Учебно-методический комплекс по дисциплине «Учение о гидросфере» (стр. 2 )

Q-- что ушло, затраченной на испарение, плавление льда, химические и биохимические процессы.

Единицы измерения - Дж.

1.3.Закон сохранения механической энергии.

Е= Епот+ Екин+Едис

Е-полная энергия

Епот- потенциальная энергия

Екин- кинетическая энергия

Едис - затраты на трение-диссоциация энергии.

В гидрологии: определяет характер перехода потенциальной энергии (энергия покоящейся воды) в кинетической энергии движущегося потока.

1.4. Закон сохранения количества движения (импульса).

В физике: в пределах замкнутой системы количество движения остается неизменным:

m(aV/at)=0

m-масса системы

aV/at-ее ускорение (ед. изм. Дж).

В гидрологии: закон изменения движения (импульса): изменение количество движения открытой системы равно сумме всех сил, действующих на систему.

Количественное выражение: уравнение движения:

m(dV/dt)=SF

Единицы измерения силы- Н или кг•м/с2

2. Водный баланс. Уравнение водного

X+Y1+W1+Z1= Y2+ W2+ Z2±∆U

X - атмосферные осадки

Y1-поверхностный приток

W1-подземный приток

Z1-конденсация

Y2-поверхностный отток

W2- подземный отток

Z2- испарение

∆U-изменение объема

Члены уравнения выражаются либо в единицах слоя (мм, см, м), либо в объемных единицах (м3, км3).

То же уравнение используется и для баланса содержащихся в воде веществ.

Тепловой баланс.

R=Qс-I

R - радиационный баланс

Qс - суммарная коротковолновая солнечная радиация, поглощенная водой и сушей

I - эффективное излучение поверхности

R=(Q+q)(1-r)-I

Q - прямая радиация

q - рассеянная радиация

r - альбедо(отношение количества отраженной солнечной радиации к количеству поступающей)

I-эффективное излучение (излучение поверхности и поглощенное атмосферой)

3. Основные закономерности движения природных вод.

3.1. Классификация видов движения.

·  по изменению гидравлических характеристик во времени и пространстве

·  по гидродинамическому режиму

·  по состоянию поверхности

·  по действующим силам

1) Движение называется установившимся (стационарным), если скорость во времени не изменяется dv/dt=0

Неустановившиеся (нестационарное)®если v меняется:

dv/dt¹0

3.2.Два гидродинамического режима:

·  ламинарный (слоистый)

·  турбулентный (беспорядочный)

Гидродинамический режим характеризуется числом Рейнольда:

Re=Vh/n

V-cредняя скорость, м/с

h - глубина, м

n-кинетический коэффициент вязкости, м2/с

Reкрист»

Re > 3000 – турбулентный режим

Re < 300 – ламинарный режим

Между ними – переходный.

В реках, озерах и морях ® режим турбулентный.

Ламинарный - подземные воды в мелких порах грунтов и в ледниках.

3.3. По состоянию поверхности воды бывают спокойные и бурные (как обтекают препятствие).

Число Фруда:

Fr=V2/gh

V2-скорость м/с

g - ускорение свободного падения

h - глубина м

Fr=1 критическое

Fr>1 поток бурный (горные реки)

Fr<1 поток спокойный (равнинное течение в водоемах)

3.4. Физические параметры гидрологических процессов

1. Расход.

Q(м3/с)=n( м/с)w(м2) (если расход вещества, растворенного в воде R=rQ)

2. Кинетическая энергия движения воды Екин=(mn2)/2

За время ∆t масса воды m, переместится через сечение=rQ∆t

®Eкин= (Дж)

3. Потенциальная энергия массы воды Епот=mgH

H-высота центра тяжести над плоскостью отсчета т. е. уровнем моря

m=rQ∆t

®Eпот=rQg∆tН (Дж)

4. Вода, перемещаясь на высоту ∆Н совершает работу А.

А=rQg∆t∆Н (Дж)

5. Мощность потока

N=A/∆t=rgQ∆H

N - Дж/с или Вт ()

3.5.. Силы, действующие в водных объектах.

Объемные силы (действующие на весь объем воды):

-  сила тяжести Fg и F¢g

F¢g =mgsina=mgI

I-уклон

-  центробежная сила Fц=

r-радиус

-  отклоняющая сила вращения Земли - сила Кориолиса

Fк=2mnwsinj

j-географическая широта

w-угловая скорость Земли

В северном полушарии сила Кориолиса отклоняется вправо.

Поверхностные силы.

-  силы давления ¯ (важна разница давлений т. е. градиент)

Р=SP

P-удельное давление

-  касательные силы трения

Тдно=Sдноtдно

Тдно-трение на дне

tдно - удельное трение

tдно=fдноrn2

fдно - коэффициент сопротивления

Ламинарное движение- сила трения зависит от числа Рейнольдса.

fдно=, а при турбулентном движении - не зависит.

Поверхностное трение (ветер)

Тветр=Sповtветр

Движение воды может быть обусловлено различными силами.

-  Если наклонам®гравитационное движение (реки, ледниковые, безнапорные подземные воды)

-  Напорные воды ®артезианские

-  Плотностные течения (озера, океаны и моря)

-  фрикционные течения (от ветра) - моря, озера, реки

-  инерционные течения - когда сила перестала действовать, а воды движутся

2.4. Вертикальное устойчивость log

K=

K>0 прямая плотностная стратификация r1>r2

K<0 обратная плотностная стратификация r1<r2

Вертикальная плотностная конвенция

Нейтральная устойчивость

Расслоение вод по плотности.

Обратный эстуарий.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое мощность потока?

2. Каково критическое значение числа Фруда?

3. Какими силами обусловлено движение природных вод?

4. Что такое прямая плотностная стратификация?

Тема 5. Круговорот воды в природе и водные ресурсы Земли

План.

1.Вода на земном шаре. Единство гидросферы. Изменение запасов воды на Земле. Круговорот тепла на земном шаре и роль в нем природных вод.

2.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).

Учебная информация по теме

1. Мировые запасы воды на Земле огромные. Однако, это преимущественно соленая вода Мирового океана. Запасы пресной воды, потребность людей в которой является особенно большой, незначительные и исчерпаемые. Во многих местах планеты чувствуется нехватка её для орошения, потребностей промышленности, питья и других бытовых потребностей.

Большинство пресной воды сконцентрировано в ледниках Антарктиды и Гренландии. Третий по величине источник воды — подземные воды. Они проходят на глубине 150—200 м. Общий их объём приблизительно в 100 раз больше объёма поверхностных пресных вод рек, озёр, болот.

В течение последних лет за приблизительными подсчётами потребность в воде выросла в 10 раз. Соотношение прихода и расхода воды с учетом изменений её запасов за выбранный интервал времени для определённого объекта называется водным балансом.

Вообще учету подлежат атмосферные осадки, конденсация влаги, горизонтальный перенос и отложение снега, поверхностный и подземный приток, испарение, поверхностный и подземный сток, изменение запасов влаги в почве и др.

Под водными ресурсами в широком понимании воспринимаются все виды воды, которые находятся в Земле, на её поверхности и в атмосфере. В более узком понимании под водными ресурсами понимаются те естественные воды, которые можно использовать в настоящее время, управляя их режимом, а также воды, что могут быть использованы в ближайшей перспективе и над управлением которыми идет работа.

Исходя из этого определения, в понятие «водные ресурсы» включаются только пресные воды суши. На практике к такой категории доступных для использования вод в настоящий момент относят речной сток и пригодные для эксплуатации подземные воды.

Водные ресурсы считаются физически неисчерпаемыми, но в своем размещении и режиме стока они выдерживают прямое и непосредственное влияние других компонентов естественного комплекса и антропогенное давление, вследствие чего отличаются значительными колебаниями и неравномерностью распределения, а также по своим качественным характеристикам.

Различают не только искусственное загрязнение воды, но и естественное. Известно, что даже в малозаселенных районах чистота воды уменьшается, а количество ила, примесей всех видов увеличивается от истока в горах к месту соединения с морем или океаном.

Основные источники загрязнения воды:

стоковые воды промышленных предприятий;

бытовые стоки коммунального хозяйства;

стоковые воды сельского хозяйства;

воды шахт, нефтепромыслов, рудников;

отходы производств при добыче разных полезных ископаемых;

отходы древесины в деревообрабатывающей промышленности;

сбросы водного и железнодорожного транспорта;

Обеспечение экологического равновесия и полное удовлетворение потребностей населения и общественного хозяйства водой возможны при улучшении качества воды и водного режима рек, рациональном использовании воды предприятиями всех отраслей общественного хозяйства и воссоздании водных ресурсов.

Всем промышленным и сельскохозяйственным предприятиям следует:

проводить мероприятия по экономному использованию водных ресурсов;

применять современные эффективные и совершенные технические средства и технологии, чтобы предотвратить большие потери и загрязнение воды;

контролировать качество и количество сброшенных в водные объекты промышленных стоков и тому подобное.

Вода имеет чрезвычайно ценное свойство — постоянно самосовершенствоваться под воздействием солнечной радиации и самоочистки. Последнее заключается в перемешивании загрязненной воды со всей её массой в водном источнике и последующем процессе минерализации органического вещества и отмирании бактерий. В естественной самоочистке воды принимают участие бактерии, грибы, водоросли. Установлено, что в процессе бактериальной самоочистки через 24 часа остается не больше 50 % бактерий, через 96 час. — 0,5 %. Для самоочистки загрязненной воды необходимо многоразовое разбавление её чистой водой. В случае сильного загрязнения самоочистка воды не происходит, поэтому нужны специальные мероприятия и методы по ликвидации загрязнений, которые поступили со стоковыми водами.

2.Круговорот воды на Земле, называемый также гидрологическим циклом, включает поступление воды в атмосферу при испарении и возвращение ее назад в результате конденсации и выпадения осадков. В общих чертах круговорот воды всегда состоит из испарения, конденсации и осадков. Но он включает три основных звена:

1.  поверхностного стока: вода становится частью поверхностных вод;

2.  испарения - транспирации: вода впитывается почвой, удерживается в качестве капиллярной воды, а затем возвращается в атмосферу, испаряясь с поверхности земли, или же поглощается растениями и выделяется в виде паров при транспирации;

3.  грунтовых вод: вода попадает под землю и движется сквозь нее, питая колодцы и родники и таким образом вновь попадая в систему поверхностных вод.

Согласно схеме круговорота воды, фонд воды в атмосфере невелик; скорость оборота выше, а время пребывания меньше, чем для углекислого газа. На круговороте воды начинают сказываться глобальные последствия деятельности человека. Учет осадков и речного стока во всем мире сейчас хорошо поставлен; необходимо, однако, как можно быстрее наладить более полный контроль всех основных путей движения воды в круговороте. Следует подчеркнуть два других аспекта круговорота воды.

1. Отметим, что море теряет из-за испарения больше воды, чем получает с осадками; на суше положение обратное. Другими словами, та часть осадков, которая поддерживает наземные экосистемы, включая и поставляющие пищу человеку, приходит благодаря испарению с моря. Установлено, что во многих областях 90% осадков приносится с моря

2. Согласно оценкам, вес воды пресных озер и рек - 0,25 геограмма (1геограмм=1020 г), а годовой сток - 0,2 геограмма; следовательно, время оборота составляет около года. Разность между количеством осадков за год (1,0 геограмм) и стоком (0,2 геограмма) составляет 0,8; это и есть величина годового поступления воды в подпочвенные водоносные горизонты. Как уже указывалось, увеличение стока в результате деятельности человека может уменьшить очень важный для круговорота фонд грунтовых вод. Нам следовало бы возвращать больше воды в водоносные слои, не пытаясь хранить ее всю в озерах, откуда она быстрее испаряется.

Вопросы для самоконтроля.

1. Объяснить понятие водные ресурсы. Какие виды природных вод в них включают?

2. Что такое естественная очистка воды?

3. Как функционирует материковое звено глобального круговорота воды?

Тема 6. Гидрология ледников.

План.

1.Происхождение и распространение ледников на земном шаре. Снеговой баланс и снеговая линия. Типы ледников, покровные и горные ледники.

2.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.

Учебная информация по теме.

1. Ледник – масса фирна и льда, образующаяся путем длительного накопления твердых атмосферных осадков и обладающая собственным движением.

Происхождение ледников и их распространение на Земном шаре.

Понятие снеговой линии.

Климатическая снеговая линия, ее географическое положение.

Главная причина существования оледенения – климатическая.

основное условие существования ледников – положительный снеговой баланс. важны также орографические и геоморфологические условия.

Типы ледников. Ледники бывают покровные и горные. Среди покровных различают ледниковые купола (толщина менее 1 км), ледниковые щиты (толщина более 1 км), выводные ледники (у них высокая скорость движения) и шельфовые. Среди горных различают ледники вершин, каровые и долинные ледники.

2. Образование и строение ледников. выделяют область питания (аккумуляции) и область расхода (абляции).

Плотность снега до 100 кг на куб. м, потом он превращается в зернистый снег, затем в фирн (его плотность до 800 кг на куб. м), а затем в глетчерный лед (плотность до 910 кг на куб. м).

На аккумуляцию льда влияют два особых процесса: режеляция (смерзание кристаллов льда) и конжеляция (повторное замерзание талой воды на поверхности льда).

Зоны ледообразования и их режим.

1. Снежная зона. Основной процесс – рекристаллизация. Таяния нет. Толщина фирна 50-150 м. Нижняя граница среднегодовая t -25°. Внутренние части Антарктиды, Гренландии, Памир (выше 6200 м).

2. Снежно-фирновая зона. Рекристаллизация и режеляция. Слабое таяние летом. Толщина фирна 20 – 100 м. Периферийные части Антарктиды и Гренландии, Памир (свыше 5800 м).

3. Холодная фирновая зона. Инфильтрация и рекристаллизация. Две трети льда образуется путем замерзания инфильтрующейся воды. Арктика и горы в областях с континентальным климатом.

4. Теплая фирновая зона. Таяние значительное, интенсивный сток. Инфильтрация и рекристаллизация. Толщина фирна 20-40 м. Горы и арктические острова в условиях морского климата.

5. Фирново-ледяная зона. Инфильтрация. Большое таяние. Фирн 1 – 5 м. Горы континентального климата.

6. Зона ледяного питания. Инфильтрация и конжеляция. Фирна нет. Горы в условиях континентального климата.

В каждом леднике свой особый набор зон.

В области абляции нет фирна, там только лед. Часто эту область называют языком ледника.

Ледниковый коэффициент – отношение площади области аккумуляции к площади области абляции. Современные долинные ледники Альп, Кавказа 1 – 2, у каровых – меньше. Сейчас также применяют понятие «доля области питания» - отношение площади области аккумуляции ко всей площади ледника.

Обширные ледники обладают сложной гидрографической сетью и имеют много трещин.

Ледниковые наносы – морены. Они бывают влекомые и отложенные. Влекомые морены: поверхностные, внутренние, придонные. Отложенные – береговые и конечные.

Уравнение водного баланса – питание и абляция ледников.

X + Yмет. + Yлавин. + Zконд = Yтаян. + Zиспар. ±ΔU – уравнение водного баланса ледника

Режим и движение ледников. Если ΔU = 0, ледник стабилен, если больше нуля – оледенение нарастает, если меньше – деградирует.

Движение ледников. Ему способствует большая мощность, уклоны ложа и поверхности, повышенная температура.

V = kh2Iл Скорость движения ледника – произведение коэффициента, квадрата мощности и уклона.

Временное ускорение движения ледника называется подвижка (сёрдж).

По скорости движения ледники делятся:

·  малоподвижные (100-200 м в год)

·  постоянные (до 5 – 7 км в год)

·  пульсирующие (скорость может достигать 300 м в сутки).

Опасен ледник Колка на Кавказе. Подвижки были в 1835, 1902, 1969 и 20 сентября 2002 г. Последняя была катастрофическая, высота вала достигала 150 м, прошел сель. Погибло более 100 чел.

Роль ледников в питании и режиме рек. Река, текущая ночью. Катастрофические паводки. Сели.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие ледники являются ледниковыми щитами? Привести примеры.

2. Что такое конжеляция?

3. Написать уравнение водного баланса для ледника.

Тема 7. Гидрология подземных вод.

План.

1.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.

2. 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.

Учебная информация по теме

1.Подземные воды - содержащиеся в земной коре воды, которые находятся в активном взаимодействии с атмосферой и поверхностными водами и участвуют в круговороте воды на Земле.

Происхождение подземных вод.

1)  экзогенные

i)  водная оболочка поверхности суши

(1) Просачивание (инфильтрация)

ii)атмосфера

(2) конденсация водяного пара

(3) седиментация

2)  эндогенные

i) недра Земли

(1)дегидратация минералов

(2)магматизм (ювенильные)

Исходя из процесса, поверхностные воды называются:

Инфильтрация®инфильтрационные (просачиваются из атмосферы, озер, рек, морей)

Конденсация®конденсационные (конденсация в порах грунтов водяного пара)

Седиментация®седиментационные (в отложениях наносов и в осадках морей® «иловые воды»

Физические и водные свойства грунтов.

Поверхностные воды находятся в грунтах. Режим поверхностных вод во многом определяется физическими и водными свойствами грунтов.

Основные физические свойства грунтов

(1) Плотность

rгр= (кг/м3)

плотность сухого грунта и r при естественной влажности rгрунта отличается r”скелета” (т. е. зерен) [песок]

rпеска = кг/м3

rкварца =2650 кг/м3

(2) Гранулометрический состав (механический состав)-процентное содержание групп частиц (фракций) разного диаметра

средний размер частиц грунта Dср

(3)Скважность-наличие в грунтах пустот.

·  пористость (размер пустот <0,1 мм) ®грунта пористые® пески, илы, глины, суглинки

·  трещиноватость (трещины) ®трещиноватые ®метаморфические и магматические горные породы

·  каверновые®известняки, гипс

Пористость®коэффициент

р =()•100%=(1-)•100%

торф 80%

ил 50%

песок 25-35 %

глина 20-40 %

гранит 1%

Виды воды в порах грунта.

Основные силы, воздействующие на воду:

-  силы молекулярного взаимодействия

-  капиляные силы

-  сила тяжести

-  сила гидростатического давления

-  сосущая сила корней растений (десукция)

Виды воды в грунтах:

1) химическая связанная

2)физическая связанная

(1) гигроскопическая

(2) пленочная

(1), (2)-в круговороте не участвуют, гидрология не изучает

Капиллярная вода - образуется в порах после их насыщения пленочный водой и перемешивается под действием капиллярных сил.

Капиллярная вода бывает:

·  капиллярная подвешенная А

·  капиллярная разобщенная В

·  капиллярная поднятия

Свободная вода (гравитационная)-находится в порах и трещинах грунта и перемещается под влиянием силы тяжести и гидростатического давления.

·  жидкая (капиллярная свободная)

·  лед (кристаллы, прослои, линзы льда)

·  пар (заполняет вместе с воздухом пустые поры)

Водные свойства грунтов

(1) Влажность Wm-отношение массы воды к массе сухого вещества (%)

Wm=()•100%=•100%

mгр- масса влажного грунта

mс- масса сухого грунта

(2) Влагоемкость - способность грунта вмещать и удерживать воду

Полная влагоемкость Wпв-cуммарное содержание в грунте всех видов воды при заполнении всех пор: наименьшая влагоемкость.

Дефицит влажности грунта:

d=Wпв - Wоб

Wоб - то, что есть сейчас

(3) Водоотдача - способность грунта отдавать воду путем свободного стекания.

Самой большой водоотдачей обладают крупномасштабные породы, а наименьшей-глины.

(4) Водопроницаемость - способность пропускать через себя воду под воздействием силы тяжести или градиентов гидростатического давление.

Зависит от размера и формы частиц грунта, от размера и количества пор и трещин, от размера и количества пор и трещин, гранулометрического состава.

По водопроницаемости:

·  высокопроницаемые (гравий, галька)

·  хорошо водопроницаемые (крупнозернистые пески)

·  водопроницаемые

·  слабоводопроницаемые (суглинки, супеси)

·  весьма слабоводопроницаемые

·  водопроницаемые (водоупоры - скальные породы)

(5)Капиллярность грунта - способность грунта содержать и пропускать капиллярную воду.

Высота капиллярного поднятия зависит от размера капиллярных пор, гранулометрического состава, t° температуры воды и другое.

Высота капиллярного поднятия над уровнем грунтовых вод обратно пропорциональна диаметру капиллярных наносов и крупности части грунта.

песок 2,0-3,5 см

супесь 120-350 см

суглинок 350-650 см

глина см (!)

Классификации подземных вод.

(1) По характеру грунтов:

·  поровые

·  пластовые

·  трещинные

·  трещинно-жильные

(2) По гидравлическим условиям:

·  напорные (артезианские и глубинные)

·  безнапорные (грунтовые)

(3) По t° :

·  исключительно холодные <0°

·  весьма холодные 4-20°

·  теплые 20-37°

·  горячие 37-42°

·  весьма горячие

·  исключительно горячие >100°

·  термальные t>20°

(4) По минерализации:

·  пресные до 1‰(обычно преобладают HCO-3,Са+2)

·  солоноватые 1-25 ‰

·  соленые 25-50‰ (обычно преобладает Nacl, KCl, CaCO, Cl-,Na+,Ca+2)

·  рассолы >50‰ (обычно преобладает Nacl, KCl, CaCO, Cl-,Na+,Ca+2)

Полезные для здоровья - минеральные :

·  углекислые (боровые)

·  сульфидные

·  железистые (Кавказ, Закрпаты)

·  бромовые и йодовые (Трускавец)

·  родоновые (Пятигорск)

(5) По характеру залегания:

·  подземные воды суши

·  подземные воды океанов и морей

А. Грунтовые воды (безнапорные).

Б. Артезианские.

С. Глубинные.

Зоны грунтов по отношению к подземным водам и виды воды в них.

1.Зона аэрации (з. а.)

2. Зона насыщения (з. н.)

Внимание! В грунтах морей нет зоны аэрации.

Процессы:

Зона аэрации- инфильтрация дождевых и талых вод, формирование почвенной воды и верховодки, фильтрация гравитационной воды и десукция влаги растениями.

Зона насыщения-формируются грунтовые воды, а также артезианские.

Грунтовые воды- воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом водоупорном пласте.

Два главных процесса: питание и разгрузка (инфильтрация и конденсация) –источники испарения и перетекания вниз.

Артезианские воды- напорные подземные воды, залегающие между водоупорными пластами. Напор создается гидростатическим давлением и весом вышезалегающих пород.

пьезометрический уровень-линия напора.

Артезианский бассейн - гидрогеологическая структура синклинального типа, которые содержат один или несколько водоносных горизонтов с напорными водами.

Рис. 1. Схема строения артезианского бассейна: А — пределы распространения артезианских вод: а — область питания, б — область напора, в — область разгрузки; Б — пределы распространения грунтовых вод; H1 — напорный уровень выше поверхности земли; H2 — напорный уровень ниже поверхности земли.(см. ниже)

Глубинные воды –р асположенные на больших глубинах напорные подземные воды.

Другие типы подземных вод.

Своеобразные подземные воды в реках вечной мерзлоты: воды деятельного слоя, воды надмерзлотных таликов, межмерзлотные безнапорные, подмерзлотные напорные. Особую специфику имеют воды в районах вулканизма.

Движение подземных вод.

Зона аэрации:

инфильтрация (сплошной поток под действием силы тяжести, гидростатическое давление, капиллярные капиллярные силы, пустых пор нет)

свободное просачивание (под воздействием силы тяжети и капиллярных сил, часть пор воздухом).

Зона насыщения:

Здесь вода перемещается в сторону уклона поверхности или в сторону уменьшения напора (фильтрация).

Законы движения подземных вод.

Закон Дарси: ламинарный режим –инфильтрация+фильтрация (мелкие поры)

Vф=Кф•Y

Vф-скорость фильтрации

Кф-коэффициент

Y-уклон

Кф-характеризует водопроницаемость грунтов. Зависит от количества и размера пор и свойств жидкости (м/сут, м/ч м/с).

Как определить Y (уклон)?

Vф=Кф•

В крупнообломочных и сильнотрещиноватых породах скорости подземных вод гораздо выше и режим потока становится турбулентным. Здесь вместо формулы Дарси применяют формулу Шези:

Vф=

- коэффициент турбулентной фильтрации

2.Водный баланс и режим подземных вод.

2.1.Уравнение водного баланса подземных вод

1)x=yпов+Zисп. с пов±∆Uпов+Yинф

Yинф-вода, поступающая в зону аэрации

2)уинф+Zгр. в. исп. гр. в=упочв. поверх. сток+упит. гр. в.+Zд+Zз. а.+∆Uз. а.

3)yпит. гр. в=угр. в.+Zгр. в.±yгр.±∆Uгр. в.

yпит. гр. в-питание грунтовых вод из зоны аэрации

угр. в.-сток грунтовых вод

Zгр. в.-испарение нрунтовых вод

yгр-питание глубинных вод

Суммирование этих уравнений даст уравнение водного баланса для этой части речного бассейна:

х= у+z± угл±.∆U

где y= yпов+ yпочв+ yгр. вод

z=zпов+ zg+ zз. а.

±.∆U=±.∆Uпов±∆Uз. а. ±∆Uгр. в.

2.2. Водный режим зоны аэрации.

Определяется режимом поступления инфильтрующихся вод после дождей и снеготаяния.

Три типа водного режима за:

1) промывной уинф>Zg+Zз. а.

2) компенсированный yинф~zg+ zз. а.

3)испарительный уинф< zg+ zз. а. возрастает минерализация

2.3. Режим грунтовых вод.

Это закономерные пространственно-временные изменения их запасов и характеристик, включая изменения уровня, t° и химического состава.

На режим влияет климат, т. к. он определяет дожди и таяния снега. Еще влияют водные объекты-водотоки и водоемы, геологические условия и свойства грунтов.

2.3.1.Уровень.

Три провинции по режиму грунтовых вод ().

1)Провинция кратковременного летнего питания (реки с вечной мерзлотой). Максимум уровня - май-июнь.

2) Провинция преимущественного весеннего и осеннего питания (большая часть территории).

Минимум уровня - перед весной, максимум - весной и осенью.

3) Провинция круглогодичного питания (зимнее - весенняя)- южные и западные районы СССР, где зона аэрации не промерзает - максимальный уровень в феврале-апреле, минимум - лето-осень.

Суточные колебания не так велики, днем ниже, ночью выше.

2.3.2.Температура.

С глубиной колебания t° грунтовых вод затухают, положение зоны с постоянной t° грунтовых вод наиболее высоко у экватора, наиболее глубоко - в условиях резко континентального климата.

tводы в пределах СССР изменяется с С на Ю от 0° до 20° и соответствует средней многолетней t° воздуха на поверхности. На больших глубинах t° растет - геотермический градиент.

2.3.3. Гидрохимия.

·  Провинция кратковременного летнего питания минимум 5-30 мг/л (весна и лето), максимум до 1 г/л перед весной.

·  Провинция сезонного и круглогодичного питания 2 типа гидрохимического режима.

-  весеннее разбавление дождями и талыми водами min М-max уровня Н

-  преобладание испарения над питанием, max М - при max уровнях Н.

2.4. Взаимодействие поверхностных и подземных вод.

Гидравлическая связь - взаимодействие поверхностных и подземных вод без участия атмосферы.

а) постоянная односторонняя гидравлическая связь

б) постоянная двусторонняя гидравлическая связь

в) временная гидравлическая связь

г)отсутствие гидравлической связи

. Физико-географические явления, связанные с подземными водами.

а) Оползень - смещение вниз по склону масс рыхлой породы под действием силы тяжести

Маломощный оползень - оплывина.

Схема оползня: 1 – первоначальное положение склона; 2 – ненарушенный склон; 3 – оползень; 4 – поверхность скольжения

б) Суффозия - вынос веществ потоками грунтовых вод, образование подземных пустот и оседание верхних толщ®блюдца, воронки, западины.

в) Карст-растворение водами грунтовых пород и комплекс форм рельефа, образующийся при этом.

Карст:

-  подземные

-  надземные.

Отрицательные поверхностные формы®поноры, воронки

Подземные формы®пещеры, ходы

г) Мерзлотно-геологические явления:

-  бугры пучения (булгуняхи, гидролакколит)

-  наледи подземных вод

-  термокарст (просадки при оттаивании вечные мерзлоты)

-  термоэрозия

-  термоабразия.

д) Источники (ключи):

-  нисходящие (в долинах рек) –родники

-  восходящие (гейзеры)

-  сифоны (перемежающиеся)

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое зона аэрации? В чем ее отличие от зоны насыщения?

2. Что такое гидравлическая связь?

3. Назвать виды подземных вод по происхождению.

4. Перечислить водные свойства грунтов.

5. Объяснить роль подземных вод в образовании ополней.

6. Объяснить роль подземных вод в суффозии.

Тема 8. Гидрология рек. Реки и их распространение на земном шаре.

План.

1.Типы рек. Водо­сбор и бассейн реки. Морфометрические характеристики бассейна реки. Физико-географические и геологические характеристики бассейна реки.

2. Река и речная сеть. Долина и русло реки. Продольный профиль реки.

Учебная информация по теме.

1.Река-водоток ср. крупных размеров, питающейся атмосферными осадками со своего водосбора и имеющий четко выровненное сформированное самим водотоком русла.

Sбасс>50 км2 мельче - ручьи

Самый большой бассейн имеет Амазонка, самая длинная река - Нил. Самая водоносная - Амазонка. Самые крупные реки находятся в Южной Америки, Африки и Азии.

Реки России	Sбасс, тыс. км	a, км	W, км3/год
Объ (с Иртышем)	2990	5410	397
Енисей	2580	3490	577
Лена	2490	4400	533
Волга	1360	3530	245
Амур	1855	2820	355

На территории РФ >2,5 млн рек, но 95% имеет длину менее 25 км.

Типы рек (классификация)

1. По размеру:

-  большие Sбасс>50000 км2 (бассейн полизонален)

-  средние Sбасс= км2 (бассейн полизонален)

-  малые <2000 км2 (азонален)

2. По условиям протекания:

-  равнинные Fr<0,1

-  полуравнинные Fr<1

-  горные Fr>1

3. По источникам питания:

-  смешанное

-  дождевое

-  ледниковое

-  подземное

4. По водному режиму (специальный класс)

5.По степени устойчивости русла.

6. По ледовому режиму.

Морфология и морфометрия реки и ее бассейна.

Водосбор-часть зеленой поверхности и толщи грунтов, откуда река получает питание (подземным и поверхностным водосбором).

Бассейн реки - часть суши, включающую данную речную систему и ограниченная водоразделом.

Главный водораздел земного шара (больших океанов и бессточных областей).

Морфометрические характеристики бассейна.

площадь бассейна F

длина бассейна a

max ширина Bmax

длина водораздела менее aвдр

среднее высота бассейна Hср

средний уклон бассейна Iср

Физическая география и геологические характеристики бассейна реки.

(1) ГП

(2) Географическая зоны, высотный пояс

(3) Геология, тектоника, грунты.

(4)Рельеф.

(5)Климат.

(6)Почвенный растительный покров.

(7)Характер речной сети.

(8)Наличие других водных объектов в бассейне.

(9) Преобразованный человеком.

Река и речная сеть. Совокупность водотоков, водоемов и особенностей в. о. в пределах речного бассейна составляет его гидрографическую сеть. Часть гидрографической сети - речная сеть.

Речная система: главная река + все ее притоки. Длина реки a, исток, устье, коэффициент извилистости, протяженность речной сети, густота речной сети. Рисунок речной сети: древовидная, прямоугольная, центростремительная и др.

Долина и русло реки. Речные долины по происхождению бывают:

-  тектонические

-  ледниковые

-  эрозионные

По форме поперечного профиля:

-  теснины

-  ущелья

-  каньоны

-  V-образные

-  трапецеидальные

-  корытообразные

Основные морфологические элементы русла:

-  излучина (меандры)

-  осередки и острова

-  плесы и перекаты

-  донные гряды

Фарватер, линия наибольших глубин, изобаты. Площадь поперечного сечения w, ширина русла b,

максимальная глубина hmax hср=w/b, длина смоченного периметра - это длина подводного контура поперечного сечения.

Продольный профиль реки. График изменения отметок дна и водной поверхности вдоль русла.

Разность отметок дна или водной поверхности на каком-либо участке называется падением (∆Н).

Продольные профили бывают:

-  плавно вогнутые

-  прямолинейные

-  выпуклые

-  ступенчатые

Их характер определяется геологической структурой и рельефом бассейна и базисом эрозии.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислить виды долин рек по происхождению и по форме поперечного профиля.

2. Что такое густота речной сети?

3. Что называется падением реки?

4. Что такое смоченный периметр?

Тема 9. Питание рек. Водный баланс бассейна реки. Речной сток. движение воды в реках. термический режим рек.

План.

1. 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.

2.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.

3.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.

4.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.

Учебная информация по теме.

1.Вся вода, поступающая в реки, имеет атмосферное происхождение, но пути ее поступления разные.

.Есть 4 вида питания рек: дождевое, снеговое, ледниковое, подземное.

В условиях теплого климата, главный вид - дождевое.

1. Дождевое питание.

Каждый дождь характеризуется:

-  слоем выпавших осадков (мм)

-  продолжительностью (мин, л, сут)

-  интенсивным выпадением (мм/мин, мм/ч)

-  площадью распространения (км2)

Все дожди: ливни и обложные дожди.

·  Чем больше интенсивность, Sраспр и продолжительность дождя - тем больше дождевой паводок

·  Чем больше отношение между Sраспр дождя и Sбасс, тем больше паводок

·  чем влажнее почва и ниже t° воды - тем больше величина дождевого стока

2. Снеговое питание.

Запасы воды в снеге в бассейне зависят от величины зимних осадков (климат). По бассейну распределены неравномерно.

процесс снеготаяния и водоотдача (начало стока)- разные.

Зона одновременного снеготаяния (фронт и тыл таяния).

Зона перемещается с юга на север, в горах - вдоль склонов. скорость распространения тыла таяния на равнинах 40-80 км/сут (иногда 200 км/сут).

3. Подземное питание.

Определяется характером взаимодействия подземных и речных вод (вспомнить).

4. Ледниковое питание.

Вклад ледникового питания тем больше, чем больше доля общей площади бассейна, занятая ледниками.

Классификация рек по типам питания.

Классификация Воейкова (климатическая).

А. Реки, получающие от таяния снега на равнинах и невысоких горах - Северная Сибирь, Северная Америка.

Б. Реки, потери воды от таяния снега в горах - реки Азии.

В. Реки, получающие воду от дождей и имеющие половодье в летнее время (зона тропиков, муссонного климата)- Амазонка, Конго, Ориноко,

реки ДВ)

Г. Реки с половодьем весной (из-за таяния снега или в начале лета), причем, однако значительная часть воды рек доставляется дождями - реки в странах с суровой зимой- большинство рек России (Восток европейской России, Западная Сибирь, Восток Германии)

Д. вода доставляется дождями, она выше в холодные месяцы, но период изменения невелики.

Средняя и Западная Европа, Англия.

Е.Вода от дождей, она выше зимой, чем летом и разница значительна.

Ю. Европа (Испания, Италия)

Сев. Африка (Чили, Юг и Запад Австралии)

Ж. Отсутствие рек из-за сухости климата.

Сахара, Кара-Кумы, Кызыл-Кум, Аравия и др.

З.Страны, где дождевое время коротко и реки имеют воду тогда и несколько времени после, а в остальное время пересыхают или превращаются в ряд луж.

Северная часть Крыма, степи нижнего течения Аракса, Монголия и др.

И. Страны без рек из-за снега и ледников.

Гренландия.

Классификация Львовича по источникам питания.

Если один из видов питания дает более 80% годового стока реки - говорят об его исключительном значении. Если от 50-80 % - преимущественное значение. Если ни один из видов питания не дает больше 50% год. стока, то такое питание называется смешанным.

Большая часть рек России имеет смешанное питание. Дождевое - к юго-востоку от Байкала, в бассейнах Яны и Индигирки, черноморского побережья Кавказа. Ледниковое питание имеют реки Кавказа.

Расчленение гидрографа по типам питания.

Гидрограф. Как его построить.

Это график водного режима (фазы водного режима - половодье, межень, паводок).

Как поделить гидрограф.

Уравнение водного баланса бассейна реки.

х+У1+w1+z1=y2+w2+z2±∆U

y2- сток (y2= y2¢+ y2¢¢)

х-осадки

У1-поверхностный сток, обычно=0

w1-подземный приток, обычно=0

z1-конденсация водяного пара

w2- подземный сток

Если искусственного перераспределения нет, то х=у+z±∆U

х=у+z - уравнение водного баланса для многолетнего периода

Структура водного баланса - соотношение между приходного и расходного частью уравнения водного баланса.

Разделим уравнение х=у+z на х (осадки):

1=+

=a

=b

a+b=1

a-коэффициент стока

b - коэффициент испарения

Водный режим реки.

Водный режим - закономерное изменение стока, скорости течения, уровня воды и уклона поверхности по времени вдоль реки.

Изменение водного режима рек.

Водный режим рек зависит от комплекса физико-географических факторов, среди которых самые важные - метеорологические и климатические. Так как эти факторы изменяются, то и водный режим изменяется - т. е. испытывает колебания.

В водном режиме (т. е. закономерном изменении элементов, и в водности (относительная величина речного стока) выделяют вековые, многолетние, сезонные и кратковременные колебания.

·  вековые колебания отражают вековые изменения климата и увлажнения материков (период сотни и тысячи лет)

·  многолетние имеют метео - природу.

Периодичность - десятки лет.

Различают естественную и антропогенную изменчивость:

-  метеофакторы (например, у Дуная)

-  искусственное изменение стока (забор вод для хозяйственных нужд, создание водохранилища и т. д.) (Амударья, Сырдарья, Дон, Волга, Днепр…)

·  внутригодовые (сезонные) колебания - сезонные составляющее водного баланса речного бассейна.

·  кратковременные (метеорологические - причины - ливни, колебания t°возд. , геологические процессы - спуск ледниковых озер, завалы на реках и тд.). Пример - дождевой паводок. Но могут быть и антропогенные причины - например, спуск водохранилищ.

Когда говорят о колебаниях водности рек ® изменение стока воды, т. е. Q. Но изменяется уровень. Только не всегда по тем же причинам. Например, сгонно-нагонные явления.

. Классификация рек по водному режиму (Зайкова)

I.С весенним половодьем:

1.Восточно-европейский тип (весеннее половодье, летнее и зимнее межень)

2. Казахский тип (резкое половодье, а в остальное время стока почти нет)

3.западно-сибирское

4.восточно-сибирское ®высокое половодье, летнее-осенний паводок и низкая зимняя межень)

5.алтайский тип - растянулся вес, пол, повысился летний сток и низкая зимняя межень.

II. С половодьем в теплую часть года:

1.дальневосточный тип - невысокое положение летом, низкий сток зимой.

2.тяньшаньский тип - летнее половодье, зимний сток довольно велик

III. C паводковым режимом- горные районы Крыма, Кавказа, Карпат (питание дождевое):

1.причерноморский тип дождевые паводки в течении всего года

2. крымский тип - зимние паводки и длительные периоды с низким стоком

3.северо-кавказский тип - паводки в теплую часть года и низкая межень в холодное время.

2. Речной сток и его характеристики.

Сток в широком смысле - главный элемент материкового звена глобального круговорота вещества и энергии. Сток включает поверхностную и подземную части. Поверхностный сток состоит из речного стока и стока льда покровных ледников.

Речной сток - одновременно и процесс стекания воды в речную систему и характеристика количества стекающей воды.

1. сток воды;

2. сток наносов-процесс перемещения наносов в речных системах и характеристика количества наносов (сток взвешенных наносов и сток влекомых);

3. сток растворимых веществ - процесс переноса в речных системах растворимых в воде веществ и характеристика их количества;

4. сток тепла - процесс переноса вместе с речными водами тепла и его количество.

Главный процесс – сток воды.

Факторы и количественные характеристики стока воды.

1. Расход воды Q м3/с.

Кривые расходов (зависимость Q от уровня).

Характерные расходы (характеристики для фаций водного режима).

Средний расход:

=

-число суток

- среднесуточный расход

Многолетний расход:

-среднегодовой расход

2. объем стока воды - объем воды, прошедший через данное поперечное сечение речного потока за какой-либо интервал времени.

W=QDt м3, км3

Q-средний расход за интервал времени Dt

3. Слой стока - это количество воды, стекающее с водосбора за какой-либо интервал времени, равное толщине слоя, равномерно распространенного по площади водосбора.

y=

- площадь водосбора в км3

4. Модуль стока воды - это количество воды стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени

М л/скм2=

5. Коэффициент стока - отношение величины (объема и слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков:

d=

мм

-м3 или км3