтовых вод; 4 — уровень воды в реке в половодье;

5 — уровень воды в реке в межень; 6 — источники (родники).

Питание рек:

Характер и величина подземного питания рек зависят от гидрогеологического строения прилегающей к водному объекту территории и от режима уровней воды в водном объекте. С деятельностью подземных вод на поверхности речного бассейна связаны явления:

1) Оползни – отрыв и скольжение масс горных пород вниз по склону под действием силы тяжести,

2) Суффозия – разрушение горных пород вследствие выщелачивания и выноса подземными водами минеральных частиц грунта,

3) Карст – совокупность геологических процессов и созданных ими явлений в областях распространения растворимых и водопроницаемых горных пород,

4) Заболачивание – процесс образования болота на переувлажнённых участках земной поверхности вследствие затрудненного стока.

54. ОБРАЗОВАНИЕ И ТИПЫ СЕЛЕВЫХ ПОТОКОВ

Сели - это внезапно возникающие в руслах горных рек временные потоки воды с большим содержанием грязи, камней, песка и других твердых материалов.

Сель - результат проливных дождей, быстрого таяния снега и льда. Прорыв моренных озер и внутриледниковых емкостей.

Образование:

На склоны гор обрушивается ливень. Грунтовая толща насыщается, тяжелеет, особенно вдоль тальвегов, по низинам.

Неожиданно раздается утробный чавкающий звук, как бы глубокий вздох земли, и с этого момента события развертываются

с головокружительной быстротой. Вздрагивает громадный участок склона – центральная часть широкой ложбины. Молниеносно пробегают зигзаги трещин. Чудится какое-то неестественное шевеление, и уже мелькают отдельные земляные блоки с нетронутой луговой поверхностью, или кустами, или с уже падающими деревьями, верхушки которых выписывают замысловатые траектории.

Типы:

В зависимости от состава и плотности селевой массы различают три типа селей: наносоводные, грязевые и грязекаменные. Указать точные граничные значения плотности для отдельных типов селевых потоков невозможно, но приближенные "стертые" границы для наносоводных, грязевых и грязекаменных потоков вырисовываются достаточно отчетливо: 1100-1500, 1600-2000, 2100-2500 кг/м³.

1. Наносоводный – селевой поток низкой плотности, возникающий при прохождении сильного паводка, срывающий крупнообломочный русловой материал, так называемую самоотмостку, и переносящий большое количество взвешенных и влекомых наносов за счет своей транспортирующей способности. 1100-1500 кг/м³.

2. Грязевой – селевой поток высокой плотности, состоящий из грязи

с возможным включением обломков горной породы. 1600-2000 кг/м³.

3. Грязекаменный – селевой поток предельно высокой плотности, состоящий из обломков горной породы, промежутки между которыми заполнены грязью. 2100-2500 кг/м³.

Удачи на пересдаче !