Гидрология (Лекция №1)

1. Гидрология

Тема 1.

2. План лекции

1.
2.
3.
4.
Общее содержание курса. Предмет гидрологии, ее связь с другими
науками. Краткие сведения по истории. Этапы становления
гидрологии как науки в России и за рубежом.
Факторы формирования гидросферы. Условия и процессы. Состав
гидросферы. Виды воды. Изотопный состав и структура молекул
воды. Аномалийные свойства природной воды.
Химический состав вод. Растворенные ионы и соли. Растворенные
газы. Важнейшие физические и химические свойства вод.
Выражение
химического
состава
вод.
Ионно-весовая,
эквивалентная и процент-эквивалентная формы выражения состава
вод и их соотношения.
Изображение химического состава вод. Наглядные и графические
способы изображение результатов химического анализа вод:
формула
М.Г.Курлова,
график
квадрат
и
график-круг
Н.И.Толстихина,
графики-треугольники
Ферре,
графикипрямоугольники (колонки) Роджерса. Их преимущества и
недостатки.

3. 1. Предмет гидрологии

Гидрология – наука о воде (от греческого
“hydro” – вода и “logos” учение, знание, наука).
Гидрология – наука, занимающаяся изучением
природных вод, явлений и процессов в них
протекающих, закономерностей, по которым эти
явления и процессы развиваются, закономерностей,
определяющих распространение вод по земной
поверхности и в толще почво-грунтов, а также их
количественные изменения во времени.

4. 1. Предмет гидрологии

Подразделы гидрологии в зависимости от объекта :
- океаны и моря – гидрология моря – океанология;
- реки – гидрология рек – потамология;
- озера и водохранилища – лимнология;
- ледники – гидрология ледников – гляциология –
изучается в рамках физической географии;
- гидрогеология – входит в состав гидрологии
поверхностных вод суши как вспомогательная
дисциплина, в объеме, необходимом для установления
взаимодействия поверхностных и подземных вод и
влияния подземных вод на режим поверхностных вод.

5. 1. Предмет 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.

6. 1. Предмет гидрологии

Помимо деления по видам изучаемых объектов в
гидрологии выделяют самостоятельные разделы (научные
дисциплины):
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.
4-5 Инженерная гидрология – занимается разработкой
методов расчета (гидрорасчеты 4) и прогноза (гидропрогнозы
5)
гидрологических
характеристик,
необходимых
в
хозяйственной деятельности, строительстве гидротехнических
сооружений, планировании изменений естественного режима
водных объектов.

7. 1. Предмет гидрологии

Помимо деления по видам изучаемых объектов в
гидрологии выделяют самостоятельные разделы (научные
дисциплины):
6-7 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.
8 Гидрофизика – изучает физические и механические
свойства вод (испарение, образование и таяние льда и снега,
влагосодержание почв).
9-10 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. 1. Предмет гидрологии

Помимо деления по видам изучаемых объектов в
гидрологии выделяют самостоятельные разделы (научные
дисциплины):
11 Гидрохимия – изучает химические свойства и состав
вод суши. В настоящее время ее важной задачей является
разработка некоторых сторон проблемы качества воды.
12 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,
изучающая не просто изменения водных ресурсов,
гидрологического режима и качества вод, а влияние этих
изменений на экологическое состояние водных объектов и
окружающей природной среды.

9. 1. Предмет гидрологии

Гидрология
опирается
на
общеобразовательные
дисциплины и специальные дисциплины из смежных
отраслей знаний:
- метеорология
- климатология
- гидравлика
- гидродинамика
- гидрогеология
- геоморфология
- почвоведение

10. 1. Предмет гидрологии

Важным рубежом в истории развития гидрологии можно
считать конец XVII в., когда французские ученые Пьер
Перро, Эдм Мариотт и англичанин Эдмунд Галлей на
основании измерений и расчетов осадков, стока и испарения
впервые установили количественные соотношения главных
фаз круговорота воды.
В России более или менее систематические
исследования водных объектов были начаты при Петре I.

11. 2. Формирование гидросферы

Влагооборот – непрерывный процесс перемещения воды под
действием солнечной радиации и силы тяжести. Благодаря
влагообороту в атмосфере возникают облака и выпадают
осадки. Выделяют малый, большой и внутриматериковый
влагооборот.
Малый влагооборот наблюдается над океаном, здесь
взаимодействуют атмосфера и гидросфера, в процессе
участвует живое вещество. Благодаря испарению в атмосферу
поступает водяной пар, образуются облака и осадки выпадают
на океан.
В большом влагообороте взаимодействуют атмосфера,
литосфера, гидросфера, живое вещество. Испарение и
транспирация с поверхности океана и с суши обеспечивают
поступление водяного пара в атмосферу. Облака, попадая в
потоки ОЦА, переносятся на значительные расстояния и осадки
могут выпадать в любой точке на поверхности Земли.
Внутриматериковый влагооборот характерен для областей
внутреннего стока.

12. 2. Формирование гидросферы

Движущие силы гидрологического цикла (ГЦ) – это тепловая
энергия и сила тяжести. Под воздействием тепловых процессов
происходит испарение и конденсация водяных паров, таяние,
замерзание и другие фазовые переходы воды. Под влиянием
силы тяжести выпадают осадки, движутся поверхностные и
подземные воды. Водяные пары, поступившие в атмосферу,
перемещаются вместе с воздушными массами, при
благоприятных условиях конденсируются и выпадают в виде
атмосферных осадков. Согласно общему закону сохранения
материи
Vос = Vисп .
В целом для земного шара такой круговорот – замкнутая
система, в ней выделяют три основных звена: атмосферное,
океаническое и материковое. Ни одно из этих звеньев по
отдельности не является замкнутым.

13. 2. Формирование гидросферы

14. 2. Формирование гидросферы

Только весь Гидрологический Цикл - замкнутая система (Но
на практике и отдельные звенья принимают замкнутыми. Так,
часто рассчитывают характеристики круговорота воды
(составляющие водного баланса) для отдельных материков,
озер, речных бассейнов). Область внешнего стока занимает 78%
суши, а область внутреннего стока – 22% суши.
Водный баланс земного шара и его отдельных частей
Основные звенья влагооборота в атмосфере: испарение,
образование облаков, выпадение осадков. Испарение – процесс
перехода воды из жидкого состояния в газообразное. За год
количество испарившейся на всей Земле воды равно выпавшим
осадкам, в годовой влагооборот включено 525,1 тыс. км3 воды.
В течение года с каждого км2 Земли в среднем испаряется 1030
мм воды (М.И. Львович, 1986).

15. 2. Формирование гидросферы

Глобальный влагооборот Земли находит свое выражение в
водном балансе Земли, который математически выражается
уравнением водного баланса (для Земного шара в целом и для
его отдельных частей). Все компоненты (составляющие)
водного баланса можно разбить на 2 части: приходную и
расходную.
Уравнение водного баланса для:
1 Мирового океана Eо = Хо + y (1)
2 Периферийной части суши Епс = Хпс – y (2)
3 Для замкнутой части суши Езс = Хзс (3)
4 Для суши в целом Ес = Хс – y (4)
Сложив уравнения (1 – 3), получим уравнение водного
баланса для ЗШ
Eо + Епс + Езс = Хо + Хпс + Хзс
ЕЗШ = ХЗШ

16. 3. Основные физические свойства воды, снега и льда

При анализе гидрологических явлений принимается, что
количество свободной воды на Земле сохраняется постоянным.
Вода в результате некоторых процессов вступает в прочные
соединения с другими веществами и перестает существовать
как свободное образование, однако в глубоких слоях земной
коры имеют место и обратные процессы: при высоких
давлениях и температурах вновь образуется некоторое
количество воды.
Жидкая вода в тонких слоях бесцветна, в толстых имеет
голубовато-зеленый оттенок. Чистая вода, без примесей, почти
не проводит электрический ток. Температура замерзания
дистиллированной воды принята за 0°С, а температура кипения
при нормальном давлении - за 100°С.

17. 3. Основные физические свойства воды, снега и льда

Вода состоит из 11,11% водорода и 88,89% кислорода (по
весу). При образовании воды с одним атомом кислорода
соединяются два атома водорода. В молекуле воды атомы
водорода и кислорода расположены по углам равнобедренного
треугольника: при вершине находится атом кислорода, а в углах
при основании - по атому водорода.
Молекула воды характеризуется значительной полярностью
вследствие того, что в ней оба атома водорода располагаются не
на прямой, проведенной через центр атома кислорода, а как бы
по одну сторону от атома кислорода. Это приводит к
неравномерности распределения электрических зарядов.
Сторона молекулы с атомом кислорода имеет некоторый
избыток отрицательного заряда, а противоположная сторона, в
которой размещены атомы водорода, - избыток положительного
заряда электричества. Наличием полярности и некоторых
других сил обусловлена способность молекул воды
объединяться в агрегаты по несколько молекул.

18. 3. Основные физические свойства воды, снега и льда

19. 3. Основные физические свойства воды, снега и льда

Простейшую формулу H2O имеет молекула парообразной воды - гидроль.
Молекула воды в жидком состоянии представляет собой объединение
двух простых молекул (Н2O)2 - дигидроль.
Молекула льда - объединение трех простых молекул (Н 20)з - тригидроль.
В парообразном состоянии при температуре свыше 100°С, вода состоит
главным образом из молекул гидроля, так как значительная скорость
движения молекул при этой температуре нарушает ассоциацию
(объединение) молекул.
В жидком состоянии вода представляет собой смесь гидроля, дигидроля и
тригидроля, соотношение между которыми меняется с изменением
температуры.
Во льду преобладают молекулы тригидроля, имеющие наибольший
объем, а простые, необъединившиеся молекулы в нем отсутствуют.
Возможность перехода воды из одного агрегатного состояния в другое (из
жидкого в лед или в пар и обратно) определяется температурой и давлением.

20. 3. Основные физические свойства воды, снега и льда

21. 3. Основные физические свойства воды, снега и льда

Линия АВ показывает границу равновесия между
парообразной и твердой водой, линия ВС - между
парообразной и жидкой водой. При температуре 0,0075°С и
давлении 6,1 мБар в устойчивом равновесии могут
одновременно существовать лед, пар и жидкая вода (точка В
на графике).
Если очень чистую воду охлаждать, тщательно
предохраняя ее от сотрясения, то лед долго не образуется,
несмотря на низкую температуру; практически такое
охлаждение
производилось
до
-72°С.
Однако
переохлажденная вода малоустойчива: при внесении в нес
кристаллика льда или при встряхивании она сразу же
превращается в лед. Переохлаждение воды в естественных
водоемах на 0,005-0,01°С встречается весьма часто. В
грунтах
вследствие
повышенной
минерализации
переохлаждение воды может быть более значительным.

22. 3. Основные физические свойства воды, снега и льда

Плотность и удельный объем
Под плотностью воды понимается отношение ее массы m к объему V,
занимаемому ею при данной температуре, т.е.
= m/V
где - в г/см3.
За единицу плотности принята плотность дистиллированной воды при 4° С.
Величина, обратная плотности, т. е. отношение единицы объема к единице
массы, называется удельным объемом:
v = V/m
где v - в см3/г.
Плотность воды зависит от ее температуры, минерализации, давления,
количества взвешенных частиц и растворенных газов.
С повышением температуры плотность всех жидкостей, как правило,
уменьшается. Вода в этом отношении ведет себя аномально: при температурах
выше 4°С плотность ее с повышением температуры уменьшается, а в
интервале температур 0-4° С увеличивается. Аномальное изменение
плотности воды объясняется особенностями ее строения. При нагревании воды
идут два параллельных процесса:
первый - нормальное увеличение объема за счет увеличения расстояния
между молекулами,
второй - уменьшение объема благодаря возникновению более плотных
гидролей и дигидролей.

23. 3. Основные физические свойства воды, снега и льда

В зоне температур выше 4°С интенсивнее происходит первый
процесс, в интервале 0-4°С - второй. В момент выравнивания влияния,
оказываемого этими процессами на изменение объема воды,
наступающего при 4°С, наблюдается наибольшая плотность.
Изменения плотности воды на один градус температуры в различных
интервалах температуры неодинаковы. Они очень малы около
температуры наибольшей плотности и быстро возрастают по мере
удаления от нее. Так, при температуре, близкой к 4°С, изменение
плотности воды на один градус температуры составляет 8*10-6, при
температуре около 30°С - до 3*10-4.
При переходе воды из жидкого состояния в твердое (лед) плотность
резко, скачкообразно изменяется приблизительно на 9%; плотность
дистиллированной воды при 0°С равна 0,99987, а плотность льда,
образовавшегося из той же воды при 0°С, равна 0,9167.
С понижением температуры плотность чистого льда несколько
возрастает и при -20°С достигает 0,92.

24. 3. Основные физические свойства воды, снега и льда

Своеобразный режим изменения плотности воды в связи с
изменениями температуры имеет колоссальное значение в природе.
Благодаря этому естественные водоемы (например, озера) при
отрицательных температурах воздуха зимой даже в условиях сурового
климата не промерзают до дна в случае достаточной глубины водоема.
При этом под ледяным покровом остается жидкая вода, потому что при
промерзании лед, значительно более легкий, чем вода, остается на
поверхности водоема, на дно которого опускаются охладившиеся до 4°С
наиболее плотные массы воды.

25. Литература

4. www.rshu.ru
1. Богословский Б.Б., Иванов К.Е., Самохин А.А., Соколов Д.П. Общая
гидрология. – Л., Гидрометеоиздат, 1984.
2. Догановский А.М., Малинин В.Н. Гидросфера Земли. – СПб., Гидрометеоиздат,
2004.
3. www.land-in.ru
4. www.metronews.ru
5. www.vlagooborot.ucoz.ru
6. www.o8ode.ru

26. Интересные факты о воде:

· Самая длинная река мира - Нил (6671 км). Самая полноводная - Амазонка. За год она несет в океан 5520 куб км воды.
·Во время наводнения осенью 1887 года на Хуанхэ погибли 900 тысяч человек.
·Самый сильный ливень произошел 15 марта 1952 года на острове Реюньон в Индийском океане: 1870 мм осадков за 24 часа.
· Самое дождливое место на земле - гора Вай - Але - Але на гавайском острове Кауау. Дожди там льют 350 дней в году.
·Самое безводное место на Земле - пустыня Атакама в Чили.
·Согласно докладу ЮНЕСКО (2003 год) самая чистая вода - в Финляндии, за ней следуют Канада и Новая Зеландия. Россия в этом списке на 7
месте.
·70% запасов пресной воды на Земле приходится на льды.
·
80% болезней в развивающихся странах - от грязной воды.
·
Рассчитанный ЮНЕСКО минимум потребления воды - 50 л. в день на человека.
·
Градины (весом до 1 кг и 20 см и диаметром) 14 апреля 1986 года убили 92 человека в Бангладеш.
·
Наш организм на две трети состоит из воды. Потеря 15% влаги может быть смертельной.
·
Самый большой резервуар питьевой воды на Земле - озеро Байкал: 23 000 куб. км.