Учебно-методический комплекс по дисциплине «Учение о гидросфере» (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БАЛТИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И. КАНТА

ФАКУЛЬТЕТ ГЕОГРАФИИ И ГЕОЭКОЛОГИИ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Учение о гидросфере»

Направление 022000.62 Экология и природопользование

Профиль «Геоэкология», «Природопользование»

Калининград 2011

Лист согласования

Составитель: к. г.н, доцент кафедры физической географии, страноведения и туризма

УМК обсужден и утвержден на заседании кафедры

Физической географии, страноведения и туризма

(протокол от «21» октября 2010 г.)

Зав. кафедрой профессор, дгмн. _____________

Менеджер ООП

к. г.н., доцент ____________________________

УМК одобрен Методическим советом

Факультета географии и геоэкологии

Протокол № 3 от «15»апреля 2011 г.

Председатель Методического совета

профессор, дг-мн ______________ ____

«Утверждаю»

Декан факультета географии и геоэкологии

профессор, дг-мн _________________

«_____»_____________ 201_ г

«Утверждаю»

Начальник управления образовательных программ

доцент, к. ю.н. ____________________

«_____»_____________ 201_г

Рекомендован к открытой печати

Председатель экспертного совета _________________ (ФИО)

Содержание

Рабочая программа учебной дисциплины.. 4

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ БЛОК.. 17

Курс лекций. 17

Практикум.. 78

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРЕПОДАВАНИЮ И ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ 82

Методические рекомендации преподавателям.. 82

Методические рекомендации студентам.. 82

ГЛОССАРИЙ.. 83

НАГЛЯДНО-ДИДАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ.. 122

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Балтийский федеральный университет им. И. Канта

Факультет географии и геоэкологии

“Согласовано” Декан факультета географии и геоэкологии профессор, д. г.-м. н. ________________________ “____” __________________ 2010 г.

«Утверждаю» Начальник управления образовательных программ доцент, к. ю.н. ________________________ “____” __________________ 2010 г.

Рабочая программа учебной дисциплины

УЧЕНИЕ О ГИДРОСФЕРЕ

Направление 022000.62 Экология и природопользование

Профиль «Геоэкология», «Природопользование»

Калининград-2010

Лист согласования:

Программа составлена: кгн, доцентом кафедры физической географии, страноведения и туризма

Программа обсуждена и утверждена на заседании кафедры

Физической географии, страноведения и туризма

(протокол от «21» октября 2010 г.)

Зав. Кафедрой профессор, дгмн.

Программа одобрена Методическим советом

Факультета географии и геоэкологии

Протокол № 2 от «26»ноября 2010 г.

Председатель Методического совета

______________ Профессор, д. г.-м. н.

Менеджер ООП

________________________

1. Пояснительная записка

«Учение о гидросфере» входит в базовую часть профессионального цикла дисциплин основной образовательной программы третьего поколения подготовки бакалавров очной формы обучения по направлению 022000.62 Экология и природопользование, Профиль «Геоэкология», «Природопользование» , модуль Землеведение.

Цель курса – дать представление о месте и роли воды в природе и жизни человека, о сущности гидрологических процессов, их вкладе в формирование природы Земли, а также об основных методах гидрологических исследований.

Задачи:

-  дать представление об общих закономерностях гидрологических процессов на Земле; ознакомить студентов с основными географическими и гидрологическими особенностями водных объектов: ледников, подземных вод, рек, озер, водохранилищ, болот, морей и океанов,

-  показать сущность гидрологических процессов с позиций фунда­ментальных физических законов;

-  дать понятие об основных методах изучения водяных объектов; показать практическую ценность изучения гидрологических процессов для рационального природопользования.

В соответствии с целями основной образовательной программы «Бакалавр по направлению подготовки 022000.62 Экология и природопользование, Профиль «Геоэкология», «Природопользование» и задачами профессиональной деятельности, указанными в ФГОС ВПО по данному направлению, должен иметь профессиональные компетенции:

-  Знать основы учения об атмосфере, о гидросфере, о биосфере и ландшафтоведении (ПК-5);

В результате изучения «Учения о гидросфере» студент должен знать:

- теоретические основы гидрологии ледников, подземных вод, рек, озер, водохранилищ, морей, устьев рек,

- основы охраны вод суши и мирового океана,

- базовые методы гидрометрических измерений,

понимать:

- общую гидрологическую информацию о водных объектах,

-- закономерности гидрологических процессов

- основные проблемы рационального использования,

иметь навыки

- применения основных методов гидрометрических измерений,

- интерпретации полученных данных,

- анализа статистической информации по водному режиму водотоков и водоемов.

2. Тематический план (очная форма обучения)

№	Темы	Количество часов
Аудиторные занятия	Самост. работа
Всего аудит.	Лекции	Практ.	Лаб.
	Введение. Цели и задачи курса.	2	2		-
1	Вода в природе и жизни человека. Водные объекты. Понятие о гидрологическом состоянии и гидрологическом режиме водного объема. Гидрологические процессы. Гидросфера. Гидрология как наука, ее предмет, задачи, составные части, связь с другими науками.	2	2		-	2
2	Методы гидрологических исследований. Использование при­родных вод в народном хозяйстве и практическое значение гидрологии. Водное законодатель­ство России, Государственный учет вод. Государственный водный кадастр. Краткие сведения из истории гидрологии в России.	4	2	2	-	2
3	Химические и физические свойства природных вод	4	2	2	-	2
4	Физические основы гидрологических процессов. Фундаментальные законы физики: сохранения вещества, сохранения энергии и изменения импульса (количество движения), их использование при изучении водных объектов.	2	2		-	2
5	Круговорот воды в природе и водные ресурсы Земли	2	2		-	2
6	Гидрология ледников	2	2		-	2
7	Гидрология подземных вод	2	2		-	2
8	Гидрология рек. Типы рек. Водосбор и бассейн реки. Морфометрические характеристики бассейна реки. Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки. Река и речная сеть. Долина и русло реки. Продольный профиль реки.	4	2	2	-	2
9	Питание рек. Водный баланс бассейна реки. Водный режим рек. Речной сток и его составляющие. Движение воды в реках	4	2	2	-	2
10	Основные черты гидрохимического и гидробиологического режима рек. Источники за­грязнения рек и меры по охране вод. Устья рек, их классификация и районирование. Гидрологические процессы в устьях, формирование дельт. Хозяйственное значение рек.	4	2	2	-	2
11	Гидрология озер и водохранилищ	4	2	2	-	2
12	Гидрология болот	2	2		-	2
13	Гидрология океанов и морей	2	2		-	2
14	Основные проблемы рационального использования и охраны водных объектов суши	4	2	2	-	-
Итого	44	30	14	-	26
КСР	2
Подготовка к экзамену	36
Итого по дисциплине	108 3 ЗЕ

3. Содержание дисциплины

Введение.

Тема 1. Общие закономерности гидрологических процессов на Земле Вода в природе и жизни человека. Гидросфера.. Водные объекты: водотоки, водоемы, особые водные объекты. Понятие о гидрологическом состоянии и гидрологическом режиме водного объема. Гидрологические процессы.

Науки о природных водах. Гидрология как наука, ее предмет, задачи, составные час­ти, связь с другими науками. Географо-гидрологические особенности водных объектов суши.

Тема 2. Методы гидрологических исследований. Использование при­родных вод в народном хозяйстве и практическое значение гидрологии. Меры, принимаемые в России для рационального использования и охраны водных ресурсов. Водное законодатель­ство России, Государственный учет вод. Государственный водный кадастр. Краткие сведения из истории гидрологии в России.

Тема 3. Химические и физические свойства природных вод. Вода как химическое со­единение, ее молекулярная структура и изотопный состав. Химические свойства природных вод. Вода как растворитель. Солевой состав природных вод и его классификация. Особен­ности солевого состава атмосферных осадков, речной и морской воды. Газы, биогенные и ор­ганические вещества, микроэлементы в природных водах. Загрязнение природных вод и борьба с ним.

Физические свойства природных вод. Агрегатные состояния воды: жидкая вода, водя­ной пар, лед. Фазовые переходы. Плотность воды и ее зависимость от температуры, минера­лизации (солености), содержания взвешенных веществ и давления. Зависимость температуры замерзания и температуры наибольшей плотности от солености воды.

Тепловые свойства воды, ее теплоемкость и теплопроводность. Вязкость воды. По­верхностное натяжение. Общие закономерности распространения света и звука в воде. Гид­рологическое и физико-географическое значение физических свойств и "аномалий" воды.

Тема 4. Физические основы гидрологических процессов. Фундаментальные законы физики: сохранения вещества, сохранения энергии и изменения импульса (количество движения), их использование при изучении водных объектов.

Понятие о водном балансе водного объекта или части суши, растворенные и взвешен­ные вещества в водном объекте, тепловой баланс водного объекта.

Понятие о применимости законов механики к движению воды в водных объектах. Ла­минарное и турбулентное, установившееся и неустановившееся, равномерное и неравномер­ное движение воды. Силы, действующих в водных объектах. Баланс сил.

Тема 5. Круговорот воды в природе и водные ресурсы Земли, вода на земном шаре. Единство гидросферы. Изменение запасов воды на Земле. Круговорот тепла на земном шаре и роль в нем природных вод. Глобальный круговорот воды и его звенья, внутриматериковый водоворот. Кругово­рот на земном шаре содержащихся в воде веществ. Миграция наносов и солей. Влияние гид­рологических процессов на природную среду (облик планеты, ее климат, рельеф, развитие жизни).

Тема 6. Гидрология ледников. Происхождение и распространение ледников на земном шаре. Снеговой баланс и снеговая линия. Типы ледников, покровные и горные ледники. Об­разование и строение ледников. Питание и таяние ледников, баланс льда и воды в ледниках. Движение ледников. Роль ледников в питании и режиме рек. Хозяйственное значение горных ледников.

Тема 7. Гидрология подземных вод. Происхождение и распространение подземных вод. Водно-химические свойства почв и грунтов. Виды воды в порах фунта. Классификация подземных вод. Типы подземных вод по характеру залегания: воды зоны аэрации, воды зо­ны насыщения. Грунтовые воды. Артезианские воды. Движение подземных вод. Закон фильтрации Дарси.

Водный баланс и режим подземных вод. Роль подземных вод в питании рек. Взаимо­действие поверхностных и подземных вод. Запасы и ресурсы подземных вод, их использова­нию и охрана.

Тема 8. Гидрология рек. Реки и их распространение на земном шаре. Типы рек. Водо­сбор и бассейн реки. Морфометрические характеристики бассейна реки. Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки. Река и речная сеть. Долина и русло реки. Продольный профиль реки.

Тема 9. Питание рек, виды питания (дождевое, снеговое, ледниковое, подземное), классифика­ция рек по видам питания. Расчленение гидрографа реки по видам питания. Испарение воды в речном бассейне.

Водный баланс бассейна реки. Водный режим рек. Виды колебаний водности рек. Фа­зы водного режима (половодье, паводки, межень). Классификация рек по водному режиму, Уровень воды, скорость течения, расход воды в реках и методы их измерения.

Речной сток и его составляющие. Понятие о стоке воды, наносов, растворенных ве­ществ, тепла. Количественные характеристики стока воды: объем стока, слой стока, модуль стока, коэффициент стока. Физико-географические факторы стока воды. Пространственное распределение стока воды на территории СНГ и факторы, его определяющие.

Движение воды в реках. Распределение скоростей течения в речном потоке. Формула Шези. Поперечная циркуляция в речном потоке. Трансформация паводков.

Движение речных наносов. Характеристики речных наносов. Геометрическая и гид­равлическая крупность наносов. Влекомые и взвешенные наносы. Русловые процессы и их ти­пизация. Микро-, мезо - и макроформы речного русла и их динамика. Плесы и перекаты, излу­чины.

Изменение температуры воды в реке в пространстве и во времени, фазы ледового режи­ма: замерзание, ледостав, вскрытие. Ледоход, ледостав, заторы и зажоры. Толщина льда на реках.

Тема 10. Основные черты гидрохимического и гидробиологического режима рек. Источники за­грязнения рек и меры по охране вод.

Устья рек, их классификация и районирование. Гидрологические процессы в устьях, формирование дельт.

Хозяйственное значение рек. Влияние хозяйственной деятельности на режим, регулирование стока. Антропогенные изменения стока России.

Тема 11. Гидрология озер. Озера и их распространение на земном шаре. Типы озер по происхождению котловин и характеру водосбора. Морфология и морфометрия озер.

Водный баланс сточных и бессточных озер. Колебания уровня воды в озерах. Течения, волнение, перемешивание вод в озерах. Тепловой и ледовый режим озер.. Термический бар.

Основные особенности гидрохимического и гидробиологического режима озер. Клас­сификация озер по минерализации и солевому составу воды. Источники загрязнения озер и меры по их охране.

Наносы и донные отложения в озерах. Водные массы озер. Влияние озер на речной сток. Проблемы крупных озер типа Каспийского и Аральского морей и изменение их режи­ма. Использование озер в народном хозяйстве.

Гидрология водохранилищ и их размещение на земном шаре, типы водохра­нилищ и их классификация. Отличия водохранилищ от рек и озер, их гидрологическая специ­фика и особенности формирования режимов. Водный режим водохранилищ. Особенности гидрохимического и гидробиологического режима водохранилищ. Заиление и занесение во­дохранилищ. Водные массы водохранилищ.

Влияние водохранилищ на речной сток и окружающую природную среду.

Тема 12. Гидрология болот. Происхождение болот и их распространение на земном шаре. Типы болот. Строение, морфология и гидрография торфяных болот. Развитие торфя­ного болота.

Водный баланс и гидрологический режим болот. Влияние болот и их осушения на реч­ной сток. Хозяйственное значение болот.

Тема 13. Гидрология океанов и морей. Мировой океан и его части. Классифика­ция морей.

Происхождение, строение и рельеф дна Мирового океана. Донные отложения.

Водный баланс и водообмен океанов и морей. Соленость воды в океанах и морях, ме­тоды ее определения. Солевой баланс океана, солевой состав морских вод. Распределение со­лености воды в Мировом океане. Термика океанов и морей. Тепловой баланс океана. Рас­пределение температуры воды в Мировом океане. Особенности режима солености и темпера­туры воды. Плотность морской воды и ее зависимость от температуры, солености и давления. Понятие об условной плотности. Распределение плотности воды. Перемешивание вод в океа­нах и морях.

Морские льды, их классификация. Особенности замерзания морской воды. Физические свойства морского льда. Движение льдов, их классификация. Оптические и акустические свой­ства морских вод. Морское волнение. Волны зыби, ветровые волны, деформация волн у бере­га. Внутренние воды.

Приливы. Приливообразующая сила. Элементы приливной волны. Деформация при­ливной воды у берега. Приливы в морях, заливая, в устьях рек. Морские течения, их класси­фикация. Теория ветровых течений. Спираль Экмана. Плотностные и геострофические тече­ния. Циркуляция вод в Мировом океане.

Уровень океанов и морей. Кратковременные, сезонные и долговременные изменения уровня в океанах и морях. Сейши, цунами, штормовые нагоны. Водные массы Мирового океана. Понятие о Т, S анализе.

Природные ресурсы Мирового океана, их использование и охрана.

Тема 14. Основные проблемы рационального использования и охраны водных объектов суши

Заключение. Основные итоги курса. Водохозяйственное и водоэкологические проблемы, роль гидрологии в их решении. Перспективы развития гидрологии.

4. Тематика практических занятий

1.  Гидрометрические приборы. Гидрологические издания

2.  Морфометрические характеристики реки и ее бассейна

3.  Анализ водного режима реки. Гидрограф стока

4.  Скоростное поле потока. Распределение скоростей в живом сечении речного русла, эпюры скоростей

5.  Распределение температуры воды по вертикали в озере

На самостоятельную работу отводятся темы, наиболее полно раскрытые в учебной литературе. Для успешного выполнения самостоятельной работы студент должен использовать не только основную, но и дополнительную, а также периодическую литературу. Выполнение самостоятельных работ: конспекты, графики, таблицы анализа основных характеристик водного режима.

5. Темы самостоятельных работ

1.  История гидрологии

2.  Влияние гидрологических процессов на природные условия

3.  Значение климатических факторов на распределение водных объектов, и особенности их гидрологического режима.

4.  Практическое. значение и охрана подземных вод

5.  Минеральные воды. Их происхождение и распределение.

6.  Хозяйственное значение рек (на примере Калининградской области)

7.  Использование озер в народном хозяйстве (на примере России)

8.  Негативные моменты создания отдельных крупных водохранилищ.

9.  Практическое значение болот

10.  Ресурсы Мирового океана и их использование

11.  Каналы. Искусственные водные лучи. Их значение в народном хозяйстве.

Курсовые работы посвящены прикладным и региональным аспектам гидрологии основываются на данных литературных и картографических источников.

6. Темы курсовых работ

1.   Водные объекты Калининградской области

2.   Болота Калининградской области

3.   Особенности водного режима реки Преголи

4.   Основные гидрологические характеристики Виштынецкого озера

5.   Озера и пруды Калининградской области

6.   Подземные воды Калининградской области

7.   Система водоснабжения г. Калининграда

Тематика рефератов имеет теоретический характер и требует работы с основной и дополнительной литературой, статистическими материалами и Internet- ресурсом. Для раскрытия темы реферата необходимо определить цель и задачи работы, реферат должен быть проиллюстрирован графиками и картографическим материалом.

7. Темы рефератов

1.   Водный режим рек мира.

2.   Моря Атлантического океана, их особенности.

3.   Методы изучения водных объектов суши.

4.   Гидрометрические приборы, используемые в океанологии.

5.   Гидрологические особенности Балтийского моря.

6.   Ледники Европы.

7.   Самые крупные озера мира

8. Измерение скорости течения реки (приборы, методика)

9. Польдеры как земли с регулируемым водным балансом.

10. Внутренние волны. Их сущность, значение.

11. Волны зыби. Их происхождение и параметры.

12. Сейши. Сущность явления, географическое распространение.

8. Вопросы к экзамену по гидрологии

1.  Определение гидросферы

2.  Структура воды.

3.  Температура максимальной плотности пресной воды.

4.  Диаграмма агрегатных состояний (рисунок)

5.  Изменение температуры плавления льда при повышении давления

6.  Гидрология как наука (схема) Задача общей гидрологии

7.  Зависимость плотности воды от солености

8.  Изменение объема воды в диапазоне температур от 0 до 4°

9.  Расход воды. Определение, формула, единицы измерения

10.  Число Рейнольдса

11.  Гидрологический режим (определение)

12.  Изотопный состав воды

13.  График Хелланд-Хансена (рисунок с объяснением)

14.  Изменение температуры максимальной плотности при уменьшении солености

15.  Число Фруда

16.  PН (определение, формула)

17.  Прямая и обратная плотностная стратификация

18.  Минерализация и соленость

19.  Закон сохранения тепловой энергии и уравнение теплового баланса

20.  Работа воды (формула)

21.  Скорость звука в воде и воздухе (больше, меньше)

22.  Методы изучения водных объектов.

23.  Определение подземных вод

24.  Классификация подземных вод по залеганию (с рисунком),

25.  артезианский бассейн (рисунок)

26.  Виды подземных вод (по происхождению)

27.  Зоны грунтов по отношению к подземным водам

28.  Роль подземных вод в физико-географических процессах

29.  Гидравлическая связь

30.  Водные свойства грунтов

31.  Водный режим грунтовых вод

32.  Водный баланс грунтовых вод

33.  Движение подземных вод

34.  Морфометрия реки и ее бассейна

35.  Речные наносы

36.  Классификация рек по типам питания

37.  Речной сток и его характеристики

38.  Поперечное равновесие речного потока

39.  Русловые деформации (классификация, схема переката с объяснением )

40.  Водный режим рек

41.  Распре деление скоростей в реке (рисунки)

42.  Водный баланс бассейна реки

43.  Термический режим рек

44.  Озера. Определение. Классификация по размеру

45.  Колебания уровня воды в озерах

46.  Водный баланс озера.

47.  Течения, волнения и перемешивание вод в озерах

48.  Термический и ледовый режим озер

49.  Водные массы озера

50.  Водохранилища. Классификация. Морфометрия

51.  Болота. Классификация.

52.  Водный баланс болота

53.  Понятие снеговой линии и хионосферы.

54.  Типы ледников.

55.  Аккумуляция и абляция. Баланс льда и воды в леднике.

56.  Режим и движение ледников.

9. Критерии оценки знаний

Программой дисциплины предусмотрен текущий и итоговый контроль. Текущий контроль проводится в форме проверки практических работ и оценки выступления на коллоквиуме, что позволяет корректировать процесс самостоятельной подготовки студентов.

Итоговый контроль знаний проходит в виде экзамена

Оценка "отлично" выставляется студенту, показавшему всестороннее, систематическое и глубокое знание учебного материала, предусмотренного программой; усвоившему основную и знакомому с дополнительной литературой по программе; умеющему творчески и осознанно выполнять задания, предусмотренные программой; усвоившему взаимосвязь основных понятий дисциплины и умеющему применять их к анализу и решению практических задач; безупречно выполнившему в процессе изучения дисциплины все задания, предусмотренные формами текущего контроля;

Оценки "хорошо" заслуживает студент, показавший полное знание учебного материала, предусмотренного программой; успешно выполнивший все задания, предусмотренные формами текущего контроля;

Оценка "удовлетворительно" выставляется студенту, показавшему знание основного учебного материала, предусмотренного программой, в объеме необходимом для дальнейшей учебы и работы по специальности, знающему основную литературу, рекомендованную программой; справляющемуся с выполнением заданий, предусмотренных программой; выполнившему все задания, предусмотренные формами текущего контроля, но допустившему погрешности в ответе на экзамене или при выполнении экзаменационных заданий.

Оценка "неудовлетворительно" выставляется студенту, показавшему пробелы в знании основного материала, предусмотренного программой, допустившему принципиальные ошибки в выполнении предусмотренных программой заданий; не выполнившему отдельные задания, предусмотренные формами текущего контроля.

10. Литература

10.1. Основная литература

1.  Эдельштейн материков, М., Академия, 2005 – 303 с. 365

2.  , , Добролюбов , М., Высшая школа, 2005 – 463 с. 3

10.2 Дополнительная литература

1.  Клиге глобального водообмена. М., 1985.

2.  Степанов . М, 1983.

3.  Биевас и вода. Л., 1975.

4.  , , Чистяков дельты. Л., 1986.

5.  Водохранилища мира. М., 1979.

6.  Леонтьев O. K. Морская геология. М., 1982.

7.  Жуков океанология. Л., 1976.

8.  Важнов рек. М.5 1976.

9.  Орленок в истории Земли и планет. Калининград, 1989.

10.  Орленок океанизации Земли. "Янтарный сказ", Калининград, 1995.

11.  Литвин Земли. Калининград, 1995.

12.  Физическая океанография прибрежных вод. "Мир", М., 1990.

13.  Подводные морские каньоны. Л., 1972.

14.  Морская геология. М., 1986.

15.  Конюхов океана. М., 1989.

16.  Минеральные ресурсы Мирового океана. Л., 1974.

17.  Зенкович учения о развитии морских берегов. М, 1962.

18.  Ионин шельфа Мирового океана. М., 1992.

19.  Айбулагов твердого вещества в шельфовой зоне. Л., 1990.

20.  , Артюхин шельфа и берегов Мирового океана. Спб., 1993.

21.  Дологов рационального использования и охраны прибрежных областей Мирового океана. М., 1996.

22.  Шикломанов изменения водоносности рек. Л., 1979.

23.  Сафьянов зона океана в XX веке. М.,1978

24.  Орленок дна океана. Калининград, 1976.

25.  Каплин история побережий Мирового океана. М, 1973.

Вся основная и дополнительная литература находится в библиотеке РГУ им. И.Канта и методическом кабинете кафедры физической географии, страноведения и туризма.

10.3. Электронные ресурсы

1. Единое окно доступа к образовательным ресурсам http://window. *****/

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ БЛОК

Курс лекций

Тема 1. Введение в гидрологию.

План.

1. Общие закономерности гидрологических процессов на Земле Вода в природе и жизни человека. Гидросфера..

2. Водные объекты: водотоки, водоемы, особые водные объекты. Понятие о гидрологическом состоянии и гидрологическом режиме водного объема. Гидрологические процессы.

3. Науки о природных водах. Гидрология как наука, ее предмет, задачи, составные час­ти, связь с другими науками. Географо-гидрологические особенности водных объектов суши. Использование природных вод.

Учебная информация по теме.

1.Вода - одно из самых распространенных на Земле химических соединений, без нее невозможно существование жизни. Вода - не просто элемент природы, но и активный географический фактор (транспорт, работа, среда).

Вода удивляет людей с древности - еще в Древней Греции об ее происхождении задумывались Фалес (в основе всех явлений лежит вода), Гераклит (в одну реку нельзя войти дважды), Геродот изучая Нил и Истр (Дунай)- первый гидролог, а Платон и Аристотель, прогуливаясь, обсуждали происхождение рек и источников. Древние римляне достигли успехов в строительстве водоводов (акведуки, в т. ч. Пон-дю-Гар).

2. Водные объекты: водотоки, водоемы, особые водные объекты (подземные воды и ледники). Многие водные объекты обладают водосбором:

Водосбор - часть земной поверхности и ее толщи, откуда вода поступает в водный объект.

Водораздел- линия между 2-мя водосборами.

Гидрографическая сеть- совокупность водотоков и водоемов и других во на определенной территории.

Водные объекты Земли образуют гидросферу.

Есть несколько определений:

Гидросфера - прерывистая водная оболочка Земли, расположенная на поверхности земной коры и в ее толще, представленная на поверхности земной коры и в ее толще, представленная совокупность океанов, морей и водная оболочка суши, включая снежный покров и ледники.

Гидросфера не включает атмосферную влагу и воду организмов. Иногда под гидрсферой понимают только поверхностные воды, а иногда включают и атмосферу и биосферу.

Для нас главное- взаимопроникновение сфер.

3. Гидрология и ее подразделы

Водная оболочка и гидрологические процессы изучает комплекс наук, объединенных названием «гидрология».

Гидрология:

1.гидрометрия - методы измерения и наблюдения

2. Инженерная гидрология - методы расчета и прогноза.

3. Гидрография - описывает конкретные во.

4. Гидрофизика

5. Гидрохимия

6. Гидробиология.

7. Общая гидрология:

a)  Гидрология подземных вод (гидрогеология).

b)  Гидрология суши (просто гидрология):

ü  Гидрология рек (потамология)

ü  Гидрология озер (лимнология)

Гидрология болот (болотоведение) c) гидрология морей (физическая океанология)

Предмет общей гидрологии: природные воды Земли и процессы, в них происходящие.

Задача общей гидрологии: рассмотрение наиболее общих закономерностей и процессов в в. о. и их взаимосвязи с процессами в атмосфере, литосфере и биосфере.

Гидрология связана также метеорологией, климатологией, геоморфологией, картографией.

Вопросы для самоконтроля.

1. Дать определение гидросферы.

2. Гидрология как наука, ее предмет и основная задача.

3. Классификация водных объектов Земли.

Тема 2. Методы гидрологических исследований. Использование при­родных вод в народном хозяйстве.

План.

1. Методы гидрологических исследований

2. Практическое значение гидрологии. Меры, принимаемые в России для рационального использования и охраны водных ресурсов.

3.Водное законодатель­ство России, Государственный учет вод. Государственный водный кадастр. Краткие сведения из истории гидрологии в России.

Учебная информация по теме

Использование природных вод.

Современная цивилизация зародилась на реках и побережьях.

По характеру использования все отрасли хозяйства делят:

·  водопотребители (изымают, а потом меньшее количество возвращают) - промышленность, тепловая и атомная энергетика, с/х, ЖКХ.

·  водопользователи (используют воду как среду, носителей энергии и компоненты ландшафта)- гидроэнергетика, водный транспорт, рыбное хозяйство, рекреация и спорт). Для производства требуется:

1 га риса ок. 20 тыс м3 в год

1 кг пшеницы 0, 75 м3

1 т стали 20 м3

1 т бумаги до 200 м3

1 т никеля 4000 м3

Для добычи нефти (1 т.) не менее 50 м3

Тепловая энергетика: 1 млн кВт 1,6 км3 в год, на АЭС –еще больше.

Человек- 300-600 л воды в сутки. Водопотребление в России меньше, чем в СССР - меньше орошаемых земель и спад производства. 2001 г 66,7 км3 в год (59 % -промышленность)

Водное законодательство (1995 г.- водный кодекс). Что принадлежит России -1) водные объекты суши, 2) внутренние морские воды (в сторону берега от границы территории)

3) акватория моря (12 морских миль)

Совокупность всей водной оболочки подлежит включению в водный кадастр.

Вопросы для самоконтроля

1. описать основные методы гидрологических исследований

2.Какие правовые документы регламентируют водопользование?

3. какие отрасли хозяйства являются водопотребителями, а какие – водопользователями? Привести примеры.

Тема 3. Химические и физические свойства природных вод.

План.

1. Вода как химическое со­единение, ее молекулярная структура и изотопный состав. Химические свойства природных вод. Вода как растворитель. Солевой состав природных вод и его классификация. Особен­ности солевого состава атмосферных осадков, речной и морской воды. Газы, биогенные и ор­ганические вещества, микроэлементы в природных водах. Загрязнение природных вод и борьба с ним.

2.Физические свойства природных вод. Агрегатные состояния воды: жидкая вода, водя­ной пар, лед. Фазовые переходы. Плотность воды и ее зависимость от температуры, минера­лизации (солености), содержания взвешенных веществ и давления. Зависимость температуры замерзания и температуры наибольшей плотности от солености воды.

3.Тепловые свойства воды, ее теплоемкость и теплопроводность. Вязкость воды. По­верхностное натяжение. Общие закономерности распространения света и звука в воде. Гид­рологическое и физико-географическое значение физических свойств и "аномалий" воды.

Учебная информация по теме

Молекула воды нессиметрична. Она - электрический диполь.2Структура воды:

Мономерные молекулы (одиночные) – пар

Гексагональные молекулы (лед)

Гексагональные+одиночные (вода)- т. е. упакована боле плотно.

Изотопы.

Н

1Н-обычный

2Н (D) дейтерий

3Н(Т) радиоактивный сверхтяжелый тритий

О

16О, 17О, 18О

Вода имеет переменный изотопный состав.

Самая распространенная - 1Н2 16О, других на Земле менее 0,27 % (тяжелая вода)

В 3Н2О (Т2О)-сверхтяжелая вода 13-20 кг.

. Химические свойства: вода как растворитель. Вода - слабый электролит, диссоциирует по уравнению:

Н2О— Н++ОН-

Ионное равновесие, его отражает водородный показатель рН – логарифм концентрации водородных ионов (моль/л), взятый с обратным знаком.

рН=7 нейтральная среда

рН> 7 щелочная среда

рН< 7 кислая среда

Вода - хороший растворитель. Суммарное содержание в воде растворенных веществ:

·  минерализация (М-мг/л, г/л) Х[ от 0,01 г/л дождь до 600 г/л в рассолах]

·  соленость г/кг - промилле ‰ S

По содержанию солей воды делятся:

<1 ‰ пресные

1-25 ‰ солоноватые

25-50‰ соленые

>50 ‰ рассолы

К числу главных ионов солей в природных водах относят:

отрицательный заряд-анионы

НСО3- гидрокарбонаты

SO42- сульфатные

Cl - - хлоридный

К положительно заряженным-катионы

Ca2+ калийные

Mg2+ магнийные

Na+ натриевые

К+ калийные

классы - по преобладающему аниону

группы - по преобладающему катиону

В пресных водах преобладает Н3SiO4-, НСО3-, Са2+

в солоноватых SO42-, Na+

в соленых Сl, Na+

Речные воды обычно относятся к гидрокарбонатному классу и Ca-группе. Подземные воды часто - к хлоридному классу и Na-группе.

Сумма концентрации Ca2+ и Mg2+- общая жесткость.

Газы хорошо растворяются, если могут вступать с водой в химические связи:

1.  аммиак NH3

2.  сернистый газ SO2

3.  двуокись углерода СО2

4.  азот N2

5.  сероводород H2S

6.  кислород

3,4,5,6-самые распространенные, источник –атмосфера.

Процент насыщения воды газом.

А=Ф/Рx100%

Ф- фактическое содержание

Р- равновесная концентрация при данной t°.

Состояние карбонатного равновесия:

СО2 + Н2О«Н2СО3«Н++НСО3-«2Н++СО32-

Добавление ионов водорода Н+ смещает карбонатное равновесие влево (в сторону кислой реакции) и переводит карбонаты в бикарбонаты. Добавление ионов гидроксида ОН- уменьшает концентрацию ионов Н+ и смещает карбонатное равновесие вправо (щелочная реакция).

Соотношение различных форм угольной кислоты в воде (прежде всего растворенного СО2 и иона НСО3—главный фактор определяющий величину рН.

рН природных вод:

<4,5 рудничные воды

4,5-6 болотные

5,5-7,2 подземные

6,8-8,5 реки и озера

7,8-8,3 океаны

>8,5 соленые озера

Биогенные вещества-соединения N, P, Si из атмосферы, грунтов, разложившейся органики, а также канализационные стоки.

Все вещества в воде в основном – микроэлементы - менее 1 мг/л., но в больших количествах могут стать ядами (Br, F,I, Li, Ba и тяжелые металлы Fe, Ni, Zn, Co, Cu, Cd, Pb, Hg)

Особая категория - загрязняющие вещества-нефтепродукты, ядохимикаты, удобрения, моющие вещества, радиоактивные вещества.

«Качество воды» - характеристика состава и свойств воды, определяющих ее пригодность для конкретного водопользования.

3) Вода как ресурс.

Это все природные воды. Наиболее ценны запасы пресных вод. Они складываются из статических (ежегодно изменяются) и возобновляемых (восстанавливаются в процессе круговорота).

Особенности водных ресурсов

1)  Вода уникальна и ее нельзя ничем заменить.

2)  Вода-ресурс неистребимый.

3)  Пресные воды - возобновимый природный ресурс, но его надо перераспределять.

4)  Вода-ресурс многоцелевой.

5)  Вода подвижна:

·  перемещается сама и изменяет агрегатное состояние

·  ее можно транспортировать (каналы)

·  не признает административных и государственных границ

·  переносит наносы, растворенные вещества (и загрязняющие) и теплоту.

2. Физические свойства воды.

.Агрегатные состояния воды и фазовые переходы.

Вода может быть в 3-х агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

В земных условиях может быть во всех 3-х.

А другие вещества? например, металл, камень, газ.

Изменение агрегатного состояния вещества называется фазовым переходом.

Фазовые переходы сопровождаются выделением или поглощением теплоты - теплота фазового перехода «скрытая теплота».

Диаграмма агрегатного состояния.

С поверхности воды (льда и снега) постоянно отрываются и уносятся в воздух молекулы - т. е. вода переходит в пар. А часть молекул из пара возвращается обратно. Если преобладает первое, то идет испарение. Если второе - конденсация.

Регуляторные направление процесса - дефицит влажности.

Испарение с поверхности воды (льда, снега), почвы идет тем больше дефицит влажности (при любой t°).

Когда испарение охватывает не только поверхность воды, но и ее толщу (идет с внутренней поверхности пузырьков), начинается кипение.

Аномально высокие значения tзам и tкип.

Тзам и Ткип зависят от давления (объяснить диаграмму).

2. Зависимость tзам от солености.

Увеличение S н каждые 10% снижает Тзам ~на 0,54°

График Хелланд-Хансена.

мах Р пресной воды при t=4°C

Морская вода замерзает, так и не достигнув своей мах плотности.

3)Плотность- масса однородного вещества в единицу объема.

r=m/v (кг/м3)

	Т°С
-20	-10	0	1	2	3	4	5	10	30
Лед			999,87	999,93	999,97	999,99	1000 кг/м3	999,9	999,73	995,68
вода	920	918,5	917

То есть при t=4°C вода имеет max плотность!

Плотность льда зависит от его структуры и t°.

Свежевыпавший снег 80-140 кг/м3

слежавшийся снег 140-300 кг/м3

тающий снег 240-кг/м3

лавинный снег 500-650 кг/м3

Р воды изменяется в зависимости от содержания в ней растворенных веществ и увеличивается с ростом солености.

Уравнение состояния морской воды:

r=r0 (1+aТ+bS)

max плотность Н2О при S=0‰ т. е. 1000 кг/м3

a-коэффициент - влияние на плотность воды термического расширения

b - коэффициент - влияние на плотность воды содержания солей

Увеличение солености на каждые 10 ‰ снижает Тmax плотн ~на 2° (график Хеллан-Хансена).

Воды перемешиваются, пока вода не достигает tmax p, соленые воды с S>24,7‰ продолжают перемешиваться.

4) объем воды

от 0 до 4° V уменьшается

меньше 0 – увеличивается

больше 4°- увеличивается

(Трубы при замерзании, плавучие льдом, кастрюля)

На плотность Н2О влияет давление: сжимаемость ее мала, но есть, на каждые 1000 м глубины r возрастает на 4,5 кг/м3.

В Марианской впадине r ~1076 кг/м3. Если бы вода не сжималась, уровень моря был бы выше на 30 м. На плотность льда влияют наносы (пример – р. Хуанхэ).

Другие физические свойства воды.

1.Молекулярная вязкость (внутреннее трения)

Вязкость воды невелика.

кинематический коэффициент вязкости n м2/с

динамический коэффициент вязкости m=rn

Вязкость воды уменьшается с повышением t. Благодаря малой вязкости, воды текучи.

Увеличение минерализации повышает вязкость.

2. Поверхностное натяжение и смачивание.

По сравнению с другими веществами у воды очень высокое поверхностное натяжение. [У какого вещества выше?]

Оно способствует размыву почв и грунтов. Вода может подниматься в порах и капиллярах почв и растений.

3. Оптические свойства воды.

Свет от поверхностной воды частично отражается, на границе раздела преломляется, а в толще рассеивается и поглощается.

Альбедо - отношение энергии отраженного света от поверхности к энергии падающего света.

Альбедо зависит от освещенности и состояния водной поверхности -4-11%.

Коэффициент преломления ~1,33, уменьшается с повышением t°, увеличивается с соленостью.

Свет в воде быстро затухает:

таким образом, свет проникает лишь на небольшую глубину, и только здесь протекают процессы фотосинтеза.

4.Акустические свойства воды.

Вода хорошо проводит звук. В толще воды звук может распространяться на большие расстояния и с большой скоростью.

Vзвука в воде= м/с, т. е. в 4-5 раз> Vзвука в воздухе

Она увеличивается с повешением t° (~3 м/с на 1°С),

с увеличением S (~1 м/с на 1‰),

с ростом Р (на 1,5 м/с на 100 м h)

5) Электропроводность воды

Чистая вода - плохой проводник электричества. Электропроводность льда в 10 раз меньше воды. Электропроводность воды немного увеличивается с повышением t и сильно увеличивается с увеличением минерализации.

3. Тепловые свойства воды.

На фазовые переходы затрачивается много теплоты (на плавление, испарение, кипение, возгонку), а при обратных переходах много теплоты выделяется.

Удельная теплота плавления льда и удельная теплота парообразования аномально высоки.

Удельная теплота - количество тепла, затрачиваемое на превращение единицы массы льда в воду: удельная теплота плавления льда.

Lльда=333000 Дж/кг

Столько же выделяется при замерзании воды.

Lисп=2,5•106-2,4•103 Т то есть зависит от t

Т =0 Lисп=2,5•106 Дж/кг

Т =100 Lисп=2,26•106 Дж/кг

Удельная теплота возгонки

Lводы=Lпл+ Lисп

Для определения количества теплоты, расходуемой на плавление льда:

Qпл=mL пл (Дж)

для испарения Qисп=m Lисп

для возгонки Qвозг=m(Lпл+ Lисп)

Для замерзания, конденсации, сублимации - выделение теплоты по тем же формулам.

Для нагревания воды вне точек фазовых переходов необходимо затратить большое количество теплоты. Есть специальная характеристика-количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы на 1°С это – удельная теплоемкость.

У воды она тоже аномально высока.

Удельная теплота при 15°С=4190 Дж/кг•°С

при 33°Сmin=4180 Дж/кг•°С

Теплоемкость чистого льда ~в 2 р< теплоемкости воды, а у снега - в 7 раз.

Количество теплоты ∆Q, необходимое для нагревания массы воды на ∆Т °С сгибают по формуле

∆Q= Cpm∆t

Cp-удельная теплоемкость

∆t= Ткоп - Тнач

Тепловые свойства воды влияют на жизнь всей планеты.

При нагревании огромные количества теплоты тратятся на таяние льда, нагревание и испарение воды-Земля не перегревается.

А когда идет охлаждение, выделяющаяся теплота сдерживает замерзание.

Аномальные свойства воды объясняются наличием сильных межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и льда.

Другое тепловое свойство - теплопроводность, она очень мала, меньшую имеет лишь воздух.

Вопросы для самоконтроля.

1. задание: заполнить таблицу: Самые главные аномалии воды.

1.Физическая характеристика (например t плавления)	2. «Аномалия» очень высокая	3.Значения для природы

2. нарисовать диаграмму агрегатных состояний, прокомментировать.

3. нарисовать график Хелланда-Хансена, прокомментировать.

Тема 4. Физические основы гидрологических процессов.

План.

1.Фундаментальные законы физики: сохранения вещества, сохранения энергии и изменения импульса (количество движения), их использование при изучении водных объектов.

2.Понятие о водном балансе водного объекта или части суши, растворенные и взвешен­ные вещества в водном объекте, тепловой баланс водного объекта.

3.Понятие о применимости законов механики к движению воды в водных объектах. Ла­минарное и турбулентное, установившееся и неустановившееся, равномерное и неравномер­ное движение воды. Силы, действующих в водных объектах. Баланс сил.

Учебная информация по теме.

1. Фундаментальные законы физики и их использование для изучения водных объектов.

1.1. Закон сохранения вещества.

В физике: означает неизменность массы в замкнутой (изолированной) системе.

Водные объекты - открытые системы, поэтому в гидрологии этот закон определяет равновесие между приходом, расходом вещества и изменением его массы в пределах объекта.

Это относится не только к воде, но и содержание в ней наносам, солям, газам и т. д.

Количественное выражение закона: уравнение баланса.

Применительно к водному объекту и к любому замкнутому контуру:

∆m=m+- m-

Единицы измерения- единицы массы (кг), но можно выражать и в объеме.

1.2. Закон сохранения энергии.

В физике: неизменность энергии в замкнутой системе с учетом возможного перехода одного вида энергии в другой.

В гидрологии: определяет условия баланса прихода и расхода теплоты и изменения теплосодержания объекта.

Количественное выражение - уравнение теплового баланса.

∆Q=Q+-Q-

Q+-что пришло ;

Q+теплота при переходе механической энергии в тепловую, а также при ледообразовании – конденсации водяного пара, разложении веществ.