- •С.В. Свергузова, ж.А. Сапронова Введение в гидрологию
- •С.В. Свергузова, ж.А. Сапронова Введение в гидрологию
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •1. Общие сведения о воде и гидрологии
- •1.1. Вода в природе и жизни человека
- •1.2. Водные объекты. Понятие о гидросфере
- •1.3. Гидрологический режим и гидрологические процессы
- •1.4. Науки о природных водах
- •1.5. Методы гидрологических исследований
- •1.6. Использование природных вод и практическое значение гидрологии
- •Водопотребление в мире и некоторых странах
- •1.7. Водное законодательство в России
- •1.8. Практическое значение гидрологии
- •2. Химические и физические свойства природных вод
- •2.1. Вода как вещество, ее молекулярная структура и изотопный состав
- •2.2. Химические свойства воды. Вода как растворитель
- •2.3. Физические свойства воды
- •2.3.1. Агрегатные состояния воды и фазовые переходы
- •2.3.2. Плотность воды
- •2.3.3. Тепловые свойства воды
- •2.3.4. Некоторые другие физические свойства воды
- •3. Физические основы гидрологических процессов
- •3.1. Фундаментальные законы физики и их использование при изучении водных объектов
- •3.2. Водный баланс
- •3.3. Основные закономерности движения природных вод
- •3.3.1. Классификация видов движения воды
- •3.3.2. Расход, энергия, работа и мощность водных потоков
- •4. Круговорот воды в природе и водные ресурсы земли
- •4.1. Вода на земном шаре
- •4.2. Современные и ожидаемые изменения климата и гидросферы земли
- •4.3. Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод
- •4.4. Круговорот воды на земном шаре
- •4.5. Круговорот содержащихся в воде веществ
- •4.6. Влияние гидрологических процессов на природные условия
- •4.7. Водные ресурсы земного шара, частей света и России
- •5. Гидрология ледников
- •5.1. Происхождение ледников и их распространение на земном шаре
- •5.2. Типы ледников
- •5.3. Образование и строение ледников
- •5.4. Режим и движение ледников
- •5.5. Роль ледников в питании и режиме рек. Практическое значение горных ледников
- •6. Гидрология подземных вод
- •6.1. Происхождение подземных вод
- •6.2. Физические и водные свойства грунтов. Виды воды в порах грунтов
- •6.2.1. Физические свойства грунтов
- •Пористость грунтов.
- •6.2.2. Виды воды в порах грунта
- •6.2.3. Водные свойства грунтов
- •6.3. Классификация подземных вод. Типы подземных вод по характеру залегания
- •6.3.1. Классификации подземных вод
- •6.3.2. Воды зоны аэрации. Почвенные воды, верховодка, капиллярная зона
- •6.3.3. Воды зоны насыщения. Грунтовые воды
- •6.3.4. Артезианские и глубинные воды
- •6.4. Движение подземных вод
- •6.5. Водный баланс и режим подземных вод
- •6.6. Взаимодействие поверхностных и подземных вод. Роль подземных вод в питании рек. Некоторые природные проявления подземных вод
- •7. Гидрология рек
- •7.1. Реки и их распространение на земном шаре
- •Важнейшие реки Росии и зарубежного мира
- •7.2. Типы рек
- •7.3. Морфология и морфометрия реки и ее бассейна
- •7.3.1. Водосбор и бассейн реки
- •7.3.2. Морфометрические характеристики бассейна реки
- •7.3.3. Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки
- •7.3.4. Река и речная сеть
- •7.3.5. Долина и русло реки
- •7.3.6. Продольный профиль реки
- •7.4. Питание рек
- •7.5. Водный режим рек
- •7.5.1. Виды колебаний водности рек
- •7.5.2. Фазы водного режима рек. Половодье, паводки, межень
- •7.6. Речной сток и его составляющие
- •7.7. Движение воды в реках. Распределение скоростей течения в речном потоке
- •7.8. Русловые процессы
- •7.8.1. Физические причины и типизация русловых процессов
- •7.8.2. Устойчивость речного русла
- •7.9. Термический и ледовый режим рек
- •7.9.1. Термический режим рек
- •7.9.2. Ледовые явления
- •7.10. Основные черты гидрохимического и гидробиологического режима рек
- •7.10.1. Гидрохимический режим рек
- •7.10.2. Гидробиологические особенности рек
- •8. Гидрология озер
- •8.1. Озера и их распространение на земном шаре
- •8.2. Типы озер
- •8.3. Ледовые явления на озерах
- •8.4. Основные особенности гидрохимических и гидробиологических условий. Донные отложения озер
- •8.4.1. Гидрохимические характеристики озер
- •8.4.2. Гидробиологические характеристики озер
- •9. Гидрология болот
- •9.1. Происхождение болот и их распространение на земном шаре
- •9.2. Типы болот
- •9.3. Строение, морфология и гидрография торфяных болот
- •9.4. Водный баланс и гидрологический режим болот
- •9.5. Влияние болот и их осушения на речной сток. Практическое значение болот
- •Библиографический список
- •Введение в гидрологию
- •308012, Г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
4.4. Круговорот воды на земном шаре
Круговорот воды на земном шаре – замечательная особенность гидросферы Земли и природных условий планеты в целом. Круговорот воды создает основной механизм перераспределения на Земле вещества и энергии, объединяет в единое целое не только водные объекты, но и разные части планеты. Круговорот воды на Земле – основа возобновляемости водных ресурсов.
Физической причиной круговорота воды на земном шаре служат солнечная энергия и сила тяжести. Солнечная энергия – это причина нагревания и последующего испарения воды. Неравномерное распределение по Земле солнечной энергии приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, вызывает воздушные потоки – ветры, переносящие испарившуюся влагу (водяной пар) и создающие ветровые течения в океане. Неравномерное распределение солнечной энергии приводит также к неравномерному распределению плотности воды в океане и, как следствие, к возникновению плотностных течений.
Сила тяжести вынуждает сконденсировавшуюся в атмосфере при благоприятных условиях влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а также все поверхностные и подземные воды стекать сначала к дренирующим местность рекам, а, в конечном счете, к океану. Естественно, что стекание вод под действием силы тяжести объясняется наклоном поверхности Земли и слоев в земной коре, что, в свою очередь, создается тектоническими и геоморфологическими процессами.
Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл). В глобальном круговороте воды (рис. 2) выделяют два звена: океаническое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана – перенос водяного пара над океаном – осадки на поверхность океана – океанические течения – испарение и т.д. (рис. 2, А); материковое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности суши – перенос водяного пара – осадки на поверхность суши – поверхностный и подземный сток – испарение и т.д. (рис. 2, Б и Б'). Оба звена связаны между собой переносом водяного пара с океана на сушу и, наоборот, поверхностным и подземным стоком с суши в океан.
С океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс км3, возвращается в океан в виде атмосферных осадков 458 тыс км3. Испаряется с океана, таким образом, больше, чем возвращается с осадками.
Рис. 2. Схема глобального круговорота воды
Разность в 47 тыс км3 составляют воды, которые переносятся с океана на сушу в виде водяного пара. Таким образом, в океаническое звено круговорота воды на Земле вовлечено 458 тыс км3 воды в год.
На поверхность суши ежегодно выпадает в среднем 119 тыс км3 атмосферных осадков. Они слагаются из воды, испарившейся с поверхности суши (72 тыс км3), и влаги, принесенной с океана (47 тыс км3). Таким образом, в материковом звене круговорота воды на Земле принимает участие 72 тыс км3 в год. Важно отметить, что из 72 тыс км3 испаряющейся ежегодно с поверхности суши воды 30 тыс км3 (42 %) приходится на транспирацию растительным покровом.
Водообмен между сушей и океаном составляет, как уже указывалось, 47 тыс км3 в год. Переносимая с океана влага возвращается в него с равным ей по величине материковым стоком. Материковый сток (47 тыс км3 воды в год) слагается из поверхностного (44,7 тыс км3 в год) и подземного, не дренируемого реками (2,2 тыс км3 в год). Поверхностный сток, в свою очередь, включает водный сток рек, впадающих в океан (41,7 тыс км3 в год), и ледниковый сток (3,0 тыс км3 в год). Наибольшую часть ледникового стока дает Антарктида (2,3 тыс км3 в год).
При исследовании гидрологических процессов на суше очень важно учитывать, что суша подразделяется на две части – области внешнего стока, откуда выпавшие атмосферные осадки так или иначе поступают в Мировой океан, и области внутреннего стока (бессточные области), не дающие стока в Мировой океан. На долю областей внешнего стока приходится 80 % площади суши, на долю областей внутреннего стока (бессточных) – 20 %.
Главный водораздел земного шара делит всю сушу на два склона: первый – со стоком рек в Атлантический и Северный Ледовитый океаны и второй – со стоком рек в Тихий и Индийский океаны.
В областях внешнего стока ежегодно выпадает 110 тыс км3 осадков, а испаряется 63 тыс км3. Разница (47 тыс км3) и составляет материковый сток в океан. В областях внутреннего стока выпадает в общей сложности 9 тыс км3 осадков в год, и весь этот объем воды в конечном счете испаряется.
Внутриматериковый влагооборот. Осадки на любом участке суши складываются из "внешних", сконденсировавшихся из водяного пара, пришедшего извне, и "внутренних" (или местных), сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкретного участка суши. Этот сложный многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом.
Рис.3. Схема внутриматерикового влагооборота
Составляющие влагооборота над ограниченным участком суши за интервал времени Δt будут заданы следующими величинами (рис. 3). С атмосферным воздухом поступает извне влага объемом А. Величина испарения с поверхности земли равна z. Осадки могут быть представлены как x = xA + xz, где хА – внешние осадки из водяного пара, пришедшего извне, хz – внутренние (местные) осадки. Часть осадков переходит в воды поверхностного у и подземного w стока.
За пределы участка будет вынесен водяной пар, количество которого С включает как часть влаги, пришедшей извне, так и часть испарившейся в пределах участка. Величина С может быть выражена уравнением:
C=A-x + z (18)
Важной характеристикой внутриматерикового влагооборота служит отношение внешних и внутренних (местных) осадков xA/xz или отношение всех осадков к внешним осадкам х/хА. Последнюю величину называют коэффициентом влагооборота:
Kвл=1 + zL/(2ua) (19)
где z – испарение с рассматриваемого участка суши; L – длина участка; и – средняя скорость воздушного потока; а – среднее влагосодержание воздуха на наветренной стороне участка. Из этого уравнения следует, что интенсивность внутриматерикового влагооборота тем больше, чем больше размер территории и больше испарение, и тем меньше, чем больше влагосодержание приходящего извне воздуха. Для небольших по площади участков суши Квл приближается к 1. Величина Kвл свидетельствует о возможностях вла-гообеспечения территории за счет местных ресурсов воды. В засушливых районах Квл меньше, в увлажненных – больше. В среднем для частей света получены следующие величины Квл: Европа – 1,42; Азия – 1,62; Африка –1,42; Северная Америка – 1,54; Южная Америка – 1,68; Австралия –1,14.
Влияние антропогенного фактора на круговорот воды. Важная и новая задача современной гидрологии – это оценка влияния хозяйственной деятельности на процессы круговорота воды и водные ресурсы.
В минувшем столетии существенно возросли объемы безвозвратного водопотребления. Однако заметного влияния на круговорот воды в масштабах всей Земли или даже континентов эти объемы воды, по-видимому, не оказали. Поэтому применительно к континентам, а тем более к планете в целом термин "безвозвратные потери" может использоваться лишь условно. Конечно, безвозвратное (в традиционно понимаемом смысле) водопотребление существенно влияет на водные ресурсы небольших регионов, отдельных речных бассейнов и водоемов. Так, вследствие изъятия воды на орошение существенно сократился сток многих рек Индии, уменьшился сток в устьях рек Днепра и особенно Амударьи, Сырдарьи, Терека.
Единственным антропогенным фактором, действительно оказавшим влияние на круговорот воды и приведшим к изъятию из этого круговорота некоторого объема воды, было накопление воды в водохранилищах. Создание водохранилищ привело к уменьшению притока вод в океан и к некоторой задержке наблюдавшегося повышения его уровня.
Глобальное потепление климата, перераспределение вод между отдельными объектами гидросферы и повышение уровня Мирового океана, как полагает ряд ученых, также имеют в основном антропогенные причины.