Краткие исторические сведения о развитии гидрологии

Интерес к истории гидрологии очень велик, так как вода играет определяющую роль в жизни людей, существовании всей флоры и фауны.

Развитие гидрологических знаний всегда стимулировалось, во-первых, извечным стремлением людей познать неизвестное, в частности законы природы, и, во-вторых, практическими потребностями.

В глубокой древности жизнь человека вблизи воды, особенно если эта вода использовалась им для орошения полей, во многом зависела от режима водных объектов. Человек вынужден был следить за этим режимом, вести наблюдения. К числу самых ранних гидрологических наблюдений относятся наблюдения древних египтян за колебаниями уровня воды на Ниле с помощью «ниломеров» - первых гидрологических постов.

Одновременно с началом развития других наук в Древней Греции возникли и некоторые гидрологические представления. Древнегреческий философ Фалес считал, что в основе всех явлений лежит «влажная природа», т. е. вода: все возникает из воды и в нее превращается. Другой древнегреческий философ-материалист Гераклит полагал, что в основе всего сущего лежит круговорот веществ (стихий) - огня, воздуха, воды и земли. Гераклиту принадлежит знаменитый образ реки, в которую нельзя войти дважды, поскольку она все время изменяется. Гидрологические явления вызывали большой интерес древнегреческого историка и путешественника Геродота. Он провел первые исследования древнего Нила и Дуная (Истра). К воде проявляли интерес и другие мыслители Древней Греции – Платон и Аристотель (они задумывались о происхождении рек и источников).

Вклад в развитие гидрологических знаний внесли древнеримские мыслители. Витрувий интересовался поиском подземных вод, Герон Александрийский первым предположил, что расход воды равен произведению площади поперечного сечения потока на скорость течения. О познании древних римлян в гидрологии и гидротехники свидетельствуют и акведуки – водопроводы Рима – удивительные сооружения древнего мира.

Новый толчок в развитии гидрологических знаний приходится на эпоху Возрождения. Леонардо да Винчи (1452-1519) одним из первых нашел правильное толкование происхождения рек, отметив роль и дождевых, и подземных вод. Леонардо да Винчи провел первые наблюдения за динамикой водного потока и может считаться основоположником речной гидравлики.

Первые количественные оценки в гидрологии принадлежат Пьеру Перро (брату более известного Шарля Перро, поэта и автора сказок). Он рассчитал, что дождевой воды вполне достаточно для поддержания стока рек.

Начало гидрологических наблюдений в России относится к XV в.: в записях русских летописцев сохранились сведения о наводнениях, паводках, замерзании и вскрытии рек. Много данных о реках и озерах приведено в «Книге Большому чертежу» - приложении к одной из первых карт России (1552).

В XVII в. начались наблюдения за уровнем воды на р. Москве. При Петре I проводились первые гидрологические изыскания на Дону, Оке, Волге с целью использования этих рек для судоходства. В 1715 г. были организованы постоянные наблюдения за режимом р. Нервы у Петропавловской крепости. В изучение рек заметный вклад внесли русские землепроходцы и географы XVIII в.

Широкое развитие гидрологических изысканий и исследований в нашей стране началось в 20-х годах прошлого столетия. Эти исследования были направлены на комплексное использование водных ресурсов страны (не только для судоходства, но и для гидроэнергетики и орошения). В 1919 г. был создан Российский гидрологический институт (ГГИ). В 1920 г. был принят план электрификации России (план ГОЭЛРО), выполнение которого потребовало проведения широких гидрологических исследований.

В 1929 г. был учрежден Гидрометеорологический комитет при Совете Народных Комиссаров СССР, на который возлагалось проведение гидрологических наблюдений и исследований. В 1933г. этот комитет был преобразован в Центральное управление Единой гидрометеорологической службы СССР (ЦУЕГМС), а в 1936г. - в Главное управление гидрометеорологической службы (ГУГМС) при Совете Министров СССР. В 1931 г. в нашей стране начались работы по составлению «Водного кадастра СССР» - систематизированных сведений о режиме рек, озер, морей, ледников, подземных вод.

В предвоенный период усилиями крупных ученых В. Г. Глушкова, Д. И. Кочерина, М. А. Великанова, Б. В. Полякова и многих других были разработаны теоретические основы гидрологии суши. Таким образом, гидрология суши как самостоятельная наука оформилась в Советском Союзе в 20-30- е годы прошлого столетия.

В послевоенные годы восстановление и дальнейшее развитие народного хозяйства страны потребовали существенного расширения гидрологических изысканий и исследований. Ведутся гидрологические работы для крупного гидроэнергетического строительства на Днепре и Волге, мелиоративных мероприятий на юге Европейской территории Союза и Средней Азии, улучшения судоходных условий на Волге и сибирских реках. Помимо перечисленных выше ученных крупный вклад в развитие гидрологии суши внесли Б. А. Аполлов, Б. Д. Зайков, П. С. Кузин, Л. К. Давыдов, Г. В. Лопатин, А. В. Огиевский, Д. Л. Соколовский, М. И. Львович, Г. Г. Сванидзе, А. В. Караушев и многие другие.

В настоящее время руководство наблюдениями и исследованиями в области гидрологии суши в Российской Федерации возложено на Федеральную службу по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). Росгидромету подчинены региональные управления гидрометеослужбы (УГМС), а им – местные центры по гидрометеорологии (ЦГМС) и разветвленная сеть гидрометеостанций и постов. По состоянию на январь 2004 г. в эту сеть входили 3068 гидрологических постов, в том числе 2717 речных и 351 – на озерах и водохранилищах. В систему Росгидромета входят крупные научно-исследовательские учреждения в области гидрометеорологии: Государственный гидрологический институт (ГГИ) в Санкт- Петербурге, Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации (Гидрометцентр России) в Москве, Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова (ГГО) в Санкт-Петербурге и др.

С 1978 г. в СССР введен Государственный водный кадастр (ГВК), представляющий собой систематизированный, постоянно пополняемый и уточняемый свод сведений о водных объектах, составляющих единый государственный водный фонд о режиме, качестве и использовании вод. ГВК состоит из трех разделов: 1) поверхностные воды (реки и каналы; озера и водохранилища; качество вод суши; селевые потоки; ледники; моря и морские устья рек), 2) подземные воды; 3) использование вод.

Тепловой и водный балансы

Водные ресурсы Земли

 

Водные ресурсы как природная категория – это все природные воды Земли, представленные водами рек, озер, водохранилищ, болот, ледников, водоносных горизонтов, морей и океанов. Водные ресурсы Земли в таком понимании представлены в таблице 5. 3. 1.

 

Таблица 1. Запасы воды на земном шаре

Виды природных вод	Площадь	Объем, тыс. км^3	Доля в мировых запасах, %	Средний период условного возобновления запасов воды
млн. км^2	% площади суши	от общих запасов воды	От запасов пресных вод
Вода на поверхности литосферы
Мировой океан   Ледники и постоянный снежный покров   Озера в том числе пресные   Водохранилища   Вода в реках   Вода в болотах	16,25     2,1 1,2   0,4   -   2,7	-     10,9     1,4 0,8   0,3   -   1,8		96,4     1,86     0,013 0,007   0,0004   0,0002   0,0008	-     70,2 -   0,25 0,016   0,005   0,03	2650 лет     9700 лет     17 лет -   52 дня   19 дней   5 лет
Вода в верхней части литосферы
Подземные воды в том числе пресные   Подземные льды зоны многолетнемерзлых пород	- -   2,1	- -		1,68 0,76   0,022	- -   0,82	1400 лет -   10000 лет
Вода в атмосфере и в организмах
Вода в атмосфере   Вода в организмах	-   -	-   -		0,001   0,0001	0,04   0,003	8 дней   Несколько часов
Общие запасы воды
Общие запасы воды в том числе пресной	- -	- -	36 730	2,65	-	- -

Площадь поверхности Земли 510 млн. км². Из этой площади водами Мирового океана покрыто 361 млн. км² (71 %), а площадь суши составляет 149 млн. км². Общая площадь водных объектов на поверхности суши составляет 21,5 млн км², или 14,4 % площади суши.

Таким образом, общая площадь водных объектов на поверхности Земли составляет: 361 млн. км² (океаны и моря) + 21,5 млн. км² (водные объекты суши, включая ледники) = 382,5 млн. км², т. е. 75% или 3/4 поверхности планеты.

Общий объем воды в водных объектах на земном шаре около 1390 млн. км³ при этом на долю Мирового океана приходится 96,4 % (табл. 5. 3. 1). Из этого количества лишь 2,65 % (36,7 млн. км³) приходится на долю пресных вод, большая часть которых (71 %) представлена твердой фазой (льдом).

Водные ресурсы как природная и социально - историческая категория - это: «… запасы поверхностных и подземных вод, находящихся в водных объектах, которые используются или могут быть использованы».

В такой трактовке наибольший интерес представляют пресные воды, объем которых составляет лишь 2,65 % (36,7 млн. км³) от общего запаса воды на Земле. Ресурсы пресных вод складываются из статических (вековых) запасов воды и из непрерывно возобновляемых водных ресурсов, т. е. стока рек.

Запасы пресных вод всех континентов, за исключением Антарктиды, составляют около 15 млн. км³, но распределены они между континентами неравномерно. Наибольшими статическими ресурсами обладают Северная Америка и Азия, несколько меньшими – Южная Америка и Африка и наименее богаты пресными водами Европа и Австралия с Океанией.

Возобновляемые водные ресурсы также распределены по земному шару неравномерно: на Азию приходится 32 % стока всех рек планеты, на Южную Америку – 26 %, на Европу – 7 % и на Австралию с Океанией 5 %.

Из стран мира наиболее обеспечены речными водными ресурсами Бразилия – 9230, Россия – 4348, США -2850, Китай -2600 км³ воды в год.

Несмотря на благоприятное в целом состояние возобновляемых водных ресурсов России, в целом ряде районов имеются серьезные проблемы с водообеспечением населения и хозяйства. Эти проблемы связаны с крайне неравномерным распределением водных ресурсов по территории страны, с большой их временной изменчивостью и высокой загрязненностью вод. Хорошо обеспечены водой Сибирский и Дальневосточный федеральные округа, в меньшей степени – Уральский и Северо – Западный, хуже всего - Приволжский, Центральный и Южный.

 

Круговорот воды в природе

Когда впервые был определен объем всех русловых речных вод Земли (0,0002 % гидросферы), удивительным казалось, что столь малый объем служит началом формирования почти всех источников пресных вод, доступных для использования.

Происходит же это благодаря удивительному природному процессу, называемому круговоротом воды (влагооборотом).

Причина неиссякаемости источников с древних времен интересовала людей. Натурфилософ Греции Фалес Милетский в IV веке до н. э. считал, что морская вода вгоняется в земные недра, поднимается по горным породам вверх и, образуя источники, по речным руслам стекает в низ. Но уже Аристотель (384 – 322 гг. до н.э.) был близок к пониманию влагооборота, а Тит Лукреций Кар в I веке до н. э. в художественной форме описал процесс круговорота воды.

В настоящее время под круговоротом воды (влагооборотом) понимают постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, переноса водяного пара в атмосфере, выпадения осадков и стока.

Различают:

1. Малый или океанический круговорот, когда испарившаяся с поверхности океана вода конденсируется в воздухе и снова возвращается в океан.

2. Большой круговорот, включающий оставшуюся часть воды, выпадающую на материки и поступающую вновь в океан.

Большой круговорот включает местный или внутриматериковый влагооборот – процесс испарения и осаждения внутри материков влаги, переносимой с океана на сушу. Эта влага, прежде чем вернуться в океан, совершает несколько оборотов, снабжая влагой территории, далеко отстоящие от океана. Чем интенсивней проходит влагооборот и длительнее пребывание воды на материке, тем эффективнее ее можно использовать в экономике страны. В пределах России эти осадки не превышают 10% общего количества влаги, поступающей с океанов.

Выделяют области внешнего стока – часть суши (78 %), с которой реки несут свои воды в Мировой океан, и внутреннего стока – часть суши, с которой вода поступает в замкнутые водоемы, не сообщающиеся с Мировым океаном. В областях внутреннего стока отмечаются самостоятельные влагообороты.

 

Тепловой и водный балансы

 

Движущие силы круговорота воды – солнечная энергия и сила тяжести. Под влиянием тепла происходит испарение, конденсация водяных паров и другие процессы при фазовых переходах. Сила тяжести служит причиной падения капель дождя, течения рек, движения почвенных и подземных вод.

Количественным выражением законов сохранения вещества и энергии, участвующих во влагообороте, служат уравнения теплового и водного балансов.

Соотношение прихода и расхода тепла с учетом его изменения за выбранный интервал времени для рассматриваемого объекта называется тепловым балансом.

Уравнение теплового баланса для интервала времени Δt можно представить в виде:

 

ΔQ = Q⁺ - Q^-, (14)

где Q⁺ – теплота, поступающая к данному объекту извне, а также выделяющаяся при ледообразовании, конденсации водяного пара, разложении некоторых веществ; Q^- - теплота, удаляемая за пределы объекта, затрачиваемая в пределах объекта на испарение воды, плавление льда, химические и биохимические процессы; ΔQ – изменение за время Δt содержания теплоты в объекте. Единицы измерения в уравнении – единицы теплоты (Дж).

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

 

R = Q_c – I = (Q +q) · (1 – r) – I, (15)

 

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

Метод теплового баланса широко используют в гидрологии для исследования изменений температуры воды в водных объектах.

Соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для рассматриваемого объекта называется водным балансом.

В основе развития гидрологической науки на протяжении 300 лет лежало трехкомпонентное выражение водного баланса:

 

х = у – Е, (15)

 

где х – осадки, у – сток, Е – испарение.

Впервые оно было получено французом Пъером Перо (братом более известного Шарля Перо), который в трактате «О происхождении источников» дал количественное сопоставление атмосферных осадков и стока для верховий реки Сены.

В современном представлении уравнение можно представить в виде:

 

Δu = х – (у + Е), (16)

 

где Δu – изменение запасов воды на поверхности и в толще почвогрунтов за время Δt.

Для водного объекта или водосборного участка суши в развернутом виде уравнение водного баланса представляют в виде:

 

x + y₁ + w₁ + z₁ = y₂ + w₂ + z₂ u, (17)

 

где x – атмосферные осадки на поверхность объекта; y₁ – поверхностный приток воды извне; w₁ – подземный приток воды извне; z₁ – конденсация водяного пара; y₂ – поверхностный отток воды за пределы объекта; w₂ - подземный отток воды за пределы объекта; z₂ – испарение; Δu – изменение объема воды в пределах объекта.

Члены уравнения водного баланса выражают либо в величинах слоя стока (мм, см, м), либо в объемных единицах (м³, км³).