Лекции по гидрологии

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, в атмосфере. 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.

 

Строение молекулы воды и химические свойства природных вод

Молекула  воды представляет собой равнобедренный треугольник с двумя атомами водорода в основании и атомом кислорода в вершине. Атом кислорода в молекуле воды присоединяет к себе два электрона, отнятых от атомов водорода, и тем самым приобретает отрицательный заряд. Атомы водорода, лишенные электронов, становятся положительно заряженными протонами. Таким образом возникает полярность молекулы воды, т.е. отрицательный заряд со стороны атома кислорода и положительный заряд со стороны атомов водорода.

Положительно заряженное ядро водорода одной молекулы может соединяться с отрицательно заряженным атомом кислорода другой молекулы. В результате возникают так называемые водородные связи, которые у воды (в отличие от других жидкостей) гораздо прочнее, чем связи, обусловленные, межмолекулярными взаимодействиями. Преодоление этих связей при плавлении, испарении, нагревании воды требует гораздо большей энергии по сравнению с другими жидкостями. Это определяет ряд "аномалий" тепловых свойств воды.

Водяной пар  состоит преимущественно из одиночных молекул воды без упорядоченного строения. Водородные связи не реализуются. В твердом состоянии (лед) строение воды в высокой степени упорядоченно. Молекулы составляют гексагональную 'структуру с прочными водородными связями. Эта структура "ажурная", т.е. относительно большое пространство занимают пустоты. Вода в жидком состоянии сохраняет элементы "льдоподобного" каркаса, пустоты которого частично заполняются одиночными молекулами, что обуславливает большую, чем у льда, плотность воды.

Вода —  слабый электролит, т.е. ее молекулы способны делиться на ионы (диссоциировать) по уравнению

H₂O↔H⁺+OH^-

При отсутствии примесей концентрации ионов H и OH (в молях на 1 л) равны между собой. При температуре от 0 до 50 [H⁺] = [OH^-]=10^-7. При наличии примесей это равенство может нарушиться. В случае преобладания ионов ОН^- имеет место щелочная реакция воды, при избытке ионов Н⁺ — кислая. Для характеристики реакции используется водородный показатель рН, равный логарифму концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком: рН = -lg[H⁺].

В природной воде всегда содержатс растворенные вещества. Их количество в единице объема — минерализация (мг/л), в единице массы - соленость (г/кг, или ‰).

Основную  массу растворенных веществ составляют макрокомпоненты, к которым относятся анионы HCO₃^-, катионы Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺. Суммарное содержание Са²⁺ Mg⁺ определяет жесткость воды.

Многие вещества, содержащиеся в природной воде в значительно меньшем количестве, тем не менее играют важную роль в существовании водных экосистем, определяют потребительские свойства воды. Среди них выделяют следующие группы.

Биогенные вещества — соединения натрия, фосфора, кремния, железа, наиболее активно участвующие в жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Органические вещества — сложные соединения, образующиеся в результате разложения растительных и животных организмов. Углерод составляет примерно половину их массы, а вместе с кислородом и водородом 95%.

Микроэлементы — вещества, находящиеся в воде в очень малых количествах (менее 0,01 мг/л). К ним, в частности, относятся тяжелые металлы, радиоактивные вещества.

 

 

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.