Лекции по гидрологии

На некоторых водохранилищах важной проблемой становится разрушение их берегов (абразия), происходящее наиболее интенсивно в первые годы после заполнения водохранилищ. За первые десять лет отступание берегов может достигать сотен метров. Факторы способствующие этому процессу - крутой берег, сложенный легкоразмываемыми породами (например, лессами) и сильное волнение (зависящее от скорости ветра и длины разгона). По мере формирования аккумулятивной частцотмели процесс обра-зии затухает.

Влияние водохранилищ на реки и окружающую природу

Влияние водохранилищ на речной сток: 1) уменьшение расходов воды в многоводные фазы и увеличение их в маловодные; 2) уменьшение годового водного стока, особенно существенное в засушливых районах, вследствие увеличения испарения с поверхности водохранилищ по сравнению с испарением с суши; 3) уменьшение мутности реки и увеличение в связи с этим русловой эрозии в нижнем бьефе водохранилища; 4) ослабление перемешивания воды в водохранилище по сравнению с рекой и возникновение стратификации в водной толще по температуре, содержанию газов и другим характеристикам; 5) понижение температуры воды в теплую часть года и ее повышение в позднеосенний и зимний периоды; 6) возникновение полыньи в нижнем бьефе, способствующее образованию шуги; 7) более сильное разбавление сточных вод в водохранилище по сравнению с рекой в меженый период, в тоже время уменьшение самоочищающей способности вследствие ослабления перемешивания вод и уменьшения их контакта с дном и берегами; 8) "цветение воды", т.е. интенсивное развитие планктона в водохранилищах с последующим его разложением после отмирания и возникновением дефицита кислорода; 9) неблагоприятный газовый режим в водохранилище в первые годы его существования при плохой подготовке затопляемой территории; 10) затруднение или полная невозможность естественной миграции рыб по речной системе из-за сооружения плотин.

Влияние водохранилищ на окружающую среду:

1) затопление земель, часто наиболее плодородных, 2) подтопление  прилегающей территории, т.е. повышение  уровня грунтовых вод, влекущее  за собой заболачивание земель, гибель леса, появление воды в подвалах хозяйственных и жилых зданий; 3) потеря сельскохозяйственных угодий и разрушение зданий в результате разрушения берегов водохранилищ; 4) увеличение туманов в осеннее время, а в нижних бьефах и зимой при наличии значительной по площади полыньи.

 

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 образуют айсберги. На долю покровных ледников приходится подавляющая часть земного оледенения. 97% площади покровного оледенения приходится на Антарктиду и Гренландию.

Образование горных ледников связано с горными поднятиями. Среди них выделяют ледники вершин; ледники склонов, занимающие отдельные впадины, кары; долинные ледники, располагающиеся в горных долинах, часто имеющие сложную форму. К последней группе относятся самый крупный горный ледник Беринга на Аляске (длина 170 км), а также ледники Федченко на Памире (77км), Южный Иныльчек на Тянь-Шане (60км). Отдельные горные ледники, соединяясь, образуют ледниковые системы. Горные поднятия с наибольшей площадью оледенения (в тыс. км²): Гималаи (33), Тянь-Шань (17,9), Каракорум (16,3), Береговые хребты Кордильер Сев. Америки (15,4).

Виды льда в леднике:

Фирн - конгломерат бесформенных зерен льда размером 0,5-5 мм. Образуется в результате уплотнения и изменения кристаллической структуры (рекристаллизация) снега. Плотность ρ = 450-800 кг/м³.

Глетчерный  лед — результат рекристаллизации фирна при высоком давлении от вышележащих слоев фирна и снега; плотность 800-925 кг/м³.

Лед, образующийся путем замерзания талых и дождевых вод, просочившихся в толщу фирна, называется инфильтрационным, а на поверхности ледника - конжеляционным, или наложенным.

В процессе формирования льда играет роль явление режеляции — плавление льда под влиянием большого давления при температуре, близкой к 0°, и заполнение водой пор и трещин. При последующем замерзании происходит спаивание отдельных ледяных кристаллов, кусков льда и замерзших внутриледниковых водных потоков.

Площадь ледника, где  происходит накопление массы ледника, называется областью питания. Избыток льда под влиянием силы тяжести и градиентов давления смещается в область, где расход льда на таяние и испарение превышает его накопление. Это область абляции; у горных ледников ее часто называют языком ледника.

На перегибах ложа ледника образуются трещины, иногда ледопады. В теле крупных ледников обычно имеется система взаимосвязанных полостей, частично или целиком заполненных водой.

На поверхности и  в толще ледника или в близи  его краев часто встречаются скопления обломочного материала - морена. Она подразделяется на влекомую, которая находится в процессе перемещения ее ледником, и отложенную, т.е. ранеее принесенную ледником. Среди влекомых морен выделяют поверхностную (боковую и срединную), внутреннюю и придонную, а среди отложенной морены - береговую и конечную.

Уравнение баланса для  твердой фазы горного ледника:

Х_тв + Y_змрз + Y_мет + Y_лав = Y_тал +Z_л ± ∆U_л,

где Х_тв, - твердые осадки, Y_змрз - замерзание талых (повторное) и дождевых вод (образование инфильтрационного и конжеляционного льда), Y_мет и Y_лав - поступление на площадь ледника снега в результате его переноса ветром (метелевый перенос) и в виде лавин, Y_тал - таяние льда, Z_л - испарение льда (возгонка), ∆U_л - изменение массы льда. Основной элемент в приходной части баланса - Х_тв, в расходной F_m<M. Для малых ледников главным элементом прихода может оказаться Y_мет.

Уравнение баланса для  жидкой фазы ледника:

Х_ж + Y_тал + Z_конд = Y_ст +Z_л + Z_в ± ∆U_в,

где Х_ж - жидкие осадки на площадь ледника, Y_cm - сток воды за пределы ледника, Z_в и Z_конд - соответственно испарение воды и конденсация, ∆U_в - изменение запаса жидкой воды в теле ледника.

Суммируя оба вышеприведенных  уравнения, получим общее уравнение  массы ледника:

X + Y_мет + Y_лав + Z_субл + Z_конд = Y_ст + Z_л + Z_в ± ∆U,

где X = Х_тв+ Х_ж, ± ∆U - изменение общей массы ледника.

Для покровных ледников, омываемых морями, основной вид расхода  льда (до 80%) - образование айсбергов.

Под режимом  ледника понимают характер изменения его объема (массы) и формы, проявляющийся в наступании и отступании ледника. Эти колебания имеют различную продолжительность геологического, векового, многолетнего, внутригодового масштабов. Наступание ледников наблюдается обычно в холодные и влажные климатические периоды, отступание - в теплые и сухие. Во внутригодовом разрезе это соответственно зима и лето.

Движение ледника - перемещение (всегда в одном направлении) самих масс льда. Движение ламинарное. Скорость его (v_л) определяется формулой: v_л = k·h²_л·I_л, где h, - мощность (толщина) ледника, I_л - уклон поверхности ледника. Для большинства горных ледников и центральной части покровных ледников v, = 100-200м/год, в краевых частях покровных ледников v_л может достигать 10-20км/год и более.

Доля ледникового питания в речном стоке тем больше, чем больше оледенение бассейна:

оледенение бассейна (%)	15	30	50	70
доля ледникового питания  реки	30	45	55	60

Влияние ледников на водный режим рек:

- многолетнее регулирование  стока — в жаркие засушливые  годы снижение осадков компенсируется повышенным ледниковым питанием и наоборот;

- сезонное перераспределение  стока - перемещение половодья  с весеннего сезона на летний;

- возникновение внутрисуточных колебаний стока (на участках рек вблизи ледников).

 

IX. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

Запасы вод - объем природных вод, содержащихся во всех водных объектах.

Водные ресурсы — ежегодно возобновляемые запасы вод в процессе их круговорота на земном шаре. На практике они оцениваются величиной речного стока за год. В целом для земного шара - это 41,7 тыс. км³. Исходя из определения, сюда следует добавить сток в море подземных вод 2,2 тыс. км и 3 тыс. км воды с ледниками (в виде айсбергов).