I. Общие сведения о гидрологии водных объектов, химических и физических свойствах природных вод

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОЛОГИИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ, ХИМИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ПРИРОДНЫХ ВОД

Общие понятия

Вода имеет огромное распространение на земном шаре - на его поверхности, в почве толще горных пород, ватмосфере. Вода - необходимое условие жизни челове­ка, а также подавляющего большинства животных и растений она является важнейшим фактором экономического развития территорий.

Скопление природных вод на земной поверхности и в верхних слоях земной коры образуют водные объекты. Выделяют три группы водных объектов:

1) водотоки - водные объекты на земной поверхности с поступательным движе­нием воды в руслах (естественных или искусственных) в направлении уклона; к ним относятся реки и каналы;

2) водоемы - водные объекты в понижениях земной поверхности с замедленным водообменом — океаны, моря, озера, водохранилища, болота;

3) особые водные объекты — ледники и подземные воды.

Совокупность водных объектов образует гидросферу, представляющую собой прерывистую водную оболочку земного шара.

Для описания водных объектов и их режима используются гидрологические характеристики:

1) морфометрические, т.е. связанные с размером и формой объектов (площадь, длина, ширина, глубина и т.п.);

2) собственно гидрологические, характеризующие количество воды и ее движение (уровень и расход воды, скорость течения);

3) гидрофизические, характеризующиеся физические свойства воды (температура, толщина льда, плотность и т.д.);

4) гидрохимические (минерализация, концентрация отдельных ионов);

5) гидробиологические (состав и численность живых организмов, биомасса и т.д.)

6) хронологические (даты наступления и продолжительность, гидрологических явлений).

Гидрологическое состояние водного объекта - совокупность его гидрологических характеристик в данный момент времени, Гидрологический режим — закономерное изменение состояния водного объекта во времени. Гидрологические процессы - совокупность физических, химических и биологических процессов, определяющих гидрологическое состояние и режим водных объектов.

Гидрология - это наука, изучающая круговорот воды (вместе с содержащимися в ней веществами), ее распределение на земном шаре, процессы происходящие в водных объектах, пространственно-временные изменения характеристик водных объектов.

По задачам и методам исследования гидрология делится на ряд разделов. Это - общая гидрология, изучающая наиболее общие закономерности гидрологических процессов и явлений, региональная гидрология (или гидрография) занимающаяся изучением и описанием конкретных водных объектов, прикладная (инженерная) гидрология, разрабатывающая методы расчетов и прогнозов различных гидрологиче­ских характеристик, гидрометрия, разрабатывающая методы измерений и наблюдений при изучении природных вод.

Гидрология является отраслью географии. На стыке с другими фундаментальными науками возникли специальные разделы гидрологии: гидрофизика, изучающая фи­зические процессы в водных объектах (динамические, термические) и формирование физических характеристик воды (льда, снега); гидрохимия, изучающая химические процессы в водных объектах, формирование химического состава природных вод и его изменение во времени и пространстве; гидробиология, изучающая живые организмы в водных объектах, их взаимоотношения друг с другом и с условиями обитания.

По объектам исследований гидрология подразделяется на три основные части: океанологию (или гидрологию морей); гидрологию суши, или точнее гидрологию поверхностных вод суши (реки, озера, водохранилища, болота, ледники); гидрологию подземных вод, которая одновременно является составной частью геологической науки — гидрогеологии. Некоторые пообъектные разделы гидрологии суши одновременно входят в состав комплексных наук: гидрология болот в состав болотоведения, гидро­логия ледников в состав гляциологии.

Физические свойства воды

Вода находится в природе в жидком, твердом и парообразном состоянии. Перехо­ды воды из одного агрегатного состояния в другое - фазовые переходы:

- переход из жидкого состояния в твердое (лед, снег, град) - замерзание воды (кристаллизация ледообразование), в пар – испарение;

- из парообразного состояния в жидкое — конденсация (образование капель дождя, дождь, росы), в твердое - сублимация (образование инея, гололеда, изморози);

При нормальном давлении пресная вода замерзает при температуре О°С; при уве­личении минерализации (солености) и давления (атмосферы, слоя воды) она понижает­ся. Испарение существенно повышается с увеличением температуры и уменьшением атмосферного давления.

Тепловые "аномалии" воды:

1) Очень большие значения

- удельной теплоемкости (1 кал для нагревания 1г воды на 1°С); это обусловливает за­медленное, по сравнению с воздухом, нагревание и охлаждение воды, отсюда отеп­ляющее влияние океана зимой и охлаждающее - летом;

- удельной теплоты плавления и ледообразования (соответственно поглощение и выде­ление 80 кал на 1г воды); последнее замедляет нарастание ледяного покрова на реках и водоемах;

- удельной теплоты парообразования, или испарения (требуется 597 кал на превраще­ние 1г воды в пар), это ведет к охлаждению поверхности воды при испарении и замед­лению процесса высыхания водоемов в засушливых местностях.

2) Низкая теплопроводность воды и льда, что замедляет охлаждение воды на ре­ках и водоемах зимой.

Особенности изменения плотности воды (ρ):

1) Наибольшая плотность пресной воды наблюдается при 4°С; при возрастании температуры выше этого значения плотность воды (как и других жидкостей) уменьша­ется, при уменьшении температуры ниже 4°С плотность воды также уменьшается; это главная особенность воды, препятствующая промерзанию рек и водоемов до дна.

2) Плотность воды, в отличие от других жидкостей, в твердом состоянии (лед) меньше, чем в жидком (плотность дистилированной воды при 4°С 1000кг/м³ или 1кг/л, при 0°С 999,9кг/м³, плотность кристаллического льда при 0°С 917кг/м³); это предот­вращает опускание льда, образующегося на поверхности воды, на дно. Плотность по­ристого льда и тем более снега намного меньше, чем кристаллического льда. С пони­жением температуры льда плотность его немного увеличивается.

С увеличением солености (S) плотность воды возрастает, а температура наиболь­шей плотности (Т_н.пл.) и температура замерзания (Т_змрз) воды понижаются, Т_н.пл.. от 4°С, Т_змрз от 0°С при S = 0‰. Т_н.пл. _ понижается более интенсивно, чем Т_змрз. При S = 24,7%, Т_н.пл сравниваются: Т _н.пл. = Т _змрз. = -1,2°С.

К важным особенностям воды относится очень высокое поверхностное натяже­ние (уступающее по величине только ртути). Оно вызвано силами притяжения между молекулами воды на поверхности раздела вода - воздух или вода - твердое тело. Это свойство обуславливает подъем воды в капиллярах почвы и растений.

Относительно высокая текучесть воды вызвана сравнительно небольшой вязко­стью, т.е. силой трения между смежными слоями движущейся жидкости. Количествен­ный показатель этого свойства - динамический коэффициент вязкости (μ). Деля этот коэффициент на плотность воды, получают кинематический коэффициент вязкости υ = μ/ρ. Вязкость существенно уменьшается с увеличением температуры воды.

Если выделить в водном потоке объем в виде куба, верхняя и нижняя грани кото­рого параллельны водной поверхности, то на него будут действовать силы, относящие­ся а) ко всей массе объема - это объемные, или массовые силы и б) к граням выде­ленного объема - поверхностные силы. Последние делятся на нормальные, направ­ленные перпендикулярно граням, и касательные, действующие вдоль граней.

К объемным (массовым) относятся следующие силы:

1. Сила тяжести (F_g), направленная вертикально вниз (к центру Земли) F_g = mg, где т - масса, g - ускорение силы тяжести. Продольная составляющая силы тяжести, вызывающая движение воды, F_gnp = mg sinα = mgI, где α - угол между водной и горизонтальной поверхностями, I = sinα - уклон водной поверхности.

2. Центробежная сила (F_ц) проявляется на поворотах потока. Если представить участок реки на повороте в виде дуги окружности, то расстояние от нее до центра ок­ружности называется радиусом кривизны (r). Тогда F _ц = mv²/r, где v - скорость течения. Г_ц направлена перпендикулярно дуге окружности в сторону от центра.

3. Сила Кориолиса (F_к), возникающая в результате вращения Земли и направ­ленная перпендикулярно движению потока в северном полушарии вправо, в южном влево. F_k=2 mv sinφ, где φ - географическая широта. F_к увеличивается от экватора, где она равна нулю, к полюсам.

Центробежная сила и сила Кориолиса заметно проявляется только для крупных потоков (с большой величиной массы воды).

К нормальным поверхностным силам относится гидростатическое давление, т.е. воздействие на грани выделенного объема вышележащего столба покоящейся жидко­сти, и гидродинамическое давление, т.е. воздействие движущейся жидкости на эти грани и обтекаемые ею твердые тела.

Среди касательных поверхностных сил наибольшее значение для потоков имеет сила трения на дне. Для турбулентного потока ее величина, отнесенная к единице площади дна (удельное трение, или касательное напряжение), зависит от характера дна (его шероховатости), пропорциональна плотности воды и скорости течения для лами­нарного течения и квадрату скорости для турбулентного.

Виды движения воды:

Указанные виды движения воды различаются тем, что при ламинарном течении частицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания, а при тур­булентном течении в потоке возникают вихри, приводящие к перемещению частиц воды по глубине и ширине потока.

В качестве показателя гидродинамического характера потока используется число Рейнольдса: Re = vh/υ, где v - скорость течения (в м/с), h — глубина потока (в м), υ -кинематический коэффициент вязкости (в м²/с). При значениях Re < 300 движение ла­минарное, при Re > 3000 - турбулентное, между этими значениями Re характер потока переходный.

В водных объектах различают также поступательное движение, при котором происходит перемещение воды в определенном направлении, и колебательное движе­ние, при котором такое перемещение отсутствует.

III. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

К подземным водам как объекту изучения гидрологией относятся воды, содер­жащиеся в земной коре и активно участвующие в круговороте воды на земном шаре, т.е. взаимодействующие с атмосферой и поверхностными водами.

Основной источник формирования подземных вод - атмосферные осадки (таю­щий снег и дожди), которые поступают в верхний слой грунта в результате инфильтра­ции (впитывания). При обильном поступлении воды она заполняет все пустоты в грун­те. По трещинам, ходам животных, отверстиям от сгнивших корней растений, относи­тельно крупным порам (т.е. промежуткам между частицами грунта) вода перемещается вниз под влиянием силы тяжести - это гравитационная вода. Она достигает водо­упорного слоя (чаще всего глинистые отложения), накапливаясь здесь, образует водо­носный горизонт, т.е. слой водопроницаемого пласта, насыщенного водой, которая движется по поверхности водоупора в сторону его уклона под влиянием силы тяжести. Там, где отрицательные формы рельефа (речные долины, овраги, озерные котловины) вскрывают водоносный горизонт, подземные воды выходят на поверхность в виде род­ников или рассредоточенного высачивания на участке склона.

При определенном геологическом строении грунтовые воды до выхода на по­верхность перекрываются другим водоупором, затем вторым и.т.д. Воды, перекрытые сверху водоупорными слоями, называются межпластовыми подземными водами. Питание этих вод осуществляется на участках, где соответствующий водоносный гори­зонт не перекрыт сверху водоупором. Для межпластовых вод характерно возникнове­ние напора, вследствие которого вода при вскрытии водоносного горизонта буровой скважиной или по естественным трещинам поднимается вверх. Уровень, до которого поднимается вода, называется пьезометрическим уровнем. Превышение этого уровня над уровнем воды в водоносном горизонте называется высотой напора. Подъем воды под действием напора может достигать земной поверхности. Особенно это свойственно артезианским водам, приуроченным к геологическим структурам синклинального типа - артезианским бассейнам.

Между водоносными горизонтами обычно существует связь вследствие циркуля­ции воды по трещинам в водоупорах или путем медленного просачивания через них по порам.

Подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам, называются пласто­выми водами. В горных породах подземные воды чаще перемещаются по системе те­щин в породах (трещинные воды), по изолированным трещинам или жилам с повы­шенной трещиноватостью (жильные воды), по карстовым пустотам (карстовые во­ды).

В зоне распространения многолетнемерзлых пород различают подмерзлотные воды, залегающие под толщей мерзлых пород, межмерзлотные воды внутри мерзлой толщи и надмерзлотные воды, для которых мерзлые породы служат водоупором.

Грунтовые и тем более межпластовые воды существуют, как правило, в течение всего года и обеспечивают постоянное питание рек. В зоне распространения многолет­немерзлых пород это относится только к подмерзлотным водам.

Отношение объема всех пустот к объему образца грунта называется скважинностью, а объема пор (V_пор) к объему грунта (V_гр) называется пористостью (р): р = V_пор / V_гр Обычно они выражаются в %. Пористость песка в среднем 40%, глины - около 50%.

Верхний слой грунта после прекращения таяния снега или дождя постепенно ос­вобождается от гравитационной воды. По возникшим пустотам циркулирует воздух. Слой грунта (верхняя часть которого является почвой) до уровня грунтовых вод назы­вают зоной аэрации. В этой зоне остаются следующие типы вод:

- капиллярная вода, заполняющая поры и находящаяся под влиянием капилляр­ных сил; в нижней части зоны аэрации вода, поднимаясь по порам над слоем грунтовых вод, образуют зону капиллярного поднятия (капиллярную кайму) толщиной от 0 (гра­вий, галька) до 6-12 м. (глина);

-пленочная вода, образующая тонкую пленку вокруг частиц грунта и сравнитель­но слабо связанная с ними молекулярными силами; перемещается от мест с большей толщиной пленки к местам с меньшей ее толщиной;

- гигроскопическая вода, прочно связанная с частицами грунта молекулярными силами.

Способность грунта вмещать и удерживать определенное количество воды назы­вается влагоемкостью грунта. Полная влагоемкость - суммарное содержание в грунте всех видов воды при полном заполнении всех пор, выраженная в процентах от массы образца грунта. Наименьшая (или полевая) влагоемкость - вода, остающаяся в грунте после отекания гравитационной воды (для песков 3-5%, суглинков и глин 12-22%). Влажность грунта — фактическое содержание воды в грунте, выраженное в ви­де толщины слоя (в мм) или в процентах от массы сухого грунта.

Воды зоны аэрации, оставшиеся в порах грунта, постепенно расходуются на испа­рение, в основном путем транспирации растений.

Временные скопления гравитационных вод, в зоне аэрации могут возникать над отдельными линзами водоупорных пород (верховодка) и над относительным водоупо-ром, например, над иллювиальным горизонтом подзолистых почв, водопроницаемость которого значительно меньше вышележащих слоев. Перемещение воды по относитель­ному водоупору в сторону его уклона образует почвенный, или внутрипочвенный сток.

Подземные воды могут формироваться в результате инфильтрации в грунт не только атмосферных осадков, но и воды из поверхностных водных объектов. Оба эти вида вод называются инфильтрационными подземными водами. Подземные воды могут формироваться также в следствие конденсации водяного пара в порах грунта. Это конденсационные воды, играющие заметную роль в пустынях. Все перечислен­ные виды подземных вод являются экзогенными. К эндогенным относятся воды, об­разующиеся из паров магмы — дегидрационные воды.

Глубина распространения межпластовых подземных вод, участвующих в круго­вороте воды на земле, достигает, как правило, нескольких сотен метров. Глубина зале­гания грунтовых вод, сильно изменяясь по территории в зависимости от локальных ус­ловий в целом, подчинена закону географической зональности, увеличиваясь от долей метра в зоне тундр до десятков метров в степной зоне.

Движение подземных вод по порам в зоне насыщения, называемое фильтрацией, как правило, ламинарное. Скорость фильтрации (v_ф) выражается законом Дарси:

v_ф = К_ф·I

Здесь I - гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня безнапорных вод, либо уклону пьезометрического уровня для напорных вод; К_ф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации через данный грунт при I = 1 (т.е. вертикально вниз); его размерность м/с или м/сут. К_ф для галечника равен 100-200 м/сут., для песка 1-50, для супеси 0,1-0,5, для глины 0,001-0,0001 м/сут.

Движение трещинных, жильных и особенно карстовых подземных вод может быть турбулентным.

Уравнение водного баланса зоны аэрации в пределах речного бассейна:

x_инф + z_гр = y_почв + П_гр + z_з.а. ±∆u_з.а.

где х_инф — поступление воды с поверхности земли (инфильтрация атмосферных осад­ков), z_гр - испарение грунтовых вод, z_з.а. - испарение из зоны аэрации, П_гр - питание грунтовых вод из зоны аэрации, ∆ и_гр — изменение влагозапасов вод зоны аэрации.

Уравнение водного баланса грунтовых вод (при отсутствии притока из-за преде­лов речного бассейна и фильтрации через водоупор):

П_гр = y_гр + z_гр ± ∆u_гр

где у_гр— сток грунтовых вод (т.е. разгрузка грунтовых вод на земную поверхность или непосредственно в реки и водоемы), ∆u - изменение запаса (объема) грунтовых вод. Типы водного режима зоны аэрации:

1) промывной — х_инф >> z_з.а., избыток воды расходуется на П_гр и y_почв;

2) компенсированный - x_инф ≈ z_з.а.;

3) испарительный (выпотной) - х_инф << z_з.а., недостаток воды частично возмещает­ся за счет z_гр.

Типы водного режима грунтовых вод:

1) сезонного (преимущественно весеннего и осеннего) питания; максимальный уровень грунтовых вод весной, меньшее повышение осенью, низкий уровень в конце лета и особенно в конце зимы; наблюдается на большей части территории стран СНГ;

2) кратковременного летнего питания; максимальный уровень в июне — июле (иногда августе-сентябре); наблюдается в зоне многолетней мерзлоты;

3) круглогодичного, преимущественно зимне-весеннего питания; максимальный уровень в феврале-апреле, минимальный - в летне-осеннее время (юг и запад террито­рии бывшего СССР с непромерзаемой зоной аэрации).

Типы взаимодействия подземных и поверхностных вод:

1) Двухсторонняя гидравлическая связь. При низком уровне воды в реке уровень грунтовых вод находится выше, река получает грунтовое питание. При высоком уровне воды в реке уровень грунтовых вод оказывается ниже. Происходит инфильтрация реч­ной воды в грунт. Этот тип характерен для средних и крупных равнинных рек.

2) Односторонняя гидравлическая связь. Уровень воды в реке постоянно выше уровня грунтовых вод. В течение всего года речная вода питает грунтовые воды. Ха­рактерно для некоторых засушливых, а также карстовых районов.

3) Отсутствие гидравлической связи. Водоупор расположен выше максимального уровня воды в реке. Происходит постоянное питание реки грунтовыми водами, разгру­жающимися на склонах долины в виде ключей или рассредоточенного высачивания. Наиболее характерно для горных районов.

IV. ГИДРОЛОГИЯ РЕК

Река - это водоток, имеющий течение в продолжении большей части года, полу­чающий питание со своего водосбора и имеющий четко выраженное русло, сформиро­ванное самим водотоком. Родник, дающий начало реки, или выход речного потока из озера, болота, ледника — исток реки; место (створ) впадения реки в другую реку или приемный водоем (море, озеро) — устье реки.

Движение воды в реках.

Средняя для поперечного сечения скорость течения определяется по формуле Шези

где I - продольный уклон, R - гидравлический радиус, h_cp - средняя глубина в сечении, С - коэффициент Шези: (п - коэффициент шероховатости, зависящий от неровностей дна, водной растительности, извилистости русла).

Поперечная циркуляция воды возникает при наличии перекоса уровня по ши­рине реки, что обычно связано с центробежной силой на повороте реки. Происходит повышение воды и гидростатического давления у вогнутого берега. В результате в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. В по­верхностных слоях поперечное течение направленно от выпуклого берега к вогнутому. Поперечные течения, складываясь с основным продольным переносом воды, создают спиралевидное движение.

Если на прямолинейном участке реки скорость течения обычно уменьшается от середины к берегам, то на повороте реки струи с максимальной скоростью течения смещаются к вогнутому берегу.

При нормальном распределении скоростей течения по глубине их максимальные значения наблюдаются в слое от поверхности воды до глубины 0,2 h. На глубине 0,2 h она примерно равна средней скорости на вертикали, минимальное ее значение (не рав­ное нулю) наблюдается у дна. При ледяном покрове максимум скорости смещается примерно на глубину 0,6 h. Под воздействием ветра, неровностей дна, водной расти­тельности нормальное распределение скоростей течения нарушается,

Линии, соединяющие точки в поперечном сечении реки с одинаковой скоростью течения называются изотахами.

Устьевые области рек.

Устьевая область включает участок реки, на котором проявляется влияние при­емного водоема (приливы, нагоны), и участок моря, где гидрологические процессы происходят под влиянием реки (стоковое течение, смешение речной и морской воды, отложение речных наносов). Первый участок называется приморским участком реки, второй - предустьевым взморьем. Участки устьевой области с наличием большого количества рукавов, проток, островов называется дельтой.

Типы устьев (устьевых областей):

1) простые бездельтовые, с открытым устьевым взморьем (в основном малые ре­ки);

2)эстуарные - бездельтовые, с полузакрытым устьевым взморьем (Мезень, Юж­ный Буг);

3) эстуарно - дельтовые - с дельтой выполнения на полузакрытом устьевом взмо­рье (Обь, Енисей, Днепр, Амазонка);

4) дельтовые - с дельтой выдвижения на открытом устьевом взморье (Волга, Ле­на, Меконг, Хуанхэ, Миссисипи).

V. ГИДРОЛОГИЯ ОЗЕР

Озеро — естественный водоем на поверхности суши, не имеющий непосредствен­ного водообмена с Мировым океаном.

Гидрохимический режим озер.

Озерам свойственны все типы природных вод по солености - от пресных до рас­солов. В озерах зоны избыточного и достаточного увлажнения преобладают ионы НСО₃^- и Сa²⁺. В засушливых районах распространены сульфатные и хлоридные озера с повышенной соленостью, реже встречаются содовые озера.

Сульфатные озера - наиболее распространенный тип соляных озер. Преобладаю­щий анион – SO₄^2-, среди катионов - Na ⁺и Mg²⁺. Вода отличается горько-соленым вкусом.

В хлоридных озерах преобладают ионы Cl^-, Na⁺ и Mg²⁺. К этому типу относит­ся Мертвое море в Израиле, оз. Баскунчак на Прикаспийской низменности. Их соле­ность достигает 200-3 00‰.

Для содовых озер характерно наличие соды (NaHCO₃, Na₂CO₃), отсутствующей в остальных типах озер. Такие озера имеются на юге Западной и Восточной Сибири, в Казахстане.

В высокосоленых озерах содержание солей может превысить насыщающую кон­центрацию. Тогда происходит их осаждение. Такие озера называют самосадочные.

В озерной воде в меньших количествах содержатся разнообразные вещества, а также газы. Для существования живых организмов особенно важен режим содержания кислорода. Обогащение всей толщи воды кислородом происходит во время итенсивного вертикального конвективного и динамического перемешивания, обычно в периоды весенней и осенней гомотермии. Летом в результате фотосинтеза, в основном благода­ря фитопланктону верхние слои озера пересыщаются кислородом. В нижних слоях из-за отсутствия света фотосинтез не происходит, из верхних слоев кислород не поступает вследствие очень слабого перемешивания. В то же время здесь он расходуется на окисление органических отложений и дыхание животных организмов, которые в наиболь­шем количестве обитают в придонном слое. В результате в нижнем слое создается дефицит O₂. Еще больший его дефицит наблюдается при ледоставе, который препятствует поступлению O₂ из атмосферы. В верхнем слое 02 расходуется значительно меньше, чем в придонном, поэтому в большинстве озер его содержание достаточно для нормального существования рыб. При большом содержании органики в воде острый дефицит O₂ может охватить всю ее толщу. В некоторых случаях из-за недостатка O₂ в озерной воде появляется сероводород, что особенно неблагоприятно сказывается на ихтиофауне.

Назначение водохранилищ

Водохранилище - искусственный водоем, созданный для накопления и после­дующего использования воды и регулирования стока. Небольшие водохранилища пло­щадью < 1км² называют прудами.

Комплекс гидротехнических сооружений при водохранилище - плотина, ГЭС, шлюзы, водосбросы - образуют гидроузел.

Виды использования водохранилищ:

1) водоснабжение - регулирование стока;

2) энергетика - регулирование стока и создание перепада уровня воды;

3) орошение - регулирование стока и повышение уровня воды для ее отведения по самотечным каналам;

4) судоходство - обеспечение необходимых глубин в пределах водохранилища путем создания подпора на реке, а ниже водохранилища путем попусков из него накоп­ленной воды;

5) рыбное хозяйство — создание водоемов с благоприятными условиями для раз­вития рыб;

6) рекреация - создание водоемов для купания, отдыха, водных видов спорта.

Типы водохранилищ.

1) по морфологии ложа: долинные, ложем которых служит часть речной долины (русло, пойма, участки надпойменных террас); котловинные, занимающие части озер­ных котловин (вместе с озером), изолированные понижения рельефа, искусственные выемки,

2) по способу наполнения водой: запрудные, которые создаются путем перегораживания русла (части долины) реки и заполняются ее водами; наливные, которые соз­даются путем обвалования участка земли или выкапывания углублений с наполнением водой из рядом расположенного водотока или водоема;

3) по высоте напора (разнице уровней воды непосредственно выше и ниже плоти­ны) Н_пл- высоконапорное (Н_пл > 100 м), средние - (Н_пл от 10 до 100 м), низконапорные (Н_пл < 10 м);

4) по степени регулирования речного стока - многолетнего, сезонного, недель­ного и суточного регулирования.

Основные морфометрические характеристики водохранилища такие же, как у озер - объем, площадь, длина, максимальная и средняя глубина и ширина, площадь во­досбора (бассейна). Специфическим является выделение технических уровней водо­хранилища и соответствующих объемов:

Нормальный подпорный уровень (НПУ) - наибольший уровень водохранили­ща, безопасный при длительном его стоянии для существования гидроузла.

Форсированный подпорный уровень (ФПУ) - уровень допустимого превыше­ния НПУ (обычно на 0,5-1 м) в течение короткого времени.

Уровень мертвого объема (УМО) - наинизший уровень, предусмотренный про­ектом.

Объем воды между НПО и УМО - полезный объем водохранилища (V_плз), а ни­же УМО - мертвый объем (V_мерт). Полный объем водохранилища V_вдхр = V_плз + V_мерт.

Верхней (по течению реки) границей водохранилища является место, где на есте­ственное течение реки начинает сказываться влияние подпора от плотины при НПУ. При сработке (снижении) уровня водохранилища до УМО граница влияния подпора смещается вниз по течению реки. Участок между этими границами называется зоной переменного подпора.

Всю акваторию водохранилища называют верхним бьефом плотины, а участок реки ниже плотины, где заметно сказывается его влияние на температурный режим и русловые процессы в реке, называют нижним бьефом плотины.

Крупнейшие (по объему) водохранилища мира:

Водохра- нилища	Страна	Река	Объем, км^3	Площадь, тыс., км^2	Напор, м	Год заполнения
полный	полезный
Виктория	Уганда, Танзания, Кения	Виктория-Нил		68,0
Братское	Россия	Ангара		48,2
Кариба	Замбия, Зимбабве	Замбези
Насер	Египет, Судан	Нил
Вольта	Гана	Вольта

 

Водохранилище Виктория котловинное. Оно включает в себя оз. Виктория, уро­вень которого повысился в результате создания плотины. Указанные объем и площадь водохранилища не учитывают естественные объем и площадь озера. Все остальные во­дохранилища, приведенные в таблице, долинные. Самое большое водохранилище в Ев­ропе - Куйбышевское на р.Волге (V = 58 км², S = 5900 км²). Все перечисленные водо­хранилища предназначены для многолетнего регулирования стока.

VII. ГИДРОЛОГИЯ БОЛОТ

Болото - избыточно увлажненный с застойным режимом участок земли, на кото­ром происходит накопление органического вещества в виде неразложившихся остатков растительности. В более узком смысле понятие болота связывают с наличием слоя торфа толщиной >30 см и специфической растительностью.

Болота возникают большей частью путем заболачивания суши, а также путем за­растания озер.

Виды заболачивания суши: затопление и подтопление территории. Затопление может быть вызвано: 1) преобладанием осадков над испарением при отсутствии доста­точного дренажа, 2) поступлением поверхностных вод в понижения рельефа. Подтоп­ление связано с повышением уровня грунтовых вод искусственными мероприятиями.

Болота на земном шаре занимают около 2 % суши, а в некоторых районах, напри­мер в северной половине Западной Сибири - до 50-60 % территории. Значительное распространение болот на северо-западе РФ, в Полесье (Украина, Белоруссия) и в ряде других районов.

Торфяные болота делятся на три типа.

Низинные болота - образуются в понижения рельефа, обычно приурочены к речным долинам и озерным котловинам, имеют плоскую или вогнутую поверхность, питаются поверхностными и грунтовыми водами с достаточным содержанием биоген­ных веществ. Слой торфа небольшой. Характерная растительность — ольха, береза, ино­гда ель, осоки, тростник, рогоз, зеленые мхи.

Верховые болота - образуются на водораздельных пространствах, а также в ре­зультате эволюции низинных болот, имеют выпуклую поверхность, питаются атмо­сферными осадками с малым содержанием биогенных веществ. Отличаются мощным слоем торфа. Растительность - сфагновые мхи, пушица, вереск, сосна.

Переходные болота занимают промежуточное положение между низинными и верховыми.

Вся толща торфа называется торфяной залежью. Ее мощность до 20 см. В зале­жи выделяют инертный и деятельный слои.

Инертный слой составляет основную часть залежи, водонепроницаем, насыщен водой, доступа кислорода практически нет, водообмен с вышележащими слоями очень слабый.

Деятельный слой толщиной 0,4-1 м находится над инертным, имеет некоторый водообмен с атмосферой и прилегающей к болоту территорией, более высокую водо­проницаемость и водоотдачу; в течение некоторого времени оказывается выше уровня грунтовых вод и тогда в поры торфа поступает кислород, который вместе с аэробными бактериями обуславливает частичное разложение отмирающих растений; в верхней части слоя развивается живой растительный покров.

Элементы рельефа болота: гряды - вытянутые в длину повышенные участки бо­лота, мочажины — сильно обводненные понижения между грядами, бугры — повыше­ния до нескольких метров, связанные с морозным выпучиванием, кочки — небольшие повышения, вызванные неравномерным распределением растительного покрова.

Гидрографическая сеть в пределах болот включает озера до 10 км² и глубиной до 10м, мелкие озерки, речки и ручьи с торфяными берегами, топи, т.е. сильно переув­лажненные участки с разжиженной торфяной залежью.

Вследствие повышенного испарения болота уменьшают среднюю величину стока и тем больше, чем засушливее климат. С другой стороны снижение уровня грунтовых вод при осушении болот может привести к пересыханию малых рек. На более крупных реках с большей глубиной вреза уменьшения меженного стока обычно не происходит.

Отличие водного баланса болота от озера:

1) для верховых болот поверхностный и подземный сток равен нулю;

2) в расходной части роль испарения в большинстве случаев больше, чем для озёр.

VIII ГИДРОЛОГИЯ ЛЕДНИКОВ

Ледники - движущиеся скопления фирна и льда на поверхности суши, образо­вавшиеся в результате преобразования твердых атмосферных осадков. Способность ледника перемещаться (течь) под влиянием силы тяжести обусловлено пластичностью льда.

Условие образования ледников — превышение накопления снега над его таяни­ем и испарением.

Граница между территорией, покрытой снегом и свободной от него, называется снеговой линией. Ее среднее положение — климатическая снеговая линия — опреде­ляется температурными условиями и количеством твердых осадков. Высота климати­ческой снеговой линии над уровнем моря: в Антарктиде 0 м, на Земле Франца-Иосифа - 50-100 м, на Кавказе - 2700-3800 м, в экваториальной области - 4500-5200 м, в тро­пиках - > 6000 м.

Выделяют два основных типа ледников - покровные и горные. Покровные лед­ники занимают сплошным покровом обширные площади на материках и крупных ост­ровах. Их продолжение в море - шельфовые ледники. Отрывающиеся от них ледяные поля или отдельные глыбы о