Об’єм і структура гідросфери.

Філоненко Ю.М.

Гідрологія

Практикум

Для студентів природничо-географічного факультету

Ніжин - 2009

УДК 551:49

ББК

Рекомендовано Вченою радою Ніжинського державного університету імені Миколи Гоголя

Протокол № від р.

Рецензенти:

канд. геогр. наук, доц. Криловець М.Г.

канд. геогр. наук, доц. Остапчук В.В.

Філоненко Ю.М., Бездухов О.А., Комлєв О.О., Пелешенко В.І.

Гідрологія: практикум. – Ніжин: Видавництво НДУ ім. М.Гоголя

Даний практикум відповідає навчальній програмі для географічних спеціальностей університетів.

У ньому викладені всі основні теми курсу «Гідрологія», наводяться завдання для лабораторних робіт і контрольні питання для оцінювання усних відповідей студентів. Він містить також варіанти контрольних робіт, завдання для самостійної та індивідуальної роботи, критерії і шкалу оцінювання знань студентів за кредитно-модульною системою.

Практикум може бути використаний студентами як денної, так і заочної форми навчання.

ББК

Видавництво НДУ ім. М. Гоголя, 2008

Філоненко Ю.М., Бездухов О.А., Комлєв О.О., Пелешенко В.І.

Вступ

Гідрологія є одним з фундаментальних навчальних курсів у системі підготовки студентів класичних та педагогічних університетів.

Даний практикум призначений для студентів денної форми навчання, але може використовуватись і студентами-заочниками. До нього включено теми у яких розглядається гідрологія як наука, особливості гідросфери, а також теми присвячені водним об’єктам, які знаходяться в орбіті інтересів таких розділів гідрології суші, як гідрології підземних вод, гідрологія річок, гідрологія озер (лімнологія), гідрологія боліт та гідрологія льодовиків (гляціологія).

Структура практикуму та його зміст визначається програмою і навчальним планом для відповідних спеціальностей університетів. Згідно з навчальним планом курс „Гідрологія суші” включає 18 годин лекційних та 22 години лабораторних занять. Крім того по 16 годин відводиться на самостійну роботу студентів та індивідуальні заняття.

У практикумі до кожної з тем, що вивчаються пропонуються лабораторні завдання для закріплення інформації одержаної студентами на лекційних заняттях і при опрацюванні літературних джерел та контрольні запитання для перевірки знань шляхом усного опитування.

Практикум містить також варіанти контрольних робіт, завдання для самостійної та індивідуальної роботи, критерії і шкалу оцінювання знань студентів за кредитно-модульною системою.

Автори з вдячністю приймуть всі критичні зауваження на адресу запропонованого практикуму і побажання щодо його покращення.

Тема 1.ГІДРОЛОГІЯ – ЯК НАУКА

Об’єкт, предмет та основні розділи гідрології.

Гідрологія („гідро” – вода, „логос” - наука) – наука яка займається вивченням води та всіх водних об’єктів на земній кулі („наука про воду”).

Об’єктом дослідження гідрології є водна оболонка Землі - „гідросфера”в цілому.

Предметом дослідження гідрології є властивості гідросфери та її складових частин, процеси і явища, які в них відбуваються; закономірності, за якими ці явища і процеси розвиваються; а також особливості взаємозв’язку і взаємодії природних вод із земною корою й атмосферою.

До складу сучасної гідрологія, як науки про гідросферу, входить значна кількість окремих наук про складові частини гідросфери.

Це, перш за все, „загальна гідрологія”, яка основну увагу зосереджує на найбільш загальних закономірностях гідрологічних процесів і явищ (розподілі та кругообігу води на земній кулі, взаємодії водної оболонки з іншими геосферами). Загальна гідрологія, за об’єктами вивчення, поділяється на два основні напрямки: гідрологію моря і гідрологію суші.

„Гідрологія моря” – самостійна наука, що вивчає процеси і явища, які відбуваються в Світовому океані, їх взаємодію з довкіллям, а також окремі океани та моря. Вона поділяється на „океанологію” та „океанографію”.

„Гідрологія суші” (гідрологія, гідрологія поверхневих вод суші) – в залежності від об’єктів вивчення, охоплює ряд наукових напрямків, що зараз є її розділами і розглядають походження, поширення, режим, розвиток, динаміку, господарське використання та інші аспекти різноманітних водних обєктів:

- гідрологія підземних вод („геогідрологія”);

- гідрологія річок („потамологія” – гр. „потамос” – річка);

- гідрологія боліт;

- гідрологія озер („лімнологія” – гр. „лімнос” – озеро; „озерознавство”);

- гідрологія льодовиків („гляціологія” – лат. „glacies” - лід);

- повітряна гідрологія („гідроаерологія”);

- гідрологія водосховищ;

- гідрологія морських гирл річок;

- гідроекологія (вивчає особливості взаємозв’язків між різноманітними

процесами у водах);

- гідрографія (вивчення і опис гідрологічних об’єктів), є гідрографія

океанів і морів (океанографія) та гідрографія водних об’єктів суші;

- гідрометрія (вивчення водних об’єктів на основі спостережень і

вимірювань їх різноманітних характеристик), є гідрометрія річкова,

морська, озерна, гідрометрія боліт, підземних вод, льодовиків;

- інженерна гідрологія (вивчає характеристики водного режиму

гідрологічних об’єктів з метою проектування гідротехнічних споруд і

планування водогосподарських заходів);

- гідрологічне прогнозування (включає передбачення гідрологічних

характеристик водних об’єктів (витрати води, рівня води, льодоставу,

скресання та ін) на майбутнє);

- гідромеханіка (наука про рух та рівновагу води та особливості її

взаємодії з твердими тілами, при їх відносному русі або спокої);

- гідравліка (гр. „вода” + „трубка”) – прикладний розділ гідромеханіки,

який розглядає закони руху та рівноваги води з точки зору їх

практичного застосування;

- гідрофізика (вивчає фізичні властивості води і процеси, що

відбуваються у водній масі);

- гідрохімія (вивчає хімічний склад води та хімічні процеси, які в ній

проходять);

- гідробіологія (вивчає особливості органічного життя у воді).

Науки, з якими гідрологія має найтісніші зв’язки:

1.Геологія; 2.Геоморфологія; 3.Метеорологія і кліматологія; 4.Фізична

географія; 5.Біогеографія; 6.Картографія; 7.Грунтознавство та ін;

Походження води.

Вода (лат. „Аква”, гр. „Гідро, Гідр”) – прозора рідина без кольору, що являє собою хімічну сполуку кисню (оксигену) і водню (гідрогену).

Появу води на Землі пояснюють наступні гіпотези:

1. Гіпотеза О.Ю. Шмідта (Космічна).

Суть гіпотези полягає в тому, що вода утворилась, одночасно з утворенням Землі, з газопилової хмари. Ця хмара була складена космічною (галактичною) речовиною, в якій, у вигляді льодового пилу, містилась вода.

Гіпотеза О.Ю.Шмідта підтверджується результатами сучасних космічних досліджень (США, Росія), згідно яких вихідні елементи для утворення води – водень і кисень – входять до шести найпоширеніших речовин нашої Галактики. Тому, можна напевно стверджувати, що мільярди років назад у газопиловій хмарі, з якої сформувалась наша планета, вже була вода.

2. Гіпотеза О.П. Виноградова (1963р.).

Поява води на планеті і процес формування „гідросфери” пов’язаний з явищем дегазації мантії (виділення води з мантії у вигляді пари) Землі. Весь об’єм води мантії О.П.Виноградов оцінював у 20 млрд. км³ (що в 15 разів більше за сучасний об’єм гідросфери). Механізм дегазації О.П.Виноградов вбачав у поступовому розігріванні речовини Землі на початкових етапах її формування. Внаслідок цього проходила гравітаційна диференціація речовини (у верхніх шарах земної кори опинялись породи з меншою щільністю, а на глибині більш щільні). При охолодженні, дегазації та кристалізації легких порід, що піднімались до поверхні, вода, у вигляді пари, виходить на поверхню, формує гідросферу і вступає у вічний кругообіг.

Слід зауважити, що процес дегазації відбувається постійно в районах інтенсивного вулканізму, але об’єми новоутвореної (ювенільної) води дуже незначні.

Гіпотеза О.П.Виноградова підтверджуєтьсягеохімічною моделлю нашої планети, розробленою М.П. Семенком. Згідно цієї моделі, земна кора, яка складена окисленими породами, є своєрідним кисневим каркасом, а ядро планети складають гідрати декількох металів та, частково, карбід заліза.

В зонах найвищих тисків і температур виділяються, переважно, водень і вуглеводень. Далі від центра планети ці речовини взаємодіють з окисленими породами, внаслідок чого утворюється водяна пара і вуглекислий газ. Ці сполуки постійно виходять на поверхню Землі через жерла вулканів та різноманітні наземні й підводні тріщини і розломи земної кори.

За підрахунками М.П.Семенка, за час існування Землі на її поверхню виділилось близько 3.400 000 000 км³ води. Третина цієї кількості в пароподібному стані залишила поверхню планети; під дією Сонця значна частина її фотодисоціювалась (гр. - світло+ лат. „dissociatio” – роз’єднання) на водень і кисень. Решта маси води поступово сформувала „гідросферу”.

Види водних об’єктів та особливості їх режиму.

Вся вода на планеті зосереджується у різноманітних водних об’єктах, які поділяються на три види: 1) водотоки; 2) водойми; 3) особливі водні об’єкти.

ВОДОТОКАМИ прийнято вважати водні об’єкти на земній поверхні (річки, струмки, канали), у яких відбувається поступальний рух води в руслах у напрямку природного похилу.

ВОДОЙМИ – це водні об’єкти, які розташовуються у зниженнях земної поверхні та характеризуються уповільненим рухом води. До водойм належать океани, моря, озера, болота, ставки, водосховища.

ОСОБЛИВІ ВОДНІ ОБ’ЄКТИ – льодовики та підземні води.

Водні об’єкти бувають постійні і тимчасові (пересихаючі). Всі водні об’єкти функціонують у певному режимі. Цей режим називають гідрологічним режимом(є гідрологічні режимиокеану, моря, річки, озера, болота, підземних вод).Він визначається закономірностями зміни стану водного об’єкта в часі, які склалися під впливом головним чином кліматичних і, в меншій мірі, інших фізико-географічних умов басейну.

Гідрологічні явища і процеси, які характеризують гідрологічний режим водних об’єктів називають елементами гідрологічного режиму.

До них належать:

1. багаторічні, річні, сезонні і добові коливання рівня

води – „режим рівнів”;

2. витрати води - „режим стоку”;

Ці два режими (рівня води і стоку) найчастіше об’єднують одним терміном – водний режим.

3. льодові явища (затори, зажори) - „льодовий режим”;

4. коливання температури води - „термічний режим”;

5. кількість та склад твердого матеріалу, що

переноситься потоком - „режим наносів”;

6. зміни складу і концентрації розчинених

речовин - „гідрохімічний режим”;

7. зміна русла водотоку - „режим руслового процесу”.

Елементи гідрологічного режиму описуються за допомогою певного набору гідрологічних характеристик. Так, зокрема, режим стоку описується за особливостями витрати води за одну секунду, в середньому за добу, декаду, місяць, сезон, рік, багато років, а також за показниками максимальних і мінімальних витрат. Льодовий режим описується за особливостями льодоставу, товщини, тривалості і скресання льодового покриву, та ін. За подібними ж характеристиками описуються й інші режими.

Сукупність гідрологічних характеристик певного водного об’єкта в даному місці і в даний час визначає гідрологічний стан водного об’єкта.

Послідовний розвиток у часі й просторі окремих гідрологічних характеристик називається гідрологічними процесами.

Методи гідрологічних досліджень.

В гідрології, для одержання необхідної інформації, використовується досить значний набір методів досліджень:

1. ЕКСПЕДИЦІЙНИЙ (польовий) – збір інформації проводиться при безпосередньому польовому дослідженні водних об’єктів на певній території. Застосування цього методу дозволяє одержати якісні матеріали і опис вод певної території з проведенням лише окремих вимірювань. Такі матеріали можна одержати лише в експедиціях, тривалість яких може бути від кількох днів до кількох років.

2. СТАЦІОНАРНИЙ метод дозволяє мати уявлення про динаміку елементів гідрологічного режиму протягом тривалого періоду. Його суть полягає в проведенні спостережень за рівнем води, льодоставом, хвилюванням, температурою та ін. показниками в спеціальних пунктах – гідрологічних станціях і постах. Перевага стаціонарних спостережень перед польовими полягає в тому, що вони ведуться круглий рік, а одержана на них інформація використовується для гідрологічних і географічних узагальнень, складання довідників, водного кадастру (фр. „зведення відомостей” про водний об’єкт), гідрологічних прогнозів, проведення гідрологічних розрахунків та вирішення інших теоретичних і практичних задач.

За даними спостережень гідрологічних станцій і постів використовуючи ЗАГАЛЬНОГЕОГРАФІЧНІметоди (аналогії, інтерполяції, картографува-ння), роблять узагальнення гідрологічних характеристик у вигляді карт, типізації, класифікації, районування тощо.

3. НАПІВСТАЦІОНАРНИМ методом називають проведення стаціонарних спостережень, у разі необхідності, під час експедиційних досліджень.

Для встановлення законів, за якими діють процеси і явища в гідросфері, а також для з’ясування причин і умов їх виникнення застосовують

4. ГЕНЕТИЧНИЙметод. Він ґрунтується на узагальненні емпіричного матеріалу та фізичного аналізу наявних залежностей між елементами гідрологічного режиму, які можна одержати внаслідок теоретичних побудов на основі законів фізики, механіки та хімії.

5. ДОСЛІД(активний експериментальний метод) - застосовується, коли необхідно відтворити явище або процес у лабораторних умовах, щоб одержати відповідні дані або встановити відповідні залежності (фізичні, хімічні властивості води, формування стоку та ін).

Протягом останніх десятиліть в гідрології стали широко застосовуватись 6. НЕТРАДИЦІЙНІметоди гідрологічних досліджень:

- дистанційні вимірювання за допомогою локаторів;

- аерокосмічні зйомки і спостереження;

- автономні реєструючи системи (автоматичні гідрологічні пости на

річках і буйкові станції в океанах).

Завершальним етапом гідрологічних досліджень, які проводяться будь-яким із вказаних методів, є 7. ТЕОРЕТИЧНИЙ АНАЛІЗ одержаних результатів. Він базується, з одного боку, на використанні законів фізики, а з іншого – на географічних закономірностях просторово-часових змін гідрологічних характеристик. Останнім часом для цього широко використовуються методи математичного аналізу й імітаційного моделювання, системного аналізу, гідролого-географічних узагальнень.

Проектування гідротехнічних споруд, меліоративних систем, систем водопостачання, їх будівництво та експлуатація потребують знання кількісних характеристик елементів водного режиму водостоків – середніх і крайніх (max., min.) величин рівнів води, витрат води, величин випаровування з водної поверхні, розвиваючої діяльності та ін.

Матеріали спостережень дають можливість одержати ці величини лише за період спостережень, чого часто не досить для встановлення необхідних характеристик, особливо крайніх значень. Отримати ймовірні крайні значення елементів водного режиму, визначити ступінь ймовірності очікування цих величин, встановити типові риси режиму для водостоків певних територій можна за допомогою методів МАТЕМАТИЧНОЇ СТАТИСТИКИ і ТЕОРІЇ ЙМОВІРНОСТІ, які дуже широко застосовуються в гідрології.

Розвиток гідрології як науки.

Гідрологія як самостійна наука порівняно молода (сформувалась у кінці ХІХ на початку ХХ-го століття), але її зародження відноситься до найдавніших етапів розвитку людства, оскільки водні об’єкти завжди мали важливе значення в житті людини.

В процесі розвитку гідрології можна виділити кілька важливих етапів:

1. Античний (до V ст.н.е):

Фінікія, Греція, Рим (праці Фалеса, Геродота, Платона, Аристотеля, Вітрувія, Страбона, Клавдія Птоломея та ін.). Єгипет – спостереження за коливаннями рівня Ніла (перші гідрологічні пости – „ніломіри” було встановлено в районі нинішньої столиці країни у 622 році до н. е.). Слід відзначити, що з дослідженнями розливів Нілу в Єгипті був пов'язаний розвиток не лише гідрології, а й картографії, оскільки щороку єгиптяни змушені були оновлювати всі карти через знищення меж на полях. Крім того є дані, що мешканці давнього Єгипту володіли інформацією про водні об’єкти, розташовані досить далеко від їхньої країни. Про це, зокрема, свідчить той факт, що річку Євфрат вони називали «перевернутою водою», через те що він тече у протилежному ніж Ніл напрямку.

Важливу інформацію гідрологічного характеру містять також арабські, індійські та китайські давні письмові джерела й легенди. Досить багато цікавих фактів про особливості річок Амудар’ї й Сирдар’ї та Аральського моря-озера можна дізнатися з легенд жителів Середньої Азії.

Мешканці Південно-Східної Азії (особливо В’єтнаму, Лаосу і Камбоджі) вже в сиву давнину добре розумілися на водному режиму Меконгу, а жителі північних районів Євразії та Північної Америки володіли необхідними їм знаннями про водні об’єкти територій свого проживання.

Океанологічні дослідження проводились Морським гідрофізичним інститутом, Державним океанографічним інститутом, Арктичним і Антарктичним НДІ, Всесоюзним НДІ морського рибного господарства й океанографії. За результатами роботи цих установ було видано „Морской атлас”, „Атласи океанов”, десятитомник „Океанология”, семитомник „География Мирового океана” та ін.

В Україні:

В даний час, керівництво гідрометричною сіткою станцій і постів здійснює Державний комітет по гідрометеорології, а узагальненням матеріалів спостережень, їх виданням, метеорологічним та гідрологічним прогнозуванням - Гідрометцентр України.

Наукові дослідження проводять: Морський гідрофізичний інститут, Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, спеціалізовані кафедри деяких вузів (Одеського гідрометеорологічного інституту, Київського національного університету, Чернівецького університету та ін.).

Всвіті:

1957-1959 – Міжнародний геофізичний рік і рік Міжнародного геофізичного співробітництва;

1962 – видано на російській мові підручник американських гідрологів Р.К.Лінслея, М.А.Котлера і Д.Л.Х.Паулюса „Прикладная гидрология”;

1965-1974 – проводилась Міжнародна гідрологічна десятирічка;

1971 – М.Роша (Фр.) – видано учбовий курс „Гідрологія суши”;

з 1975 – постійно діє Міжнародна гідрологічна програма;

1980 – під ред. Дж. К. Родда вийшла спільна праця вчених США, Великобританії, Австралії, Канади і Швейцарії „Грани гидрологии”. В ній значна увага приділена новим методам досліджень (дистанційний, радіоізотопний, ультразвуковий, електромагнітний, моделювання та ін.);

Періодично видаються матеріали Всесвітньої метеорологічної організації у вигляді керівництва з гідрологічної практики (прикладної гідрології), у яких узагальнено світовий досвід досліджень за гідрологічними об’єктами.

Останнім часом в усьому світі гідрологія вирішує наступні завдання:

- досліджує формування гідрологічного, гідрохімічного та гідробіологічного режимів водосховищ, а також замерзання і скресання річок у зонах гідротехнічних споруд;

- розробляє методи гідрологічних розрахунків елементів режиму річок, озер, водосховищ, морів із застосуванням сучасних досягнень математики;

- вивчає водні ресурси окремих країн і регіонів світу;

- оцінює вплив господарської діяльності на водні об’єкти з метою їх раціонального використання і відтворення водних ресурсів;

- досліджує особливості Світового океану та льодових покривів.

Лабораторні завдання:

1. Покажіть структуру гідрології суходолу у вигляді колової діаграми.

2. Назвіть основні види водних об’єктів і дайте коротку письмову

характеристику елементів їх гідрологічного режиму.

3. Охарактеризуйте методи гідрологічних досліджень у вигляді таблиці:

Таблиця 1

Методи гідрологічних досліджень

4. Побудуйте схему еволюції гідрологічних знань від давніх часів до

сьогодення.

Контрольні запитання:

1. Назвіть і охарактеризуйте об’єкт і предмет вивчення гідрології.

2. Які основні розділи гідрології ви знаєте?

3. З якими науками найтісніше пов’язана гідрологія?

4. Які ви знаєте гіпотези походження води?

5. Назвіть види водних об’єктів.

6. Які ви знаєте елементи гідрологічного режиму водних об’єктів?

7. Охарактеризуйте основні методи гідрологічних досліджень.

8. Які методи гідрологічних досліджень належать до нетрадиційних?

9. Гідрологія на протязі античного та середньовічного етапу накопичення

гідрологічних знань.

10. Гідрологія в середні віки.

11. Гідрологія в епоху інтенсивного розвитку капіталізму (XVII-XIX ст.).

12. Розвиток гідрології в першій половині XX ст.

13. Які особливості розвитку гідрології в другій половині XX і на початку XXI ст.?

14. Як проходило становлення української гідрології і хто був її фундаторами?

15. Які завдання загальносвітового масштабу вирішує гідрологія у XXI ст.?

Тема 2.ГІДРОСФЕРА

Об’єм і структура гідросфери.

ГІДРОСФЕРА –унікальна водна оболонка планети, яка включає всю хімічно не зв’язану воду не залежно від її агрегатного стану: рідку, тверду, газоподібну. Характерною властивістю гідросфери є її єдність і неперервність. Це зумовлено спільністю походження всіх видів природної води, тісним взаємозв’язком між її окремими ланками і постійним переходом одного виду в інший. Верхня і нижня межа гідросфери встановлюються важко, оскільки не відома точна глибина проникнення води в надра планети і в атмосферу. Загальний об’єм гідросфери становить, за різними джерелами, від 1.386.5 млн. км³ до 1.5 млрд. км³ (М.І. Львович, 1986). Світовий океан займає 94% (інколи зустрічаються цифри 95% і, навіть, 96.5%) цього об’єму – 1 млдр. 349.9 млн. км³ (хоча є й дані, що 1.341 млрд. км³).

Води суші охоплюють близько 35.8 млн. км³:

Підземні води (гравітаційні і капілярні, а також глибинні розсоли) - включають 23 млн. км³ води (інколи вказуються інші цифри - 23.4; 23.5; 24 млн. км³), або 1.69% гідросфери. Крім того, підземні води районів поширення багаторічної мерзлоти мають об’єм близько 300 000 км³.

Льодовики та сніжники - охоплюють 24-30 млн. км³ води, або 1.7% (в деяких джерелах можна зустріти 1.74%, 1.6% та ін.) водних ресурсів планети. Льодовики, розташовані навколо полюсів, являють собою найбільші запаси прісної води.

Прісні поверхневі води – 360 000 км³, або 0.25% гідросфери:

ґрунтові – (за різними джерелами від 16 500 до 83 000 км³);

води озер – (176 400 – 278 000 км³) - (91 000 км³ – прісні озера, 85 400 км³ - солоні озера); води річок – (1 200 – 2120 км³); болотні масиви – (11 500 км³); біологічні води – (1 120км³ - ці води знаходяться в рослинах та живих організмах). Атмосферна вода – це головним чином водяна пара (12 900 – 14 000 км³), що не перевищує 0.001% об’єму гідросфери. Понад 90% атмосферної води зосереджено у її нижніх шарах (від 0 до 5 км).