Гидрологические процессы и явления (стр. 3 )

Во многих случаях эти вещества поступают в водные объекты и удаляются из них вместе с водой (например, с поверхностным и подземным стоком). Поэтому изучение баланса и режима взвешенных и растворенных веществ необходимо вести на основе анализа водного баланса, т. е. с использованием уравнения (8). При рассмотрении баланса солей, а также некоторых химических элементов и газов необходимо учитывать сложные химические и биохимические процессы, происходящие в водных объектах и приводящие либо к дополнительному поступлению этих веществ в воду, либо к удалению их из воды. К числу таких процессов относятся, например, образование органического вещества в результате фитосинтеза и разложение органического вещества.

При изучении баланса взвешенного или растворенного вещества часто используют данные не о массе этих веществ, а об их концентрации C, выраженной в кг/м3 или мг/л. В этих случаях масса данного вещества в объеме воды , где V– объем воды, a – множитель, зависящий от размерности концентрации C: при размерности кг/м3 а=1, при размерности г/м3 (или мг/л) а= 10-3.

1.2.4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Уравнение теплового баланса (5) для любого объема воды или участка суши и интервала времени должно включать различные составляющие прихода теплоты и ее расхода .

Наиболее важный член уравнения теплового баланса – радиационный баланс R, представляющий собой разность между количеством суммарной коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой поверхностью воды или суши , и эффективным длинноволновым излучением этой поверхности I:

. (9)

где – прямая, – рассеянная солнечная радиация, r– альбедо поверхности, т. е. отношение количества отраженной солнечной радиации к количеству поступающей, I– эффективное излучение, равное разности между излучением поверхности воды или суши в атмосферу и поглощенным встречным излучением атмосферы.

Ряд членов уравнения теплового баланса связан с поступлением или удалением теплоты с поверхностными или подземными водами. Соответствующие приходные и расходные составляющие теплового баланса обозначим через и и представим как и где —приток (индекс +) или отток (индекс -) теплоты с поверхностными водами, —то же, с подземными.

В уравнении теплового баланса учитывают также теплообмен с атмосферой и грунтами, обусловленный различиями в температуре воды и воздуха, воды и грунтов. Соответствующие приходные члены уравнения (при поступлении теплоты из атмосферы и от грунтов) обозначим через и , а их сумму —через +. Аналогично сумма расходных членов теплообмена (при удалении теплоты в атмосферу и в грунт) записывается как +.

Большое количество теплоты расходуется (выделяется) при фазовых переходах. Поступление теплоты обозначим через затрату – через . Эти члены уравнения равны соответственно и где - выделение теплоты при ледообразовании (замерзании воды) и конденсации водяного пара, – затраты теплоты на плавление льда и испарение воды.

Вместе с дополнительными положительными членами – поступлением теплоты с атмосферными осадками , а также вследствие перехода части кинетической энергии в тепловую (диссипации энергии ) уравнение теплового баланса (5) записывается в виде

(10)

Все члены уравнения (10) выражают в единицах теплоты (Дж) или относят к единице массы (Дж/кг), объема (Дж/м3), площади объекта (Дж/м2). Соответственно и изменение теплосодержания будет выражаться как , где V– объем объекта; – его плотность; h – толщина слоя (получают путем деления объема V на площадь F); – удельная теплоемкость воды при постоянном давлении.

Зная количественное выражение различных членов уравнения теплового баланса, можно рассчитать величину , а затем определить и изменение температуры . При = 0 и ,= 0, т. е. температура объекта не изменяется. При > 0 температура объекта повышается ( >0), при <О, наоборот, понижается ( <0).

Метод теплового баланса широко используют в гидрологии для исследования изменений температуры воды в реках, озерах, океанах и морях. Как и метод водного баланса, он заключается в составлении и анализе уравнения вида (10) и его членов, проверке или расчете трудно поддающихся определению членов уравнения. Уравнение теплового баланса можно использовать, например, для расчета количества растаявшего льда или воды, испарившейся с поверхности водоемов или участков суши.

1.2.5. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД

Свойство текучести обусловливает постоянное движение воды в природных объектах: внешние и внутренние силы перераспределяют ее во времени и пространстве. Движется и лед, обладающий пластичностью.

Для анализа основных закономерностей движения воды введем некоторые обозначения. Выразим через u скорость течения в любой точке, через v среднюю скорость движения всей массы воды (в слое, потоке и т. д.), причем в общем случае примем, что и , где х, у, z – пространственные координаты, t – время. Продольную ось х обычно направляют вдоль потока параллельно его поверхности, у – поперек потока, вертикальную ось z – от поверхности ко дну.

Движение воды можно классифицировать по изменению гидравлических характеристик водного потока во времени и в пространстве, по гидродинамическому режиму (ламинарное, турбулентное), по состоянию водной поверхности (спокойное, бурное), а также по действующим физическим силам.

Движение воды считают установившимся (стационарным), если скорость течения во времени не изменяется (), и неустановившимся (нестационарным), если скорость течения во времени – величина переменная (). Установившееся движение, в свою очередь, подразделяют на равномерное, если скорость течения вдоль потока остается неизменной (), и неравномерное, если скорость течения вдоль потока изменяется (). При равномерном движении равна нулю и полная производная скорости ().

Выделяют два гидродинамических режима движения воды: ламинарный и турбулентный. Слово «ламинарный» происходит от латинского слова, означающего «слоистый», слово «турбулентный» – от латинского слова, означающего «беспорядочный». И действительно, при ламинарном режиме частицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания; при турбулентном режиме их движение имеет хаотический характер, в потоке формируются вихри и активизируются процессы перемешивания воды, скорости течения непрерывно изменяются по величине и направлению. Ламинарный режим может переходить в турбулентный при увеличении скорости течения. Гидродинамический режим потока характеризуется безразмерным числом Рейнольдса Re, равным

(11)

где v – средняя скорость течения, м/с; h – глубина потока или толщина слоя воды, м; v — кинематический коэффициент вязкости, м2/с; зависящий от характера жидкости и ее температуры.

Критическое значение числа Рейнольдса Rekp, соответствующее переходу от ламинарного к турбулентному режиму, лежит приблизительно в диапазоне от 300 до 3000.

Если фактическое число Рейнольдса в водном потоке больше 3000 – режим турбулентный, меньше 300 – ламинарный, в диапазоне Re от 300 до 3000 – переходный.

В реках, озерах, морях и океанах число Re всегда значительно больше критического значения, и режим движения воды турбулентный. Ламинарный режим характерен для подземных вод в мелкозернистых грунтах (вследствие малых размеров пор и малых скоростей движения воды) и для ледников (вследствие очень большой вязкости льда и очень малых скоростей его движения).

От гидродинамического режима зависит внутреннее трение в потоке и вертикальное распределение скоростей течения.

В ламинарном потоке возникающее между смежными слоями воды внутреннее касательное напряжение (трение на единицу поверхности) зависит от вязкости, которая, в свою очередь, изменяется с изменением температуры, и равно , где – динамический коэффициент вязкости (), du/dz – вертикальный градиент скорости течения. В турбулентном потоке внутреннее касательное напряжение зависит уже не от вязкости воды, а от так называемого коэффициента турбулентного обмена А, характеризующего интенсивность турбулентного перемешивания вод:

, (12)

где du/dz – вертикальный градиент осредненной во времени скорости течения. Для определения коэффициента А обычно используют эмпирические зависимости, связывающие его с глубиной, скоростью течения и другими характеристиками потока.

В ламинарном потоке вертикальное распределение скоростей течения описывается формулой параболы с горизонтальной осью, расположенной на поверхности потока. Максимальная скорость находится на поверхности потока, у дна скорость течения равна нулю. Для турбулентного потока исследователи предлагают различные математические выражения для распределения скоростей течения по глубине: логарифмическая кривая, часть эллипса, парабола и т. д. Максимальная скорость во всех этих случаях также находится на поверхности потока. Важно подчеркнуть, что скорость течения в турбулентном потоке (и это подтверждается данными наблюдений) изменяется по вертикали более плавно, чем в ламинарном, причем у дна скорость течения не равна нулю. Этим объясняются размывающее воздействие турбулентных потоков (в отличие от ламинарных) на дно и их способность перемещать частицы наносов по дну. По состоянию водной поверхности потоки делят на спокойные и бурные. Спокойные потоки имеют плавную форму водной поверхности, препятствия обтекаются ими также плавно. Бурные потоки имеют неровную форму водной поверхности со стоячими волнами, в местах препятствий образуются резкие перепады уровня. Для определения состояния потока (спокойное или бурное) используют безразмерное число Фруда Fr, равное

(13)

где h – глубина потока, м; g – ускорение свободного падения, м/с2. При числе Fr, равном 1, поток находится в критическом состоянии. Если чисто Фруда больше 1, то поток бурный, если меньше 1 – спокойный. Бурные потоки характерны для горных рек, спокойные – для равнинных рек и течений в водоемах.

Нельзя отождествлять бурные и турбулентные, спокойные и ламинарные потоки, так как характеристики этих движений воды качественно различные. Спокойные потоки, например, могут быть как ламинарными, так и турбулентными, бурные – всегда турбулентные.

1.2.6. РАСХОД, ЭНЕРГИЯ, РАБОТА И МОЩНОСТЬ ВОДНЫХ ПОТОКОВ

Расход воды – это количество воды, протекающее через поперечное сечение потока в единицу времени.

Расход воды – одна из важнейших гидрологических и гидравлических характеристик, применяемых при исследовании различных водных объектов – рек, озер, морей, а также ледников, лавин (в последних случаях говорят о расходе льда, снега). Выражают расход воды обычно в объемных единицах (Q, м3/с). Если рассматривают расход массы вещества (воды, льда, снега), то используют единицы массы (, кг/с, где – плотность данного вещества).

Расход воды может быть представлен как произведение площади поперечного сечения потока (w, м2) на среднюю скорость движения воды (v, м/с):

. (14)

Кинетическая энергия движущейся воды Екин выражается формулой

Екин =mv2/2. (15)

За время масса воды m, переместившейся через данное поперечное сечение, равна поэтому для кинетической энергии полного потока получим выражение

. (16)

Потенциальная энергия массы воды равна

Епот=mgH, (17)

где Н – высота центра тяжести объема воды над некоторой плоскостью отсчета, например уровнем моря. Выразив m через получим

. (18)

Вода, перемещаясь вниз на высоту , совершает работу A, равную:

. (19)

Мощность такого водного потока () равна:

(20)

А, как и , , выражают в Дж, N– в Дж/с или Вт.

По формулам (15) – (20) можно оценить энергию, работу и мощность не только движущейся воды, но и перемещающегося льда и снега.

1.2.7. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

Строгая математическая интерпретация законов движения воды с учетом всех действующих физических сил возможна лишь на основе трехмерного гидродинамического анализа. Для понимания наиболее общих закономерностей движения природных вод достаточно рассмотреть более упрощенную задачу. Для этого выделим в водном объекте некоторый объем воды в виде параллелепипеда.

Пусть выделенный объем воды массой m движется, не деформируясь, как единое целое в направлении уклона водной поверхности со средней скоростью v. В этом случае на объем воды будут действовать следующие объемные (массовые) и поверхностные силы.

К объемным (или массовым) силам, действующим на весь объем воды и приложенным к его геометрическому центру, относятся сила тяжести Fg и ее продольная составляющая , центробежная сила Fu и отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса) Fk.

Поверхностные силы, действующие на вертикальных гранях выделенного объема, подразделяются, в свою очередь, на нормальные, направленные перпендикулярно граням (это силы давления Р), и касательные, действующие вдоль граней (это силы трения Т). Различают силу трения у дна Тдно и силу трения, обусловленную действием ветра на водную поверхность Тветр (считается, что неподвижный воздух тормозящего действия на движущуюся воду практически не оказывает).

Для математического представления объемных (массовых), нормальных и касательных поверхностных сил используют соответственно следующие выражения: , и , где m – масса; а – ускорение; S – площадь боковой грани; – давление на единицу площади; –удельное трение (касательное напряжение). Размерность и – Н/м2. Все перечисленные силы, действующие на рассматриваемый объем воды, можно представить в следующем виде.

Сила тяжести, действующая вертикально вниз, равна Fg,=mg, а ее продольная составляющая, действующая вдоль уклона водной поверхности, равна

, (21)

где – угол между горизонтальной плоскостью и поверхностью воды; = – уклон водной поверхности (величина безразмерная); – падение уровня вдоль участка .

Центробежная сила действует лишь в случае изгиба траекторий движущихся частиц воды и направлена перпендикулярно потоку в сторону от центра кривизны. Эта сила равна , где – центробежное ускорение, равное v2 r (v – скорость течения воды, r– радиус изгиба потока), т. е.

. (22)

Сила Кориолиса действует на любое движущееся тело и направлена перпендикулярно движению в Северном полушарии – вправо, в Южном – влево. Она равна Fk,=mak , где ак – ускорение Кориолиса, равное (– угловая скорость вращения Земли, равная , – географическая широта места), т. е.

. (23)

Масса выделенного объема т может быть представлена во всех формулах как , где – плотность воды; S – площадь верхней или нижней граней, равная .

Трение на дне Тдно равно: Тдно = где = , а удельное трение (касательное напряжение) согласно законам гидродинамики может быть выражено следующим образом:

, (24)

где — коэффициент гидравлического сопротивления (трения). Экспериментами установлено, что при ламинарном движении зависит от числа Рейнольдса: =а/Rе, а при турбулентном – не зависит. Поэтому, для касательного напряжения на дне при ламинарном режиме:

=. (25)

Для турбулентного режима свою силу сохраняет формула (24).

В формулах (24) и (25) и а – коэффициенты, определяемые опытным путем. Коэффициент трения зависит от шероховатости поверхности дна и обычно изменяется от 1 ∙ 10-3 до 8 ∙ 10-3; a = 3.

Обращает на себя внимание тот факт, что касательное напряжение на дне при ламинарном движении зависит от скорости течения в первой степени и вязкости, а при турбулентном – от скорости течения во второй степени и не зависит от вязкости.

Таким образом, для ламинарного и турбулентного режимов движения воды получим соответственно два разных выражения для трения на дне:

, (26)

(27)

где = .

Трение на поверхности воды, обусловленное действием ветра, определяют по формуле , где

(28)

Здесь – коэффициент трения на границе раздела движущийся воздух – вода, равный приблизительно 2,6· 10-3; – плотность воздуха (1,293 кг/м3 – при нормальном атмосферном давлении); W– скорость ветра, м/с; – угол между направлением движения воды и направлением ветра. При попутном ветре >0, при встречном <0; в последнем случае выражение для , получает отрицательный знак. Выражение для трения ветра на водной поверхности таким образом будет следующим:

, (29)

где = .

Все перечисленные силы можно подразделить на активные и пассивные. Активные силы вызывают движение воды, пассивные (или вторичные) лишь сопутствуют движению воды. К активным силам относятся продольная составляющая сила тяжести, продольный градиент давления, сила трения, если она обусловлена воздействием ветра на водную поверхность. К пассивным силам, возникающим только при наличии движения, относятся сопутствующие движению сила трения на дне, центробежная сила, сила Кориолиса.

1.2.8. ВЛИЯНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ

Современные климатические условия. Благодаря большой массе воды на поверхности Земли и особенностям ее тепловых свойств гидросфера Земли регулирует тепловые процессы, поглощая в среднем 77 % поступающей к земной поверхности солнечной энергии, передавая ее затем в атмосферу в результате испарения и последующей конденсации водяного пара (84 % всего радиационного баланса Земли), а также путем турбулентного теплообмена. Гидросфера, таким образом, выступает в качестве мощного нагревателя атмосферы и всей Земли.

Широтная климатическая зональность земного шара – в основном следствие неравномерного поступления солнечной радиации; обусловленного сферичностью Земли и наклоном земной оси. Кроме того, огромные массы льда, находящиеся в приполярных областях Земли оказывают сильное охлаждающее влияние на районы, расположенные в высоких широтах, усугубляя, таким образом, широтную зональность. Если бы приполярные льды растаяли, то климат на Земле стал бы более теплым и однородным. Подобная климатическая обстановка была на планете, по-видимому, в неогеновом периоде (несколько миллионов лет назад). Вместе с тем природные воды, чьи тепловые свойства зависят от распределения солнечной радиации по широтам, сами существенно влияют на перераспределение теплоты в меридиональном направлении: с морскими течениями теплота из районов ее накопления (низкие широты) переносится в районы ее расходования (высокие широты), что выравнивает современные тепловые различия на разных широтах.

Метеорологические условия. Хотя метеорологические условия на планете и их изменчивость определяются атмосферной циркуляцией, роль в этом природных вод также очень велика. Во-первых, многие основные свойства самой атмосферы – результат воздействия на нее гидросферы. Общие закономерности распределения атмосферного давления, пассатные и муссонные ветры, облачность и другие факторы зависят от распределения суши и воды на земном шаре и различия в их нагреве. Во-вторых, определяемое общей циркуляцией атмосферы перемещение воздушных масс сопровождается их трансформацией над водными объектами (нагревание или охлаждение, насыщение влагой и т. д.). Основным источником осадков на Земле служит Мировой океан.

Крупные изменения климата. Крупные изменения климатических условий, в частности общее похолодание Земли, начавшееся с мелового периода, и периодические оледенения в четвертичное время, существенно влиявшие и на облик планеты, и на развитие на ней жизни, ученые пытаются объяснить многими причинами – астрономическими (изменения параметров земной орбиты, скорости вращения Земли, наклона земной оси), геологическими (тектонические процессы, катастрофические вулканические извержения, приводящие к уменьшению прозрачности атмосферы), радиационными (изменение солнечной постоянной, альбедо земной поверхности) и др. Однако в некоторых гипотезах не привлекаются эти «внешние» причины изменения климата, а делается попытка вывести изменения из закономерностей «внутренних» процессов взаимодействия гидросферы и атмосферы. Весьма интересны (хотя и дискуссионны) гипотезы о существовании глобальной автоколебательной системы атмосфера ↔ гидросфера и ее подсистем атмосфера ↔ океан, атмосфера ↔ ледники и ледники ↔ океан.

В настоящее время отмечается заметное потепление климата. Объем материковых ледников медленно уменьшается, о чем свидетельствует продолжающееся повышение уровня Мирового океана. По-видимому, этот процесс будет продолжаться и дальше.

Эрозионно-аккумулятивные процессы на земном шаре. Геоморфологический облик современной суши, да и довольно обширной прибрежной зоны океанов и морей, без всякого сомнения, сформировался под огромным и в ряде случаев решающим воздействием гидрологических процессов. Помимо, пожалуй, ветровой эрозии, во всех других проявлениях экзогенных природных процессов непосредственная или косвенная роль воды очевидна: физико-химическое выветривание горных пород немыслимо без участия воды; эрозионно-аккумулятивные процессы на суше, абразия морских берегов, формирование дельтовых равнин и шельфа, подводных каньонов и глубоководных конусов выноса – все это результат мощного воздействия гидрологических процессов. Эрозионно-аккумулятивные процессы в речных бассейнах изменяют горные системы, сформировавшиеся в результате эндогенных процессов (тектоника, вулканизм и др.).

В современном рельефе суши многочисленные формы обязаны своим происхождением эрозионной, транспортирующей и аккумулирующей роли текущей воды (овраги, речные долины, русла рек и их поймы и т. д.). Песчаные пустыни Средней Азии и Африки, лессовые плато в Азии – также, по-видимому, результаты аккумулятивной работы древних рек. Ледники также создают при своем движении специфические формы рельефа (троговые долины, моренные холмы, гряды и т. д.).

Взаимосвязь природных вод и биосферы. Биосфера, согласно учению , – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Биосфера охватывает часть атмосферы, поверхностные воды и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны сложными биохимическими процессами, – миграцией вещества и энергии. Как было показано выше, в появлении на Земле жизни, ее развитии и распространении ведущая роль принадлежит воде. Границы биосферы и гидросферы практически совпадают.

Размещение организмов на планете в целом подчиняется климатической зональности, но существенно зависит от наличия воды и ее физико-химических свойств. Основной средой обитания животных служит океан. Растения заселяют и океан и сушу; в последнем случае их распространение во многом определяется тремя факторами: поступлением тепла, характером почв и, что особенно важно, наличием воды.

Водные объекты служат местом обитания многих организмов гидробионтов. По месту обитания и характеру перемещения бионты подразделяются на планктон (организмы, находящиеся в водной толще во взвешенном состоянии, не способные самостоятельно перемещаться на большие расстояния и переносимые в основном течениями), нектон (животные, обитающие в водной среде, приспособленные к активному плаванию и способные самостоятельно перемещаться в пространстве на большие расстояния), бентос (организмы, обитающие на дне), нейстон (организмы, прикрепляющиеся к поверхностной пленке воды и передвигающиеся по ней сверху – эпинейстон или снизу – гипонейстон).

Планктон подразделяют на фитопланктон (различные водоросли), зоопланктон (простейшие, кишечнополостные, ракообразные и др.) и бактериопланктон (бактерии). Нектон представлен в водной среде высшими животными (киты, тюлени и др.), рыбами и некоторыми моллюсками.

Бентос подразделяют на фитобентос (высшие водные растения) и зообентос (живущие на дне черви, моллюски, иглокожие и др.). К нейстону относятся простейшие, одноклеточные водоросли, клопы-водомерки, жуки-вертячки, личинки насекомых и др.

Растения, живущие в воде, подразделяют на гидрофиты (растения, погруженные в воду только своей нижней частью) и гидратофиты (растения, погруженные в воду полностью или большей своей частью).

Решающее влияние на жизнь гидробионтов оказывают условия их питания. Часть гидробионтов относится к автотрофным организмам, развивающимся путем поглощения из воды растворенных веществ или синтеза органического вещества в присутствии света (например, фитопланктон). Автотрофные организмы (в основном зеленые растения) также называют продуцентами. Организмы, питающиеся готовым органическим веществом, т. е. другими растительными или животными организмами, называются гетеротрофными (рыбы, ракообразные, водные млекопитающие и др.). К гетеротрофам относятся также бактерии, грибы, питающиеся органическим детритом. Гетеротрофные организмы иногда называют консументами: это макроконсументы (в основном животные) и микроконсументы, или деструкторы (в основном бактерии).