Гидрология

Гидрология

ГИДРОЛОГИЯ, часть физической географии, изучающая жидкую оболочку земли - гидросферу и круговорот воды в природе, заключающийся в непрерывном обмене влаги между атмосферой, сушей и океаном. Гидрология делится на следующие отделы: океанография, изучающая океаны и моря, лимнология - озера, потамология - реки, гидрогеология - грунтовые воды, гидрометеорология - атмосферные воды, глясиология - ледники. Гидрологические явления вызываются целым рядом факторов - метеорологических, географических, почвенных, ботанических и других. Такая сложность явлений не позволяет пользоваться дедуктивным методом, а заставляет для гидрологических обобщений использовать наблюдения над отдельными явлениями, сводящиеся к измерению и описанию последних. Вспомогательными для гидрологии науками являются: 1) гидрография - описание расположения на земной поверхности водных источников и 2) гидрометрия, учитывающая запасы и изменения водных источников во времени. В то время как одни элементы (рельеф местности, русло реки) стационарны и не изменяются во времени, а потому могут быть раз и навсегда измерены, описаны и нанесены на карту, другие (горизонты воды, осадки) подвержены постоянным циклическим колебаниям, и их изучение возможно только при помощи массового наблюдения над этими элементами, позволяющего путем применения закона больших чисел установить некоторые обобщающие характеристики, указывающие на характерные и длительные соотношения отдельных частей явления.

Гидрологии приходится, поэтому, иметь дело с материалом и источниками двоякого рода: картами топографических, геологических и геоботанических съемок и исследований и таблицами метеорологических, водомерных и гидрометрических наблюдений. Карты показывают распределение воды на земле и позволяют изучать отдельные водные бассейны и их основные орографические элементы, а также водную сеть бассейна. Таблицы дают представление о круговороте воды, его основных элементах (испарение, атмосферные осадки, их стоки: надземный и подземный) и об их изменении во времени.

Вода принадлежит к наиболее распространенным в природе телам. Площадь, занятая океанами и морями, составляет около 72% всей земной поверхности; средняя глубина океанов - 3500 м; слой воды, равномерно распределенный по земному шару, достиг бы глубины в 2500 м. В атмосфере также постоянно находится определенное количество водяного пара, причем это количество меняется в зависимости от температуры воздуха. Так, при температуре –20° достаточно 0,94 г водяных паров для насыщения ими 1 м3 воздуха, а при температуре +30° требуется 31,51 г тех же паров. Вода земной поверхности и атмосферы не находится в неизменном состоянии, а постоянно  перемещается из одного положения в другое, совершая полный цикл: испаряясь под влиянием теплоты с земной и водной поверхностей, поднимаясь в верхние холодные слои атмосферы, конденсируясь там в капельно-жидкое состояние и собираясь в тучи, переносимые ветром, вода ниспадает обратно на земную поверхность в виде твердых или жидких атмосферных осадков -  снега и дождя. Часть этих осадков стекает по наклонным поверхностям земли и, собираясь в пониженных местах ее, образует ручейки и реки, стекающие, в конечном счете, обратно в моря. Другая часть осадков просачивается в почву, проникая до водонепроницаемого слоя, по которому затем стекает и вместе с ним выходит на поверхность земли; эта просачивающаяся в землю вода питает растительный покров земли. Наконец, последняя часть атмосферных осадков снова испаряется с земной поверхности. Осадки, выпадающие на высокие горные вершины, покрытые вечным снегом, остаются там и, накапливаясь, своей тяжестью приводят в движение нижние слои, которые, опускаясь в более теплые зоны, тают и стекают с гор. Т. о., в природе замечается постоянный круговорот воды, регулируемый и приводимый в движение теплотой солнца. Различают два вида круговорота: малый - когда испарившаяся с поверхности морей вода выпадает обратно в виде осадков в море же, и большой - когда осадки выпадают на сушу и возвращаются в море через реки. Области суши, с которых имеется сток в моря, называются периферическими.

Полный баланс круговорота воды представляется, по Брикнеру, в следующем виде. 1) Океаны и моря: поверхность 366 млн. км2, испарение 384000 км3, осадки в море 359000 км3; количество водяных паров, переходящих с моря на сушу, 25000 км3. 2) Периферической площади суши: поверхность 114 млн. км2, поступление паров с моря 25000 км3, испарение с периферической площади 7650 км3, осадки 101500 км3. 3) Области, не имеющие стока: поверхность 30 млн. км2, испарение 10500 км3, осадки 10500 км3. Со всего земного шара, при поверхности в 510 млн. км2 (72% моря и 28% суши) испаряется 471000 км3 (82% с моря и 18% с суши) и выпадает такое же количество осадков, из которых, однако, на море приходится 76% и на сушу 24%. Таким обр., в периферических областях суши количество выпадающих осадков на треть больше испаряющейся влаги.

Частным круговоротом воды называются процессы питания и стока определенной реки. Работы Воейкова и Брикнера показали, что «реки можно рассматривать как продукт климата» и что сток воды в реках подвержен тем же циклическим колебаниям, что и климат. Баланс частного круговорота может быть выражен формулой: поверхностный сток вместе с подземным питанием из запасов грунтовых вод равен количеству выпавших в речном бассейне осадков за вычетом потерь на испарение и накопление запасов грунтовых вод.

Если бы все количество выпадающих на сушу осадков было распределено равномерно, то оно составило бы за год слой воды в 844 мм, однако, распределение осадков крайне неравномерно: наибольшей величины осадки достигают у экватора, наименьшей - у полюсов. До 2/3 всех осадков выпадает между 30° северной широты и 30° южной широты, как видно из кривой (фиг. 1), дающей изменение средних годовых количеств осадков по широтам (по данным Кернера).

До 2/3 всех осадков выпадает между 30° северной широты и 30° южной широты

На количество выпадающих осадков какой-нибудь местности влияет, кроме того, ее отдаленность от моря, высота над уровнем моря и, в особенности, расположение относительно гор, пересекающих преобладающее направление ветров. Годовые и месячные количества осадков колеблются в значительных пределах, причем амплитуда колебаний тем больше, чем больше абсолютные величины выпадающих осадков, как видно из фиг. 2, характеризующей зависимость средней изменчивости годовых количеств осадков ΔR от нормальных годовых количеств их R.

Зависимость средней изменчивости годовых количеств осадков от нормальных годовых количеств

На питание рек существенное влияние оказывают количества выпадающего за зиму снега, а также частота и продолжительность дождей и ливней (последних, особенно, для небольших речных бассейнов). Зависимость между количеством выпадающих в бассейне осадков и стоком воды в реке характеризуют следующие величины: 1) коэффициент стока k, равный отношению количества воды Q м3, протекшего через данное живое сечение реки за Т дней, к количеству выпавших за то же время в бассейне реки атмосферных осадков R м3 т. е. k = Q/R; 2) высоту слоя стока А мм, равномерно распределенного на площади бассейна F км2 и дающего за время Т дней сток в Q м3, т. е. А = 0,001·Q/F мм; 3) модуль стока γ л/сек, или количество воды в л, стекающей в 1 сек. с 1 км2 бассейна, т. е. γ = 1000·q/F [л/км2·сек], где q м3/сек секундный расход воды в реке. Так как Q = 86400·T·q, то между А и γ существует следующая зависимость: А = 0,0864·Т·γ. Эти три величины (k, А и γ) не являются постоянными для одной и той же реки, а подвержены колебаниям - месячным, годовым и многолетним. Целый ряд попыток вывести аналитически зависимость между стоком и определяющими его факторами не получил еще окончательного разрешения. Однако, предложенные многими исследователями формулы, в которых сток представлен в виде функции атмосферных осадков, дают результаты, могущие служить ориентировочными данными, особенно для небольших бассейнов. Так, Пенк предложил для рек средней Европы следующую формулу высоты годового слоя стока:

А = 0,73·(r—420) мм,

где r - высота годового слоя осадков в мм. Формула Ишковского для модуля стока имеет следующий вид:

γ = 31,7·C·h л/сек.,

где С - коэффициент, характеризующий рельеф местности, a h - средний годовой слой осадков в м. Для коэффициента (С) Ишковский дает следующие величины: для болот и низин 0,20, для плоских низменностей 0,25, для холмистых низменностей 0,30, для волнистого рельефа при пологих склонах холмов 0,35, для рельефа частью гористого, частью волнистого или крутых склонов холмов - 0,40. Величина стока зависит от величины и рельефа бассейна. Чем больше бассейн, тем больше потери на испарение и поглощение почвой и тем больше замедление стока, так как в реку одновременно стекает не все количество выпавшей в бассейн влаги, а только влага с ближайших частей бассейна. С другой стороны, чем гористей участок, тем большая часть осадков стекает по его поверхности.

Гидрологическая роль болот и лесов не так ясна, и до последнего времени в этом вопросе господствовал ошибочный взгляд, что они задерживают в многоводные периоды (весной) влагу и равномерно распределяют ее затем в сухие времена года. Однако ряд позднейших исследований показал, что болота во время дождей быстро насыщаются водой и делаются водонепроницаемыми для дальнейшего дождя; в сухое же время болота, высыхая, не только не отдают излишков влаги рекам, но сами перехватывают приток грунтовых вод; торф обладает способностью сильно поглощать воду и испарять ее, но водопроводящая способность его крайне низка. Таким образом, болота не только не играют роли резервуаров воды, регулирующих питание рек, но и нарушают правильный сток последних. Точно так же и леса способствуют понижению уровня грунтовых вод и, по выводам из многочисленных и тщательных наблюдений Отоцкого, не только не накапливают запасов подпочвенной влаги, но, растратив на испарение воду, полученную непосредственно из атмосферы, они (леса), по-видимому, склонны позаимствовать некоторое количество влаги у прилегающих открытых мест. Положительное значение леса для питания рек заключается только в его способности задерживать на некоторое время таяние снегов и тем содействовать более равномерному расходованию снежных запасов.

Часть атмосферных осадков, просачиваясь в почву до водонепроницаемых слоев, образует определенные запасы грунтовых вод, которые питают реки, особенно в сухое время года, путем т. н. внутреннего стока. Водопроницаемые слои речных долин пропитаны грунтовыми водами, которые и находятся в тесной связи с уровнем воды в реках. Опытами на особых аппаратах, лизиметрах определяют коэффициент инфильтрации, или процентное отношение просачивающейся в грунт воды к количеству осадков. Этот коэффициент изменяется во времени и определяется по формуле β = ξ·η·(R–a)/t, где ξ и η - коэффициенты, зависящие от рода грунта и почвенного покрова, R - количество осадков, а - недостаток насыщения водопоглотительной способности почвы и t - температура. По данным различных исследований, коэффициент β колеблется в значительных пределах, причем наибольшего своего значения достигает обычно весной, когда бывает полное насыщение водопоглотительной способности почвы (а = 0); летом же попадающая в почву влага в большей степени поглощается более сухой почвой, и процесс насыщения последней в связи с усиленным поглощением и испарением влаги растительностью задерживается,  вследствие чего β сводится к незначительной величине в несколько процентов. На фиг. 3 изображена средняя кривая месячных колебаний, построенная на основании многолетних наблюдений в средней Европе.

Средняя кривая месячных колебаний, построенная на основании многолетних наблюдений в средней Европе

Величина внутреннего стока, отнесенная к единице длины реки, м. б. определена путем гидрометрических измерений. Определив в двух пунктах реки А и В, находящихся на расстоянии L один от другого, количество протекшей за время Т воды QA и QB, а также количество впадающей на этом участке за то же время воды от притоков реки ∑q получим внутренний сток на единицу длины в единицу времени по формуле:

Gidrologija 4

Определение расхода воды в пункте В должно при этом производиться позже, чем в пункте А, на время Т' = L/v, где v - средняя скорость течения реки. До сих пор наблюдения над внутренним стоком еще немногочисленны, все они, однако, говорят о значительном участии в общем стоке рек подземного питания или внутреннего стока. Оппоков считает внутренний сток для Днепра в 33%, Гравелиус для верховьев Неккара - в 64%.

Особенное значение для практических целей имеет изучение паводков, или подъемов воды в реке, проходящих в виде волны сверху вниз по течению под влиянием таяния снегов или дождей. Высота и время паводков зависят от условий питания реки и расположения ее водосборного бассейна. Горные реки, берущие свое начало в районах вечного снега, имеют обычно более поздние и интенсивные паводки, чем равнинные реки.

По рекам, кроме воды, стекают также и твердые вещества во взвешенном состоянии или в виде раствора. Постоянно размывая дно в одних местах и откладывая наносы в других, подмывая берега, меняя свои изгибы, реки существенно влияют на конфигурацию суши. О количестве проносимых реками наносов можно судить хотя бы по наблюдениям над Миссисипи, которая ежегодно проносит до 113 млн. тонн наносов, т. е. такое количество их, которое, будучи равномерно распределено на весь бассейн реки, понизило бы его на 1 м в 75000 лет.

В вопросах образования речных долин и русла гидрология тесно соприкасается с геологией. Фауна же и флора вод соприкасает гидрологию с биологией и ботаникой. Гидрология стала развиваться, как особая наука, позднее других отраслей геофизики. Однако, ее крупное значение для правильной постановки водного хозяйства заставляет обращать на нее все большее внимание. В настоящее время во всех цивилизованных странах гидрологические проблемы систематически изучаются правительственными организациями, ведающими одновременно гидрометрией и гидрографией. В СССР общее руководство гидрологическими работами сосредоточено в Российском гидрологическом институте, издающем свои «Известия» и ряд научных трудов.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 5 - 1929 г.