Гидрологические процессы и явления.

В.В. АФОНИН, Ю.В. БОНДАРЕНКО, Б.В. ФИСЕНКО
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ
(интерактивный курс)
Саратов 2012
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Н.И. ВАВИЛОВА»
__________________________________________________________
В.В. АФОНИН, Ю.В. БОНДАРЕНКО, Б.В. ФИСЕНКО
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ
(интерактивный курс)
Учебно-практическое пособие
Саратов 2012
УДК 628.17:551.588.4(075.8)
ББК 26.222.5:28.080.1 (Я1)
Издание осуществляется при поддержке
Программы Темпус, грант Европейской
Комиссии 159188-TEMPUS-1-2009-1-PLTEMPUS-JPCR
Бондаренко Ю.В., Афонин В.В., Фисенко Б.В. Гидрологические процессы и явления (интерактивный курс): Учебнопрактическое пособие / Бондаренко Ю.В., Афонин В.В., Фисенко Б.В.
С.: Изд-во СГАУ, 2012. 122 стр.
ISBN
В учебном пособии в интерактивной форме показаны современные представления о гидрологических процессах и явлениях. Рассматривается круговорот воды на земном шаре и влияние на него
антропогенного фактора. Раскрываются основные законы гидрофизики, водного и теплового баланса, а также основные положения влияния гидрологических процессов на природные условия.
Представлена информация о процессах и явлениях, происходящих в природных водах. Описана биологическая продукция экосистем рек.
Предназначено для студентов направления подготовки 280100.68
«Природообустройство и водопользование»
Рецензенты: д.т.н., проф., А.И. Есин (ФГБОУ ВПО Саратовский
ГАУ); к.с.-х.н., доцент Н.Г. Левицкая (ГНУ НИИСХ Юго-Востока).
Данный материал опубликован при поддержке Европейского Союза. Содержание публикации является предметом ответственности
авторов и не отражает точку зрения Европейского Союза.
© Бондаренко Ю.В., Афонин В.В.,
Фисенко Б.В., 2012
© ФГБОУ ВПО СГАУ имени
Н.И. Вавилова, 2012
ISBN
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Одной из наиболее острых проблем современной гидрологии является разработка эффективных систем анализа, расчета и прогноза элементов
гидрологического режима водоемов суши с целью рационального и эффективного использования водных ресурсов и смягчения последствий опасных
гидрологических ситуаций.
Гидрологический режим – совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта. Гидрологический режим является закономерным, но все же лишь внешним проявлением некоторых более сложных внутренних процессов и явлений, свойственных водному объекту, или обусловленных его взаимодействием с
другими водными объектами, атмосферой, литосферой. Для их понимания
и раскрытия необходимо изучить некоторые как внутренние, так и внешние процессы и явления, воздействующие на режим водного объекта. Поэтому, очень важной задачей с научной и практической стороны является
изучение не только гидрологического режима, но и гидрологических процессов и явлений.
Гидрологические процессы – комплекс физических, химических,
биохимических и биологических процессов, происходящих в водных объектах и определяющих его гидрологический режим.
Чтобы познать гидрологический режим, необходимо вскрыть сущность гидрологических процессов, происходящих внутри водного объекта
(в его водной толще), на верхней и на нижней его поверхностях при взаимодействии водной массы, соответственно, с воздухом (атмосферой), дном
и берегами (литосферой). Кроме того, познать гидрологические процессы
в водном объекте невозможно без учета физико-географических условий
водосбора водного объекта и влияния хозяйственной деятельности.
3
Гидрологические явления - явления природы, являющееся результатом гидрологических процессов: сток, инфильтрация, испарение, паводок и т.п.
Таким образом, для познания гидрологических процессов в водных
объектах необходимо изучить, во-первых, явления, происходящие в водной толще, во-вторых, процессы на твердых границах водного объекта –
его дна и берегах, в-третьих, явления, происходящие на водной поверхности объекта – границе раздела вода – воздух, в-четвертых, взаимосвязь
водного объекта с его водосбором.
4
Часть I. Круговорот воды в природе и водные ресурсы земли
Модуль 1.1. Вода на земном шаре.
Вы будете изучать
- Количество воды на земном шаре.
- Изменение количества воды на земном шаре.
- Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем природных вод.
- Круговорот воды на земном шаре.
- Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл).
- Внутриматериковый влагооборот.
- Водообмен.
- Влияние антропогенного фактора на круговорот воды.
Цели модуля
- Изучить количественные характеристики воды на земном шаре.
- Рассмотреть круговорот воды и теплоты на земном шаре и роль в
нем природных вод.
- Дать представление о глобальном круговороте воды, внутриматериковом влагообороте и водообмене.
- Обсудить влияние антропогенного фактора на круговорот воды.
После изучения модуля вы сможете
- Иметь представление о количестве воды на земном шаре и о
его динамике.
- Знать основные закономерности и физические причины круговорота воды и теплоты на земном шаре.
5
- Понимать значение выражений: глобальный круговорот воды
(гидрологический цикл); внутриматериковый влагооборот; водообмен.
-
Проводить анализ и оценку влияния антропогенного фактора на
круговорот воды.
Основная литература
- Болгов М. В. Современные проблемы оценки водных ресурсов
и водообеспечения / М.В. Болгов, В.М. Мишон, Н.И. Сенцова.
- М.: науч. изд. «Наука» , 2005. – 318 с.
- Вода или нефть? Создание Единой Водохозяйственной Системы / Д.В. Козлов, И.П. Айдаров, Л.Д. Раткович, И.С. Румянцев
и др.; под общей редакцией проф., д.т.н. Д.В. Козлова. – М.:
МППА БИМПА, 2008 – 456 с.; ил. – (Научное издание).
- Данилов-Данильян В.И. Водные ресурсы – стратегический
фактор долгосрочного развития экономики России. – М, 2008.
- Михайлов В.Н. Гидрология: Учебник для вузов / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А. Добролюбов. – 2-е изд. исп. –
М.: Высш. шк., 2007. – 463 с.: ил.
- Яковлев С.В., Губий И.Г., Павлинова И.И. Комплексное использование водных ресурсов: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2008 – 383 с.
Дополнительная литература
- Государственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2007 году» – М.: НИА –
Природа, 2008 . – 408 с.
- Государственный водный кадастр. Обобщенные данные использования воды за 2006 г. – М.: ОАО Воднииинформпроект,
2007.
6
- Козлов Д.В., Раткович Л.Д. Использование и состояние водных
ресурсов в условиях современного развития водохозяйственного комплекса Российской федерации // Деловая слава России, вып. 1 (6), 2008. С. 20-26.
Ключевые слова
Круговорот воды, круговорот теплоты, гидрологический цикл, внутриматериковый влагооборот, водообмен, период условного водообмена; период условного возобновления вод, область внешнего стока, область внутреннего стока, антропогенный фактор.
7
1.1.1. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ
Важнейшей особенностью природных условий Земли является круговорот воды. Он осуществляет в глобальном, региональном и местном
масштабе обмена веществом и энергией, служит основой единства природы, обеспечивает возобновление части природных ресурсов и играет
решающую экологическую роль. Движение воды на планете сопровождается переносом растворенных и взвешенных веществ, теплоты, кинетической энергии. Вода – причина процессов выветривания, основа денудационных и эрозионно-аккумулятивных процессов.
Распределение суши и воды на земном шаре. Площадь поверхности
Земли 510 млн км2. Из этой площади водами Мирового океана покрыто 361
млн км2 (71 %), а площадь суши составляет 149 млн км2. В Северном полушарии соотношение воды и суши 61:39, в Южном 61:19. Таким образом,
более 2/з поверхности нашей планеты покрыто водной оболочкой, состоящей из океанов и морей; причем особенно существенно вода преобладает
над сушей в Южном полушарии.
Общая площадь водных объектов на поверхности суши (ледников,
озер, водохранилищ, рек, болот) составляет 21,5 млн. км2, или 14,4% площади суши. Если не учитывать ледники, то на остальные водные объекты суши останется всего 5,2 млн. км2 (3,5 % 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 объектов на земном шаре около 1390
млн. км3, при этом на долю Мирового океана приходится 96.4%. Из полных
объектов суши наибольшее количество воды содержат ледники – 25,8 млн.
8
км3 (1,86 % всех вод на Земле). Из этого количества воды на долю ледников
Антарктиды, Гренландии и островов Арктики приходится соответственно
89,8; 9,7 и 0,3 %. На горные ледники остается всего 0,2 %.
Большие сложности представляет оценка содержания воды в земной
коре (литосфере). Часть подземных вод, представленная капиллярными и
гравитационными водами, находящаяся на глубинах с абсолютными отметками под поверхностью суши до минус 2000 м и участвующая в круговороте
воды в природе, должна быть отнесена к гидросфере. Она оценивается гидрологами в 23,4 млн. км3 или 1,68 % общего объема вод на Земле. Некоторые исследователи приводят несколько большие величины: М. И. Львович –
60 млн. км3, А. Ф. Макаренко – 86,4 млн. км3. К водам, находящимся в литосфере, относят также подземные льды зоны многолетней («вечной») мерзлоты объемом 300 тыс. км3 (0,022 % объема всех вод).
Некоторый объем воды находится в живых организмах биосферы
(растениях и животных). Считают, что масса живого вещества на Земле
1,4·1012 т. Если принять, что содержание воды в живых организмах в среднем
80 %, то получим массу воды в организмах, равную 1,12·1012 т, что и дает
объем «биологической воды» немногим более 1 тыс. км3.
В атмосфере в среднем постоянно присутствует около 13 тыс. км3 влаги
в виде водяного пара, капель воды, кристалликов льда. При этом 90 % воды
находится в самом нижнем слое атмосферы – на высотах 0–5 км. Объем атмосферной влаги мог бы дать слой воды на поверхности Земли, равный
всего 25 мм.
Важное значение имеет оценка количества на Земле пресной воды –
наиболее ценных для человека природных ресурсов. Всего на планете 36,7
млн. км3 пресных вод (2,65 % общего объема вод). Главные аккумуляторы
пресной воды – ледники, пресные подземные воды, подземные льды в зоне
многолетней мерзлоты, пресные озера. Из общего количества пресных вод на
Земле на твердую фазу (лед) приходится 71 %, на жидкую фазу — 29 %.
9
1.1.2. ИЗМЕНЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ВОДЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ
За большую часть истории Земли, по мнению геологов, в результате
дегазации мантии выделялось в среднем не более 0,5–1 км3 воды в год. Полагают, что и в настоящее время из недр Земли поступает приблизительно
столько же воды.
С метеоритами и космической пылью на Землю ежегодно попадает в
виде льда около 0,5 км3 воды, т. е. величина в сравнении с полным объемом вод на планете ничтожная. Приблизительно столько же воды рассеивается с Земли в космическое пространство.
Объемы потерь и дополнительного поступления воды, о которых
только что шла речь, весьма невелики, и поэтому можно считать, что в течение достаточно длительного с геологической точки зрения периода времени (миллионы лет) количество воды на земном шаре оставалось приблизительно неизменным.
Очевидно, однако, что с течением времени происходит периодическое
перераспределение воды в самой гидросфере, причем главными элементами такой изменчивой системы оказываются Мировой океан и ледники. В
межледниковые периоды ледники тают и увеличивают объем воды в Мировом океане, в ледниковые периоды происходит обратный процесс – влага в
виде льда аккумулируется в ледниках, уменьшая объем Мирового океана.
Ряд исследователей полагают, что в ледниковые эпохи уровень Мирового
океана может понизиться на 110–120 м ниже современного, а в межледниковье – подняться на 10–15 м выше современного. Если бы растаяли все покровные ледники Земли, то уровень Мирового океана, по оценке В. М. Котлякова, поднялся бы по сравнению с современным на 64 м. Это привело бы
к затоплению огромных прибрежных территорий площадью около 12 млн.
км2 (8 % поверхности суши).
За последние 18 тыс. лет уровень Мирового океана повысился не менее чем на 100 м, что соответствует приращению объема вод в Мировом
10
океане на огромную величину – 37,5 млн. км3, или 2,8 %. В последние 5–6
тыс. лет уровень Мирового океана в целом стабилизировался при небольшой
тенденции к повышению. Стабилизировался в целом и объем воды в водных объектах суши. Однако более детальные исследования свидетельствуют
о том, что небольшое перераспределение воды между водными объектами
разных типов все же происходит.
По данным Р. К. Клиге (1985), за 82 года (1894—1975) произошло
некоторое перераспределение воды между сушей и Мировым океаном:
объем воды в водоемах суши (в основном за счет ледников и подземных
вод) уменьшился на 25,91 тыс. км3, а Мирового океана, наоборот, увеличился на эту же величину. Это должно было сопровождаться повышением
уровня Мирового океана с интенсивностью около 0,91 мм/год.
Более новые данные (Р. К. Клиге, 2000) указывают на то, что объем
вод в Мировом океане в настоящее время увеличивается на 610 км3 в год,
что должно давать прирост его уровня с интенсивностью 1,7 мм/год и
ускорение повышения уровня Мирового океана.
1.1.3. КРУГОВОРОТ ТЕПЛОТЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ И РОЛЬ
В НЕМ ПРИРОДНЫХ ВОД
Энергетической основой движения вод на Земле служат в первую
очередь солнечная радиация и тепловые процессы, а во вторую – сила тяжести. Поэтому прежде чем проанализировать закономерности круговорота воды на земном шаре, рассмотрим особенности круговорота теплоты на
Земле и роль в нем гидросферы.
Единственным внешним источником поступления теплоты на Землю
служит Солнце – излучаемая им коротковолновая радиация. Современная
средняя величина солнечной постоянной принимается равной 1367 Вт/м2.
Учитывая шарообразность Земли, можно получить, что на верхнюю гра11
ницу атмосферы поступает 1/4 указанной величины, т. е. 341,8 Вт/м2. С
учетом площади поверхности Земли (510 млн. км2) получим, что величина
приходящей к планете коротковолновой солнечной радиации составляет
341,8 Вт/м2·510·1012 м=1,743·1017 Вт или за «средний» год (365025 сут. =
31,56·106 с) 5,50·1024 Дж.
Тепловой баланс атмосферы и земной поверхности очень сложен (С.
П. Хромов, М. А. Петросянц, 2001). Для приближенной оценки теплового
баланса Земли воспользуемся схемой, предложенной М. И. Будыко (1980).
Эта схема относительно проста, но вполне достаточна, чтобы уяснить роль
гидросферы в тепловом балансе Земли.
Обычно принимают, что планетарное альбедо Земли равно 30 %. Это
означает, что 30 % коротковолновой солнечной радиации отражается Землей и уходит обратно в мировое пространство. Остальная часть солнечной
радиации (70 %, или 239,3 Вт/м2, а всего для планеты 12,20 · 1017 Вт, т. е. 3,85 ·
1024 Дж в год) поглощается атмосферой и земной поверхностью.
Земля в течение длительного времени сохраняет свое тепловое равновесие; это означает, что в мировое пространство должно уходить то же количество теплоты, что и поглощается Землей (239,3 Вт/м2), но уже в виде
длинноволнового излучения.
Поглощаемая Землей солнечная радиация (239,3 Вт/м2) расходуется,
по оценкам М. И. Будыко, следующим образом: 66 % поглощается земной
поверхностью, а остальные 34 % – атмосферой. Радиационный баланс земной поверхности (R) равен поглощенной этой поверхностью радиации за
вычетом эффективного излучения (I). На долю R и I приходится соответственно около 10 и 53 Вт/м2, или 44 и 22 % поглощенной всей Землей
солнечной радиации.
Большая часть радиационного баланса земной поверхности (84 %) тратится на испарение воды. Это количество теплоты (около 88 Вт/м2) составляет 37 % всей поглощенной Землей солнечной радиации.
12
Затраты такого большого количества теплоты на испарение воды, безусловно, оказывают регулирующее влияние на тепловые процессы на Земле,
и в этом проявляется важнейшая роль гидросферы в формировании климата
планеты. Отметим также, что такие большие затраты теплоты на испарение
обязаны одному из уникальных свойств самой воды – аномально большой
удельной теплоте испарения. Испарение воды – это основа круговорота воды.
Оставшаяся часть энергии радиационного баланса (16 % от R или 7%
от всей поглощенной планетой солнечной радиации) расходуется на турбулентный теплообмен с атмосферой.
Важно отметить, что огромное количество теплоты, затраченной на
испарение воды, полностью возвращается в атмосферу при конденсации
водяного пара. Эта «возвращаемая» теплота обогревает атмосферу и становится причиной ее активности, особенно в тропиках. Атмосфера, следовательно, получает теплоту из трех источников: поглощенной коротковолновой радиации (34 % всей солнечной радиации, перехваченной Землей),
прихода теплоты в результате конденсации водяного пара (37%) и турбулентного потока теплоты от земной поверхности (7%) (всего 78%). Вместе
с эффективным излучением земной поверхности (22%) это дает 100%, т.е.
сумму длинноволнового излучения всей Земли в мировое пространство, в
точности равное поглощенной планетой коротковолновой солнечной радиации.
Отношение эффективного излучения ко всему уходящему в мировое
пространство длинноволновому излучению, равному 0,22, значительно
меньше отношения поглощенной земной поверхностью радиации ко всей
приходящей к верхней границе атмосферы коротковолновой солнечной
радиации, равного 0,66. Это, как указывает М. И. Будыко (1980), и характеризует влияние парникового эффекта на тепловой баланс Земли. Парниковый эффект создают содержащиеся в атмосфере водяной пар, С02 и другие газы. По некоторым оценкам (Экологический энциклопедический словарь, 1999), энергетический вклад С02 в парниковый эффект составляет
13
около 50 Вт/м2. Увеличение концентрации С02 в XX в. повысило, по данным
Б. Болина (2003), антропогенное энергетическое воздействие С02 на парниковый эффект на 2,5 Вт/м2. Это относительно небольшое энергетическое
влияние С02 на приземную часть атмосферы оказалось достаточным, чтобы
повысить температуру воздуха на 0,6 °С.
Важно подчеркнуть различия в тепловом балансе поверхности суши и
Мирового океана. Установлено, что на суше на испарение воды затрачивается около 54% энергии радиационного баланса, а на поверхности океана –
уже более 90 %.
Океан, имея температуру поверхностного слоя в среднем более высокую, чем атмосфера (приблизительно на 3 °С), играет важнейшую роль в
глобальном теплообмене и обогревает атмосферу. По расчетам В. Н. Степанова (1983), в океане (в основном в его поверхностном слое) содержится
31,8·1027 Дж теплоты, что в 21 раз больше, чем в атмосфере.
Помимо отмеченного значения гидросферы в тепловом балансе Земли, необходимо обратить внимание на очень важную роль, которую она
играет в перераспределении теплоты на земной поверхности.
В целом для поверхности Земли радиационный баланс
теплоты на испарение и теплообмен с атмосферой
и затраты
полностью
балансируются, но на различных широтах это уже не наблюдается. В экваториальной части планеты
в приполярных районах соотно-
шение обратное. Чтобы избыток теплоты в низких и дефицит теплоты в
высоких широтах в целом для Земли балансировались, необходимо существование постоянно действующего механизма передачи теплоты из экваториальной зоны к полюсам. Осуществляют этот меридиональный перенос
теплоты в основном океанские течения. Физической причиной течений
служит неоднородность распределения плотности воды, а она, в первую
очередь, – различиями в температуре разных частей океана.
Следует добавить, что в результате неравномерного распределения
теплоты на земном шаре складывается неравномерное распределение атмо-
14
сферного давления, температуры воздуха и испаряемости, и также атмосферных осадков.
Заметим, что испаряемость (потенциально возможное, т. е. не лимитируемое запасами воды испарение в данном месте при существующих атмосферных условиях) и температура в целом повторяют кривую распределения
по широте радиационного баланса, от которой они зависят. Обращает на себя внимание и такой факт. В условиях арктического, субарктического, антарктического и субантарктического, а также частично умеренного и экваториального климата осадки х превышают теоретически возможное испарение (испаряемость z0); здесь наблюдается избыток влаги и расположены области с избыточным увлажнением («индекс сухости» z0/х <0,45, по М. И. Будыко) – арктические пустыни, тундра, лесотундра, альпийские луга и занятые лесами области с достаточным увлажнением (z0/х= 0,45 1,00). В условиях субтропического, тропического, субэкваториального и частично умеренного и экваториального климата отмечаются, наоборот, превышение испаряемости над осадками и дефицит влаги; здесь расположены области с недостаточным увлажнением (z0/х = 1,00 ÷3,00) – лесостепь, ксерофитная субтропическая растительность, а также сухие области полупустынь и пустынь
(z0/х >3,0). Условия увлажнения, как будет показано далее, играют важнейшую роль в формировании водного баланса и гидрологического режима
речных бассейнов, озер и морей.
1.1.4. КРУГОВОРОТ ВОДЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ
Круговорот воды на земном шаре – замечательная особенность гидросферы Земли и природных условий планеты в целом. Круговорот воды создает основной механизм перераспределения на Земле вещества и энергии, объединяет в единое целое не только водные объекты, но и разные части планеты. Круговорот воды на Земле – основа возобновляемости водных ресурсов.
15
В последнее время в России вместо термина «круговорот воды» стали
применять широко распространенный в западных странах термин «гидрологический цикл». Будем считать эти два понятия синонимами.
В круговороте воды на земном шаре (глобальном гидрологическом
цикле) проявляется единство природных вод Земли и их связь с атмосферой, литосферой, биосферой. В. И. Вернадский писал: «Любое проявление
природной воды – глетчерный лед, безмерный океан, река, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник - составляют единое целое, прямо или
косвенно, но глубоко связаны между собой, с земной атмосферой и с живым
веществом».
Физической причиной круговорота воды на земном шаре служат
солнечная энергия и сила тяжести. Солнечная энергия – это причина нагревания и последующего испарения воды. Неравномерное распределение по
Земле солнечной энергии приводит к неравномерному распределению атмосферного давления, вызывает воздушные потоки – ветры, переносящие
испарившуюся влагу (водяной пар) и создающие ветровые течения в океане.
Неравномерное распределение солнечной энергии приводит также к неравномерному распределению плотности воды в океане и, как следствие, к
возникновению плотностных течений.
Сила тяжести вынуждает сконденсировавшуюся в атмосфере при
благоприятных условиях влагу выпадать в виде атмосферных осадков, а
также все поверхностные и подземные воды стекать сначала к дренирующим местность рекам, а в конечном счете, к океану. Естественно, что стекание вод под действием силы тяжести объясняется наклоном поверхности
Земли и слоев в земной коре, что, в свою очередь, создается тектоническими
и геоморфологическими процессами.
В круговороте воды на земном шаре проявляются закономерности сохранения вещества и водного баланса. В уравнениях полного баланса Земли
в целом, и океана и суши, в частности, не учитывались ничтожные объемы
водообмена Земли с космическим пространством, а также затраты воды в
16
процессе фотосинтеза и несущественное поступление воды вследствие дегазации мантии. Эти величины заведомо во много раз меньше возможных
ошибок расчета других составляющих мирового водного баланса. Заметим
попутно, что наибольшую точность имеют данные об атмосферных осадках
на территории суши, о речном стоке, подтверждаемые прямыми наблюдениями. Наименьшую точность имеют данные об испарении и осадках в Мировом океане.
1.1.5. ГЛОБАЛЬНЫЙ КРУГОВОРОТ ВОДЫ
(ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ЦИКЛ)
В глобальном круговороте воды выделяют два звена: океаническое
звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл: испарение с поверхности океана – перенос водяного пара над океаном – осадки
на поверхность океана – океанические течения – испарение и т. д.; материковое звено, представляющее собой многократно повторяющийся цикл:
испарение с поверхности суши – перенос водяного пара – осадки на поверхность суши – поверхностный и подземный сток – испарение и т. д. Оба
звена связаны между собой переносом водяного пара с океана на сушу и,
наоборот, поверхностным и подземным стоком с суши в океан.
С океана ежегодно испаряется в среднем 505 тыс. км3, возвращается в
виде атмосферных осадков 458 тыс. км3. Испаряется с океана, таким образом, больше, чем возвращается с осадками.
Разность в 47 тыс. км3 составляют воды, которые переносятся с океана на сушу в виде водяного пара. Таким образом, в океаническое звено
круговорота воды на Земле вовлечено 458 тыс. км3 воды в год.
На поверхность суши ежегодно выпадает в среднем 119 тыс. км3 атмосферных осадков. Они слагаются из воды, испарившейся с поверхности
суши (72 тыс. км3), и влаги, принесенной с океана (47 тыс. км3) в год. Важ17
но отметить, что из 72 тыс. км3 испаряющейся ежегодно с поверхности
суши воды 30 тыс. км3 (42%) приходится на транспирацию растительным
покровом.
Водообмен между сушей и океаном составляет, как уже сказывалось,
47 тыс. км3 в год. Переносимая с океана влага возвращается в него с равным ей по величине материковым стоком. Материковый сток (47 тыс. км3
воды в год) слагается из поверхностного (44,7 тыс. км3 в год) и подземного, не дренируемого реками (2,3 тыс. км3 в год). Поверхностный сток, в
свою очередь, включает водный сток рек, впадающих в океан (41,7 тыс.
км3 в год), и ледниковый сток (3,0 тыс. км3 в год). Последний представляет
собой разгрузку покровных ледников в виде откалывающихся от него айсбергов и поступление непосредственно в океан талой воды из покровных
ледников. Наибольшую часть ледникового стока дает Антарктида (2,3 тыс.
м3 в год).
По данным аэрологических измерений установлено, что полный перенос влаги на сушу равен 101 тыс. км3 в год. В обратном направлении – с
суши на океан – переносится около 54 тыс. км3 в год. Полагают, что из этих
54 тыс. км3 воды одна часть (19 тыс. км3) – результат испарения океанической воды, выпавшей над сушей в виде осадков, а другая – 35 тыс. км3 – та
же океаническая вода, прошедшая над сушей «транзитом».
При исследовании гидрологических процессов на суше очень важно
учитывать, что суша подразделяется на две части — области внешнего стока, откуда выпавшие атмосферные осадки так или иначе поступают в Мировой океан, и области внутреннего стока (бессточные области), не дающие
стока в Мировой океан. На долю областей внешнего стока приходится 80 %
площади суши, на долю областей внутреннего стока (бессточных) – 20 %.
Главный водораздел земного шара делит всю сушу на два склона: первый
– со стоком рек в Атлантический и Северный Ледовитый океаны и второй –
со стоком рек в Тихий и Индийский океаны. Главный водораздел проходит
по Южной и Северной Америке от мыса Горн по Андам, Скалистым горам
18
до Берингова пролива, по восточному нагорью Азии, пересекает его в широтном направлении, а затем продолжается вдоль восточной окраины Африки к ее южной оконечности. К бассейну Северного Ледовитого океана
относится 15 % всей площади суши, Атлантического – 34, Тихого – 17,
Индийского – 14 %.
К наиболее обширным областям внутреннего стока (бессточным областям) относятся: в Европе – водосборный бассейн Каспийского моря; в
Азии – обширная Туранская низменность, включающая водосборные бассейны Аральского моря и оз. Балхаш, пустыни Алашань, Гоби, ТаклаМакан, часть Аравийского полуострова и др.; в Африке – пустыни Сахара,
Ливийская, Нубийская, Калахари, водосборы озер Чад, Рудольф и др.; в Северной Америке – пустыня Большого Бассейна, включая район Большого
Соленого озера и др.; в Южной Америке – водосборы озер Титикака – Поопо, полупустынные плато Патагонии и др.; в Австралии – западная и центральная части материка (более 50 % всей его площади).
В областях внешнего стока ежегодно выпадает 110 тыс. км3 осадков, а
испаряется 63 тыс. км3. Разница (47 тыс. км3) и составляет материковый
сток в океан. В областях внутреннего стока выпадает в общей сложности 9
тыс. км3 осадков в год, и весь этот объем воды в конечном счете испаряется.
Все крупнейшие реки мира дренируют области внешнего стока, но и в
областях внутреннего стока (бессточных областях) имеются довольно крупные реки с суммарным стоком около 1 тыс. км3 в год. Среди этих рек Волга, Амударья, Сырдарья, Или. На долю Волги приходится около ¼ стока
всех рек бессточных областей. Реки в бессточных областях несут свои воды
в замкнутые бессточные озера, где эти воды и испаряются.
1.1.6. ВНУТРИМАТЕРИКОВЫЙ ВЛАГООБОРОТ
Осадки на любом участке суши складываются из «внешних», сконденсировавшихся из водяного пара, пришедшего извне, и «внутренних» (или
19
местных), сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности
данного конкретного участка суши. Этот сложный многократно повторяющийся процесс называется внутриматериковым влагооборотом.
Важной характеристикой внутриматерикового влагооборота служит
отношение внешних и внутренних (местных) осадков х А / хZ или отношение
всех осадков к внешним осадкам х / х A . Последнюю величину называют коэффициентом влагооборота: К вл  х / х A  ( x A  xZ ) / x A  1  xZ / x A .
По О. А. Дроздову,
К вл  1  zL /( 2ua),
(1)
где z  испарение с рассматриваемого участка суши; L  длина участка; и – средняя скорость воздушного потока; а – среднее влагосодержание
воздуха на наветренной стороне участка. Из выражения (1) следует, что интенсивность внутриматерикового влагооборота тем больше, чем больше
размер территории и больше испарение, и тем меньше, чем больше влагосодержание приходящего извне воздуха. Для небольших по площади участков суши К в л приближается к 1. Величина К в л свидетельствует о возможностях влагообеспечения территории за счет местных ресурсов воды. В засушливых районах К в л меньше, в увлажненных – больше. В среднем для частей
света получены следующие величины К в л : Европа – 1,42; Азия –1,62; Африка
–1,42; Северная Америка – 1,54; Южная Америка –1,68; Австралия – 1,14.
1.1.7. ВОДООБМЕН
В пределах каждого водного объекта происходит обмен вод. Его интенсивность весьма приближенно может быть охарактеризована с помощью
коэффициента условного водообмена Кв, представляющего собой отношение
приходных или расходных членов уравнения водного баланса к среднему
объему вод в водном объекте V. В общем виде это отношение равно:
20
КВ 
где
Y1  W1  X Y2  W2  Z

,
V
V
– приток поверхностных вод к водному объекту;
(2)
– приток
подземных вод к водному объекту; X– осадки на его поверхность;
поверхностных вод из водного объекта;
екта;
– отток
– фильтрация вод из водного объ-
– испарение с его поверхности. Все характеристики, кроме V, изме-
ряются в м3 или км3 в год, V – в м3 или км3. При вычислении для водных объектов некоторых типов в формуле (2) могут отсутствовать отдельные члены:
например, для ледников
= 0,
практически равны нулю, для океана
~ 0. Слово «условный» введено в понятие для интенсивности водо-
обмена в водном объекте из-за того, что в действительности быстрой и полной замены «старых» вод «новыми» не происходит (не все части водного
объекта в равной мере участвуют в обновлении вод). Поэтому коэффициент
водообмена весьма приближенно (условно) характеризует действительное
обновление вод. Таким образом, коэффициент условного водообмена Кв
показывает, сколько раз в году сменяются воды в водном объекте (при Кв>
1) или какая часть объема воды сменяется в течение года (при Кв<1).
Величина, обратная коэффициенту условного водообмена, называется
периодом условного водообмена или периодом условного возобновления вод:
(3)
Величина
характеризует время, в течение которого произойдет
полная замена вод в водном объекте при принятом выше допущении;
из-
меряют в годах, если Кв> 1, и в долях года (ее можно выразить в сутках),
если Кв< 1. Так, например, в процессе ежегодного водообмена с атмосферой
и сушей принимает участие 505 тыс. км3 океанических вод, т. е. всего 0,04 %
их общего объема. Период условного возобновления вод Мирового океана
составит: 1338·106/505 · 103 = 2650 лет. Годовой сток всех рек (41,7 тыс. км3)
почти в 20 раз больше объема воды, единовременно в них находящегося
(2,12 тыс. км3). Поэтому воды в реках должны возобновляться в среднем за
2120/41700 = 0,051 года, или 19 дней. Заметим, что сооружение водохрани21
лищ на реках привело к увеличению объема воды, находящейся в речной
сети, и, соответственно, к возрастанию периода условного водообмена.
1.1.8. ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННОГО ФАКТОРА НА КРУГОВОРОТ
ВОДЫ
Важная и новая задача современной гидрологии – это оценка влияния
хозяйственной деятельности на процессы круговорота воды и водные ресурсы.
В минувшем столетии существенно возросли объемы безвозвратного
водопотребления. Однако заметного влияния на круговорот воды в масштабах всей Земли или даже континентов и крупных регионов эти объемы
воды, по-видимому, не оказали, так как изъятие воды из водных объектов
должно было с неизбежностью привести к увеличению испарения и внутриматерикового влагообмена и, следовательно, атмосферных осадков, и хотя
бы частично компенсировать потери вод. Поэтому применительно к континентам, а тем более к планете в целом термин «безвозвратные потери» может использоваться лишь условно. Конечно, безвозвратное (в традиционно
понимаемом смысле) водопотребление существенно влияет на водные ресурсы небольших регионов, отдельных речных бассейнов и водоемов. Так,
вследствие изъятия воды на орошение существенно сократился сток многих
рек Индии, уменьшился сток в устьях рек Днепра и особенно Амударьи,
Сырдарьи, Терека.
Единственным антропогенным фактором, действительно оказавшим
влияние на круговорот воды и приведшим к изъятию из этого круговорота
некоторого объема воды, было накопление воды в водохранилищах. Создание водохранилищ привело к уменьшению притока вод в океан и к некоторой задержке наблюдавшегося повышения его уровня.
22
Глобальное потепление климата, перераспределение вод между отдельными объектами гидросферы и повышение уровня Мирового океана,
как полагает ряд ученых, также имеют в основном антропогенные причины.
На территории России выделяют три группы районов (рис. 1), различающиеся по степени и характеру изменения русел рек под влиянием антропогенных факторов.
Рис. 1. Районирование территории России по степени и характеру
воздействия антропогенных факторов на реки (Р.С. Чалов)
По степени измененности русел малых и средних рек: 1 - неизмененные реки
(встречаются отдельные участки локально измененных русел, связанные с мостовыми и
другими переходами, лесоразработками, лесосплавом и т.д.), 2- местные изменения
факторов и руслового рельефа, 3 - региональные изменения факторов русловых процессов, формы русел и продольного профиля рек, 4 - урбанизированные и градопромышленные районы, 5 - полное изменение русел рек под влиянием горнодобывающей
промышленности, 6 - бессточные области.
Антропогенные факторы региональных изменений русел малых и средних рек, 7 ускоренная эрозия почв, 8 - преимущественно обводнительные мелиорации, 9 - преимущественно осушительные мелиорации, 10 - промышленные узлы и городские агломерации, 11 - районы добычи полезных ископаемых.
Формы воздействия на большие реки, 12 - водохранилища и каскады водохранилищ, 13 -нижние бьефы крупных гидроузлов, 14 - водозабор в крупных размерах, 15 противопаводочное обвалование, 16 - карьеры песчано-гравийной смеси, 17- дноуглубительные и выправительные работы на водных путях, 18 - крупные устьевые каналы
23
В первую группу входят наиболее экономически развитые и густонаселенные районы, в пределах которых практически на всех реках в той или
иной мере изменены факторы русловых процессов, повсеместно осуществляются различные мероприятия в руслах и на берегах рек. Многие реки
превращены в каскады водохранилищ (прудов – на малых реках), сток воды
зарегулирован. Почти сплошная сельскохозяйственная освоенность территории, проведение осушительных или обводнительных мелиораций обусловили изменения режима стока воды, поступление в реки наносов – продуктов эрозии почв на водосборах. На судоходных реках проводятся мероприятия по регулированию русел для улучшения условий судоходства.
Многие участки рек канализованы, вдоль них возведены дамбы обвалования для предотвращения наводнений, в руслах находятся карьеры стройматериалов. Значительная доля стока рек расходуется на водозабор для мелиорации, промышленности, коммунального хозяйства. В этих условиях
изменения рек, как правило, являются необратимыми.
К этой группе районов относятся южная половина европейской части
России (от широты верхней Волги), равнины Северного Кавказа, юго-запад
(Южное Зауралье) и юго-восток (степной Алтай) Западной Сибири, Кузнецкая котловина. На этом общем фоне выделяются регионы, где развитие
рек полностью подчинено техногенному воздействию. Таковы высоко урбанизированные территории: Москва и Подмосковье, российская часть
Донбасса с прилегающими к нему промышленными районами, охватывающими бассейн нижнего Дона, Средний и Южный Урал и Зауралье, Кузбасс. В то же время в пределах этой группы районов отдельные речные бассейны и реки сравнительно мало изменены хозяйственной деятельностью:
верхняя Ока, верхний и средний Дон и их притоки. Кроме того, если большинство восточноевропейских рек изменены одновременным воздействием нескольких антропогенных факторов, то в других регионах такая же, а
иногда и большая степень трансформации русел достигнута вследствие гипертрофированного проявления одного из них. На Северном Кавказе таким
24
фактором стала обводнительная мелиорация, сопровождающаяся изъятием
большого количества воды из рек в магистральные каналы. В бассейне
нижнего Дона массовая мелиорация и эрозия почв на поливных землях
стали главной причиной заиления и деградации малых рек.
Вторую группу районов составляют регионы, в которых большинство
рек сохраняет естественный или близкий к нему русловой режим и, следовательно, свои речные экосистемы. Они охватывают горные страны и север, слабо освоенные в экономическом отношении или характеризующиеся
локальным, очаговым распространением промышленных и горнодобывающих узлов, сельскохозяйственных земель. Таковы бассейны Северной
Двины, Мезени и Печоры, рек Карелии и Кольского полуострова, Кавказа,
большей части Западной и Восточной Сибири, Лены, рек северо-востока
России и Приохотья. Здесь выделяются крупные судоходные реки, на которых дноуглубительные и отчасти выправительные работы стали важным
фактором русловых процессов (Северная Двина, нижняя Вычегда, Печора,
верхняя и отдельные участки средней и нижней Лены). В восточном регионе многие реки, главным образом малые, местами сильно изменены разработкой в их руслах и на дне долин россыпных месторождений полезных
ископаемых (бассейны верхнего Алдана, верхнего Вилюя, верхней Колымы, Омолоя). Местное воздействие на состояние русел рек оказывают лесозаготовки, вывоз и сплав древесины, освоение нефтегазовых месторождений, горнопромышленные узлы типа Норильского.
Промежуточное положение по степени проявления антропогенных
факторов в руслоформирующей деятельности рек занимает третья группа
районов, протягивающаяся полосой вдоль юга Сибири и включающая
Приамурье и Приморье (кроме горных сооружений). Здесь, хотя и велико
использование рек и их ресурсов, многочисленны инженерные сооружения
на берегах и переходы через них, трансформация природных факторов развития рек в целом незначительна, а изменения рек, приведшие к необратимым изменениям речных экосистем, носят преимущественно местный ха25
рактер, будучи приурочены к бьефам крупных гидроузлов или промышленным узлам. Там, где созданы крупные водохранилища или их каскады
(Обь ниже Новосибирского водохранилища, верхний Енисей, Ангара, Зея),
расположены такие крупные центры, как Новосибирск, Омск, Иркутск,
Красноярск, реки оказываются достаточно глубоко преобразованными. В
тоже время даже малые реки вне зон, непосредственно прилегающих к городам, находятся в естественном состоянии. В восточных районах многие
реки изменены вследствие разработки месторождений россыпных полезных ископаемых. Локальное воздействие оказывают лесозаготовки, лесосплав, освоение нефтегазовых месторождений.
?
Контрольные вопросы
1.
Понятие гидрологического режима, гидрологического процесса, гидрологического явления.
2.
Краткая характеристика распределения воды и суши на Земле.
3.
Радиационный баланс земной поверхности.
4.
Расход энергии радиационного баланса.
5.
Источники получения теплоты атмосферой. Понятие радиационного
баланса.
6.
Парниковый эффект, его возникновение и последствия.
7.
Понятие испаряемости и «индекса сухости».
8.
Значение солнечной энергии в круговороте воды на земном шаре.
9.
Значение силы тяжести в круговороте воды на земном шаре.
10.
Понятия океанического и материкового звеньев.
26
11.
Главный водораздел земного шара; области внешнего и внутреннего
стока.
12.
Понятие внутриматерикового влагооборота; коэффициент влагооборота.
13.
Коэффициент условного водообмена.
14.
Период условного возобновления вод.
15.
Влияние антропогенного фактора на круговорот воды.
27
МОДУЛЬ 1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Вы будете изучать
- Законы физики и их использование при изучении водных объектов.
- Водный баланс.
- Круговорот содержащихся в воде веществ и их баланс.
- Тепловой баланс.
- Закономерности движения природных вод.
- Расход, энергию, работу и мощность водных потоков.
- Силы, действующие в водных объектах.
- О влиянии гидрологических процессов на природные условия.
Цели модуля
- Изучить основные законы физики и возможность их использования при исследовании водных объектов.
- Рассмотреть составные элементы водного баланса водного
объекта и участка суши.
- Дать представление о круговороте содержащихся в воде веществах и их балансе, тепловом балансе.
- Изучить закономерности движения природных вод, их гидравлические и энергетические характеристики.
- Рассмотреть, действующие в водных объектах физические силы и устойчивость масс воды по вертикали.
- Оценить влияние гидрологических процессов на природные
условия.
28
После изучения модуля вы сможете
- Иметь представление об основных законах физики и возможности их использования при исследовании водных объектов.
- Знать основные элементы водного баланса водного объекта и
участка суши.
- Представлять сущность круговорота содержащихся в воде веществ и их баланса, теплового баланса.
- Знать закономерности движения природных вод, их гидравлические и энергетические характеристики.
- Иметь представление о действующих в водных объектах физических силах и о влиянии гидрологических процессов на природные условия.
Основная литература
- Козлов Д.В. Основы гидрофизики. Учебное пособие. – М.: Издво МГУП. 2004. – 246 с.
- Михайлов В.Н. Гидрология: Учебник для вузов / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А. Добролюбов. – 2-е изд. исп. –
М.: Высш. шк., 2007. – 463 с.: ил.
- Методика расчета водохозяйственных балансов водных объектов (утв. приказом МПР РФ от 30 ноября 2007 г. № 314) //
http://www. garant.ru/prime/20080123/2063817.htm.
Дополнительная литература
- Яковлев С.В., Губий И.Г., Павлинова И.И. Комплексное использование водных ресурсов: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2008 – 383 с.
29
- Государственный водный кадастр. Обобщенные данные использования воды за 2006 г. – М.: ОАО Воднииинформпроект,
2007.
- Козлов Д.В., Раткович Л.Д. Использование и состояние водных
ресурсов в условиях современного развития водохозяйственного комплекса Российской Федерации // Деловая слава России, вып. 1 (6), 2008. С. 20-26.
Ключевые слова
Водный баланс, тепловой баланс, расход воды, энергия воды, работа
и мощность водного потока, гравитационное, напорное и плотностное движение вод, фрикционное течение, инерционное движение воды, вертикальная устойчивость вод, нейтральная устойчивость.
30
1.2.1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ФИЗИКИ И ИХ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Гидрологические процессы протекают в соответствии с фундаментальными законами физики, поэтому гидрология широко использует
сформулированные в классической физике (при скоростях движения,
намного уступающих скорости света) законы сохранения вещества, тепловой и механической энергии, количества движения.
Закон сохранения вещества (массы) означает неизменность массы в замкнутой (изолированной) системе. Применительно к открытым природным
системам, какими являются водные объекты, закон сохранения вещества
определяет равновесие между приходом, расходом вещества и изменением
его массы в пределах объекта. Это относится не только к воде, но и к
находящимся в ней наносам (взвесям), солям, газам и другим веществам.
Количественным выражением закона сохранения вещества для водных объектов служат уравнения баланса воды, наносов (взвесей) и растворенных веществ (солей, газов). Применительно к водному объекту (или его
части) и к любому замкнутому контуру на поверхности суши уравнение баланса вещества за некоторый интервал времени
можно записать в виде
(4)
где
– масса вещества, поступающего к данному объекту (контуру)
извне и образующегося из других веществ в пределах объекта (контура);
–
масса вещества, удаляемого за пределы объекта (контура) и затрачиваемого
при его преобразовании в другие вещества в пределах объекта (контура);
– изменение за время
массы вещества в пределах объекта (контура), равное
разнице массы вещества в конечный и начальный моменты времени:
. Единицами измерения членов уравнения (4) служат единицы
массы (кг). Однако члены уравнения баланса вещества в гидрологии нередко
выражают также и в единицах объема (воды, наносов, солей). Но это возмож31
но лишь при неизменной или мало изменяющейся плотности вещества. Замена единиц массы на единицы объема возможна, например, при анализе
водного баланса пресноводных водных объектов, где плотность воды мало
отличается от 1000 кг/м3.
Уравнение (4) может быть названо уравнением баланса массы вещества в интегральной форме, так как оно рассматривает суммарное изменение массы за некоторый промежуток времени
. Если отнести все члены
уравнения (4) к единице времени, т. е. разделить на
, то получим уравне-
ние баланса массы вещества в дифференциальной форме. В этом случае
члены правой части уравнения имеют размерность расхода вещества (кг/с).
Закон сохранения тепловой энергии характеризует неизменность
энергии в замкнутой (изолированной) системе с учетом возможного перехода одного вида энергии в другой. Применительно к открытым природным системам, какими являются водные объекты, закон сохранения тепловой энергии определяет условие баланса прихода и расхода теплоты и изменения теплосодержания объекта.
Количественным выражением закона сохранения тепловой энергии
применительно к любому объему воды (водному объекту) или замкнутому
контуру суши служит уравнение теплового баланса, которое для интервала
времени
можно записать в виде:
(5)
где
– теплота, поступающая к данному объекту (контуру) извне и
выделяющаяся в пределах объекта (контура) при переходе части механической энергии в тепловую, а также при ледообразовании, конденсации
водяного пара, разложении некоторых веществ;
– теплота, удаляемая
за пределы объекта (контура), затрачиваемая в пределах объекта (контура)
на испарение воды, плавление льда, химические и биохимические процессы;
– изменение за время
содержания теплоты в объекте, равное
, где m – масса объекта;
– его удельная теплоемкость при посто32
янном давлении,
– изменение температуры
. Едини-
цы измерения членов уравнения (5) – единицы теплоты (Дж).
Закон сохранения механической энергии означает, что полная энергия какой-либо механической системы складывается из потенциальной
(
) и кинетической
) энергии и остается всегда постоянной с уче-
том потерь энергии на трение:
(6)
где
– диссипация энергии (переход части механической энергии
в тепловую в результате трения).
Закон сохранения механической энергии применительно к водным
объектам определяет характер перехода потенциальной энергии (энергии
покоящейся воды) в кинетическую энергию движущегося Полного потока.
Единицы измерения членов уравнения (6) – единицы энергии (Дж).
Закон сохранения количества движения (импульса) гласит, что в
пределах замкнутой (изолированной) механической системы количество
движения остается неизменным:
= 0, где m – масса системы, ее уско-
рение. Применительно к открытым системам, к которым относятся и все
водные объекты, закон сохранения количества движения (импульса)
трансформируется в закон изменения количества движения (импульса), который означает, что изменение количества движения (импульса) открытой
системы равно сумме всех внешних сил, действующих на эту систему.
Упомянутый закон есть результат распространения на открытую систему
второго закона механики, или второго закона Ньютона. Закон изменения
количества движения (импульса) лежит в основе изучения закономерностей динамики вод во всех водных объектах. Количественным выражением
закона изменения количества движения (импульса) служит уравнение
движения, которое применительно к любому объему воды может быть записано в виде
33
,
где m – масса выделенного объема;
сти движения этого объема;
(7)
изменение средней скоро-
– сумма действующих на этот объем
внешних объемных (массовых) и поверхностных сил. Объемные (массовые) силы действуют на весь объем воды, поверхностные действуют лишь
на его грани. Единицы измерения членов уравнения (7) – единицы силы
(Н, или кг∙м/с2). Нередко члены уравнения (7) выражают в единицах ускорения (путем деления на массу) или в безразмерной форме (путем деления
на вес выделенного объема mg).
Все процессы, протекающие в водных объектах и состоящие в изменении массы или объема воды, ее минерализации, химического состава,
температуры, характеристик ледового режима, параметров движения водного потока и т. д., представляют собой реакцию водных объектов на изменение составляющих баланса вещества, тепловой и механической энергии и действующих сил под влиянием внешних и внутренних факторов.
1.2.2. ВОДНЫЙ БАЛАНС
Для водного объекта или замкнутого контура суши и для любого интервала времени
уравнение сохранения вещества (4) можно записать в
виде уравнения баланса объема (его обычно называют уравнением водного баланса):
,
где
– атмосферные осадки на поверхность объекта;
ностный приток воды извне;
денсация водяного пара;
екта;
(8)
– поверх-
– подземный приток воды извне;
– кон-
– поверхностный отток воды за пределы объ-
– подземный отток воды за пределы объекта;
– изменение объема воды в пределах объекта (контура).
34
– испарение;
При использовании уравнения (8) необходимо иметь в виду следующие обстоятельства: 1) атмосферные осадки х учитываются как в жидком (дождевые), так и в твердом (снег) виде. 2) приток (
(
) или отток
) поверхностных и подземных вод может осуществляться как есте-
ственным, так и искусственным путем (например, при подаче воды из-за
пределов объекта, заборе поверхностных вод, откачке и закачке подземных вод); 3) конденсацию
тают из испарения
нередко объединяют с осадками
; 4) испарение
ния с водной поверхности,
может складываться из
или вычи– испаре-
– испарения с поверхности снега или льда,
– испарения с поверхности почвы,
кровом (транспирации); 5) член уравнения
– испарения растительным попредставляет собой измене-
ние объема воды в водном объекте (водоеме, водотоке) или изменение содержания воды в почве, водоносных горизонтах, снежном покрове и т. д.
Определяют
соотношением приходной и расходной частей уравнения
водного баланса: если приход воды больше расхода, то происходит накопление воды (повышение уровня) в пределах объекта или контура и
> 0;
если приход воды меньше расхода, то идет сработка запасов накопленной
ранее воды (понижение уровня) в пределах объекта или контура и
<0.
Члены уравнения (8) обычно выражают либо в величинах слоя (мм,
см, м), либо в объемных единицах (м3, км3). В первом случае для обозначения членов уравнения можно использовать строчные буквы (х, у, z….),
во втором – прописные (X, У, Z….). Пересчет одних величин в другие
возможен по формулам вида
, где F– площадь поверхности объ-
екта. Если F выражена в км2, х– в мм, а X– в м3, то a= 103; если же X выражен в км3, то а = 10-6. Члены уравнения (8) иногда выражают в единицах массы (например, для ледников).
В гидрологии метод водного баланса широко применяют при изучении многих гидрологических процессов, например формирования стока
воды в речных бассейнах, режима ледников, колебания уровня озер и мо-
35
рей и т. д. Метод заключается в составлении уравнения водного баланса
вида (8) для изучаемого объекта; анализе его членов, выявлении соотношения между ними, определении главных составляющих и их вклада в
водный баланс (выявлении их доли в расходной или приходной части
уравнения); проверке трудно поддающихся определению членов уравнения по другим, легче поддающимся определению; оценке точности расчета отдельных членов уравнения; определении в ряде случаев неизвестных
членов по известным. Так, в гидрологии довольно часто испарение (с водной поверхности, с поверхности участка суши, снега или льда) определяют как «остаточный» член уравнения водного баланса по известным
остальным его членам.
1.2.3. БАЛАНС СОДЕРЖАЩИХСЯ В ВОДЕ ВЕЩЕСТВ
К числу наиболее распространенных веществ, содержащихся в воде
и участвующих вместе с водой в ее глобальном круговороте, относятся растворенные в воде соли, взвешенные вещества и газы. Для этих веществ есть,
однако, и другие способы переноса, помимо водного.
Круговорот солей. С поверхности океана в атмосферу при выбросе
волнением и физическом испарении ежегодно выносится в среднем 5,0
млрд. т солей, возвращается обратно 4,5 млрд. т с атмосферными осадками и
пылеватыми частицами. Разница (0,50 млрд. т) – это соли, которые переносятся в атмосфере с океана на сушу. Значительно больше солей поступает
ежегодно с суши в океан (4,53 млрд. т). Последняя величина складывается из
поступления солей с речными (3,1 млрд. т), ледниковыми (0,03 млрд. т) и
подземными (1,2 млрд. т) водами, а также при растворении речных взвесей
(0,2 млрд. т). Основным источником этих солей служит процесс растворения горных пород поверхностными и подземными водами
36
Расчет переноса солей на земном шаре проведен с учетом их средней
концентрации в атмосферных осадках и ледниковых водах – 8–10 мг/л, в
речных и подземных водах 75 и 545 мг/л соответственно. Некоторое постоянное накопление солей в бессточных областях не учитывалось.
Таким образом, на земном шаре происходит направленный процесс
выноса солей с суши в Мировой океан в размере 4,53–0,50 ~ 4 млрд. т/год.
Общее количество солей, растворенных в водах Мирового океана,
равно, по В. Н. Степанову (1983), 46,5·1015 т. При объеме вод в океане
1338 млн км3 это дает среднюю соленость воды около 35 %о. В обмене солями океана с атмосферой и сушей участвует не более 4 млрд. т/год, что составляет всего около одной десятимиллионной доли общего запаса солей в
океане. Поэтому повлиять сколько-нибудь заметно на изменение запаса солей в океане и соленость самой океанической воды даже длительное поступление солей с суши не может, тем более что часть приносимых солей
осаждается на дно океана.
Наносы — это содержащиеся в водных объектах твердые, в основном
минеральные, частицы, поступающие в воду в результате эрозии земной
поверхности и вымывания из грунта и переносимые водой во взвешенном
или влекомом состоянии.
Круговорот наносов на земном шаре может проявляться лишь в геологическом масштабе времени, когда в разных районах планеты сменяется
характер эрозионно-аккумулятивного цикла: эрозия осадочных пород на
материке – смыв наносов в океан и формирование толщи отложений на дне
океана – тектоническое поднятие толщ морских отложений и превращение
их в сушу – эрозия этих отложений и т. д. В каждый же конкретный момент
времени можно говорить лишь о направленном поступлении наносов с суши в Мировой океан.
Одновременно с этими глобальными эрозионно-аккумулятивными
циклами геологического масштаба времени происходит и перераспределение солей на земном шаре, о чем речь шла выше: растворяются на суше
37
главным образом осадочные породы океанического происхождения. Они-то
и становятся источником солевого стока рек.
Основным переносчиком продуктов эрозии на поверхности суши служат сток талых и дождевых вод по склонам, сток вод в верхних звеньях
русловой сети речных бассейнов.
Годовой сток взвешенных наносов рек мира при средней мутности
речных вод 0,375 кг/м3 составляет 15,7 млрд. т (по В. В. Алексееву и К. Н.
Лисициной), что дает смыв с поверхности суши к среднем 150 т/км2, или
0,1 мм/год. Фактическая эрозия поверхности суши на несколько порядков
превышает величину эрозии, рассчитанную по стоку наносов рек в их замыкающих створах. Превышение фактической эрозии над рассчитанной по
стоку наносов объясняется тем, что огромные массы грунта, смытого плоскостным и ручейковым стоком, накапливаются у подножья склонов, большие объемы наносов отлагаются в устьях и на конусах выноса оврагов, ручьев, небольших речных притоков, на речных поймах и т. д. Различие между
суммарным объемом эрозии и стоком наносов рек увеличивается с ростом
площади речного бассейна.
В суммарном стоке наносов рек в среднем 90–95 % приходится на
взвешенные и 5–10% на влекомые наносы.
В Мировом океане постоянно находится приблизительно 1370 млрд.
т взвеси. Это наносы, поступающие с реками, но не успевшие еще осесть,
продукты размыва берегов и взмучивания волнами грунтов дна в прибрежной зоне, частицы, приносимые ветром, взвеси органического происхождения.
Круговорот газов. Из газов, участвующих в круговороте веществ в
природе, наибольшее значение имеют кислород 02 и диоксид (двуокись)
углерода С02.
Содержание кислорода в воде – главное условие жизнедеятельности
водных организмов. Приходные составляющие баланса кислорода в воде –
это поступление (растворение) кислорода из атмосферы, продукция кисло38
рода в процессе фотосинтеза; расходные составляющие баланса 02 – это
биохимическое потребление кислорода (БПК) при разложении органического вещества, химическое потребление кислорода (ХПК) при химическом
окислении, потери кислорода при дыхании организмов и удалении в атмосферу.
Фотосинтез, в результате которого образуется органическое вещество, поглощается С02 и выделяется кислород, идет под действием солнечного света и в присутствии хлорофилла в зеленых организмах.
В атмосфере содержится 1184·1012 т кислорода, в океане его 7,5 ·1012
т, т. е. почти в 160 раз меньше.
Кислород в океан поступает в результате фотосинтеза фитопланктоном (154 млрд т/год), а также с дождевыми и речными водами (3,6 млрд.
т/год) и при поглощении из атмосферы (54,8 млрд. т/год). Основными потребителями кислорода являются биохимические процессы в океане (потребление растениями и животными, окислительные процессы и т. д.). На эти
процессы уходит 151 млрд. кислорода в год. В атмосферу выделяется в год
61,4 млрд. т кислорода. В итоге, по В. Н. Иваненкову, океан ежегодно отдает атмосфере 61,4-54,8 = 6,6 млрд. т кислорода.
На суше в результате фотосинтеза ежегодно продуцируется кислорода почти столько же, сколько дает фитопланктон (около 150 млрд.
т/год). Часть кислорода над сушей тратится на биохимическое потребление.
Потребление кислорода на сжигание топлива составляло во всем мире
в 1980 г. приблизительно 25 млрд. т/год. По некоторым расчетам, к 2000 г.
этот вид безвозвратной траты кислорода атмосферы должен был достигнуть
57 млрд. т/год.
Таким образом, общий баланс кислорода на планете положительный,
а основным источником пополнения атмосферы кислородом служит фотосинтез.
39
В отличие от кислорода диоксид углерода С02 частично взаимодействует с водой и растворенными в воде карбонатами, образуя угольную кислоту и включаясь в карбонатную систему.
Диоксид углерода поступает в водные объекты при окислении органического вещества (дыхание водных организмов, различные виды биохимического распада и окисления органического вещества), при подводных
вулканических извержениях, с речным стоком. Количество С02 уменьшается в водных объектах прежде всего вследствие процесса фотосинтеза. С02
расходуется также на растворение карбонатов и химическое выветривание
минералов.
Изменяется содержание С02 также вследствие взаимодействия водных
объектов и атмосферы. И гидросфера, и атмосфера взаимно регулируют содержание С02 в воде и воздухе. Полагают также, что океан служит огромным
планетарным «насосом» для С02: он поглощает его в высоких широтах, где в
связи с низкой температурой воды существенно возрастает растворимость
газов, и отдает атмосфере в низких, куда по глубинным горизонтам поступает вода из приполярных районов.
Баланс С02 в атмосфере очень сложен и недостаточно изучен. По современным представлениям, наблюдаемое увеличение концентрации С02 в
атмосфере на 3/4 обусловлено его выбросами в результате сжигания органического ископаемого топлива и на 1/4 связано с изменением характера землепользования (сведение лесов, осушение болот и др.). В настоящее время
человечество ежегодно сжигает более 4,5 млрд. т угля и 3,5 млрд. т нефти и
нефтепродуктов.
Количество диоксида углерода в атмосфере на протяжении истории
Земли существенно уменьшалось, в то время как содержание кислорода
увеличивалось. Уменьшение содержания С02 сопровождалось понижением
температуры воздуха: при снижении концентрации С02 с 0,6 до 0,3%о, т. е. в
2 раза, температура понизилась на 2,5 °С. С мелового периода средняя температура на Земле снизилась на 11°С.
40
В доиндустриальный период концентрация С02 в атмосфере составляла около 0,280 %о; в последующем резко возросла до 0,368 %о. К 2100 г.
концентрация С02
,
согласно прогнозам МГЭИК, может увеличиться до
0,540—0,970 %о, что будет на 93 – 246 % больше, чем в доиндустриальный
период. Существует неопределенность в оценке карбонатного обмена между атмосферой, Мировым океаном и поверхностью суши, а также неопределенность, связанная с темпами экономического развития общества в будущем, объемом ожидаемых выбросов С02 в атмосферу, характером защитных мер и т. д. Поэтому разброс возможных значений содержания С02 в
атмосфере в конце XXI в. может быть еще больше – от 0,490 до 1,260 %о.
Изменения содержания С02 в атмосфере уже привели и могут привести в дальнейшем к существенным изменениям климата и состояния гидросферы.
Как указывалось ранее, в воде могут находиться во взвешенном или
растворенном состоянии различные вещества – наносы (взвеси), растворенные соли, газы и т. д. При изучении их режима учитывается закон сохранения массы этих веществ (см. уравнение (4)).
Во многих случаях эти вещества поступают в водные объекты и
удаляются из них вместе с водой (например, с поверхностным и подземным стоком). Поэтому изучение баланса и режима взвешенных и растворенных веществ необходимо вести на основе анализа водного баланса, т.
е. с использованием уравнения (8). При рассмотрении баланса солей, а
также некоторых химических элементов и газов необходимо учитывать
сложные химические и биохимические процессы, происходящие в водных
объектах и приводящие либо к дополнительному поступлению этих веществ в воду, либо к удалению их из воды. К числу таких процессов относятся, например, образование органического вещества в результате фитосинтеза и разложение органического вещества.
При изучении баланса взвешенного или растворенного вещества часто используют данные не о массе этих веществ, а об их концентрации C,
41
выраженной в кг/м3 или мг/л. В этих случаях масса данного вещества в
объеме воды
, где V– объем воды, a – множитель, зависящий от
размерности концентрации C: при размерности кг/м3 а=1, при размерности г/м3 (или мг/л) а= 10-3.
1.2.4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
Уравнение теплового баланса (5) для любого объема воды или
участка суши и интервала времени
ставляющие прихода теплоты
должно включать различные со-
и ее расхода
.
Наиболее важный член уравнения теплового баланса – радиационный баланс R, представляющий собой разность между количеством суммарной коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой поверхностью воды или суши
, и эффективным длинноволновым излучением
этой поверхности I:
.
где
– прямая,
(9)
– рассеянная солнечная радиация, r– альбедо по-
верхности, т. е. отношение количества отраженной солнечной радиации к
количеству поступающей, I– эффективное излучение, равное разности
между излучением поверхности воды или суши в атмосферу и поглощенным встречным излучением атмосферы.
Ряд членов уравнения теплового баланса связан с поступлением или
удалением теплоты с поверхностными или подземными водами. Соответствующие приходные и расходные составляющие теплового баланса обозначим через
где
и
и представим как
и
—приток (индекс +) или отток (индекс -) теплоты с поверхностны-
ми водами,
—то же, с подземными.
42
В уравнении теплового баланса учитывают также теплообмен с атмосферой
и грунтами
, обусловленный различиями в температуре
воды и воздуха, воды и грунтов. Соответствующие приходные члены
уравнения (при поступлении теплоты из атмосферы и от грунтов) обозначим через
и
, а их сумму —через
+
. Аналогично
сумма расходных членов теплообмена (при удалении теплоты в атмосферу
и в грунт) записывается как
+
.
Большое количество теплоты расходуется (выделяется) при фазовых
переходах. Поступление теплоты обозначим через
.
Эти
члены
уравнения
равны
и
где
затрату – через
соответственно
- выделение
теплоты при ледообразовании (замерзании воды) и конденсации водяного
пара,
– затраты теплоты на плавление льда и испарение воды.
Вместе с дополнительными положительными членами – поступле-
нием теплоты с атмосферными осадками
, а также вследствие перехода
части кинетической энергии в тепловую (диссипации энергии
) урав-
нение теплового баланса (5) записывается в виде
(10)
Все члены уравнения (10) выражают в единицах теплоты (Дж) или
относят к единице массы (Дж/кг), объема (Дж/м3), площади объекта
(Дж/м2). Соответственно и изменение теплосодержания
жаться как
будет выра-
, где V– объем объекта;
– его
плотность; h – толщина слоя (получают путем деления объема V на площадь F);
– удельная теплоемкость воды при постоянном давлении.
Зная количественное выражение различных членов уравнения теплового баланса, можно рассчитать величину
менение температуры
. При
=0и
43
, а затем определить и из-
,= 0, т.е. температура объекта
не изменяется. При
> 0 температура объекта повышается (
<О, наоборот, понижается (
>0), при
<0).
Метод теплового баланса широко используют в гидрологии для исследования изменений температуры воды в реках, озерах, океанах и морях. Как и метод водного баланса, он заключается в составлении и анализе
уравнения вида (10) и его членов, проверке или расчете трудно поддающихся определению членов уравнения. Уравнение теплового баланса
можно использовать, например, для расчета количества растаявшего льда
или воды, испарившейся с поверхности водоемов или участков суши.
1.2.5. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД
Свойство текучести обусловливает постоянное движение воды в
природных объектах: внешние и внутренние силы перераспределяют ее во
времени и пространстве. Движется и лед, обладающий пластичностью.
Для анализа основных закономерностей движения воды введем некоторые обозначения. Выразим через u скорость течения в любой точке,
через v среднюю скорость движения всей массы воды (в слое, потоке и т.
д.), причем в общем случае примем, что
и
, где
х, у, z – пространственные координаты, t – время. Продольную ось х обычно направляют вдоль потока параллельно его поверхности, у – поперек потока, вертикальную ось z – от поверхности ко дну.
Движение воды можно классифицировать по изменению гидравлических характеристик водного потока во времени и в пространстве, по
гидродинамическому режиму (ламинарное, турбулентное), по состоянию
водной поверхности (спокойное, бурное), а также по действующим физическим силам.
44
Движение воды считают установившимся (стационарным), если скорость течения во времени не изменяется (
), и неустановившимся (не-
стационарным), если скорость течения во времени – величина переменная
(
). Установившееся движение, в свою очередь, подразделяют на
равномерное, если скорость течения вдоль потока остается неизменной
(
), и неравномерное, если скорость течения вдоль потока изменяется
(
). При равномерном движении равна нулю и полная производ-
ная скорости (
).
Выделяют два гидродинамических режима движения воды: ламинарный и турбулентный. Слово «ламинарный» происходит от латинского
слова, означающего «слоистый», слово «турбулентный» – от латинского
слова, означающего «беспорядочный». И действительно, при ламинарном
режиме частицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания; при турбулентном режиме их движение имеет хаотический
характер, в потоке формируются вихри и активизируются процессы перемешивания воды, скорости течения непрерывно изменяются по величине и
направлению. Ламинарный режим может переходить в турбулентный при
увеличении скорости течения. Гидродинамический режим потока характеризуется безразмерным числом Рейнольдса Re, равным
(11)
где v – средняя скорость течения, м/с; h – глубина потока или толщина
слоя воды, м; v — кинематический коэффициент вязкости, м2/с; зависящий от
характера жидкости и ее температуры.
Критическое значение числа Рейнольдса Rekp, соответствующее переходу от ламинарного к турбулентному режиму, лежит приблизительно в
диапазоне от 300 до 3000.
45
Если фактическое число Рейнольдса в водном потоке больше 3000 –
режим турбулентный, меньше 300 – ламинарный, в диапазоне Re от 300 до
3000 – переходный.
В реках, озерах, морях и океанах число Re всегда значительно больше критического значения, и режим движения воды турбулентный. Ламинарный режим характерен для подземных вод в мелкозернистых грунтах
(вследствие малых размеров пор и малых скоростей движения воды) и для
ледников (вследствие очень большой вязкости льда и очень малых скоростей его движения).
От гидродинамического режима зависит внутреннее трение в потоке
и вертикальное распределение скоростей течения.
В ламинарном потоке возникающее между смежными слоями воды
внутреннее касательное напряжение (трение на единицу поверхности) зависит от вязкости, которая, в свою очередь, изменяется с изменением температуры, и равно
(
, где
– динамический коэффициент вязкости
), du/dz – вертикальный градиент скорости течения. В турбулент-
ном потоке внутреннее касательное напряжение зависит уже не от вязкости воды, а от так называемого коэффициента турбулентного обмена А,
характеризующего интенсивность турбулентного перемешивания вод:
,
(12)
где du/dz – вертикальный градиент осредненной во времени скорости
течения. Для определения коэффициента А обычно используют эмпирические зависимости, связывающие его с глубиной, скоростью течения и другими характеристиками потока.
В ламинарном потоке вертикальное распределение скоростей течения описывается формулой параболы с горизонтальной осью, расположенной на поверхности потока. Максимальная скорость находится на поверхности потока, у дна скорость течения равна нулю. Для турбулентного
потока исследователи предлагают различные математические выражения
46
для распределения скоростей течения по глубине: логарифмическая кривая, часть эллипса, парабола и т. д. Максимальная скорость во всех этих
случаях также находится на поверхности потока. Важно подчеркнуть, что
скорость течения в турбулентном потоке (и это подтверждается данными
наблюдений) изменяется по вертикали более плавно, чем в ламинарном,
причем у дна скорость течения не равна нулю. Этим объясняются размывающее воздействие турбулентных потоков (в отличие от ламинарных) на
дно и их способность перемещать частицы наносов по дну. По состоянию
водной поверхности потоки делят на спокойные и бурные. Спокойные потоки имеют плавную форму водной поверхности, препятствия обтекаются
ими также плавно. Бурные потоки имеют неровную форму водной поверхности со стоячими волнами, в местах препятствий образуются резкие
перепады уровня. Для определения состояния потока (спокойное или бурное) используют безразмерное число Фруда Fr, равное
(13)
где h – глубина потока, м; g – ускорение свободного падения, м/с2.
При числе Fr, равном 1, поток находится в критическом состоянии. Если
чисто Фруда больше 1, то поток бурный, если меньше 1 – спокойный.
Бурные потоки характерны для горных рек, спокойные – для равнинных
рек и течений в водоемах.
Нельзя отождествлять бурные и турбулентные, спокойные и ламинарные потоки, так как характеристики этих движений воды качественно
различные. Спокойные потоки, например, могут быть как ламинарными,
так и турбулентными, бурные – всегда турбулентные.
47
1.2.6. РАСХОД, ЭНЕРГИЯ, РАБОТА И МОЩНОСТЬ ВОДНЫХ ПОТОКОВ
Расход воды – это количество воды, протекающее через поперечное
сечение потока в единицу времени.
Расход воды – одна из важнейших гидрологических и гидравлических характеристик, применяемых при исследовании различных водных
объектов – рек, озер, морей, а также ледников, лавин (в последних случаях
говорят о расходе льда, снега). Выражают расход воды обычно в объемных единицах (Q, м3/с). Если рассматривают расход массы вещества (воды, льда, снега), то используют единицы массы (
, кг/с, где
–
плотность данного вещества).
Расход воды может быть представлен как произведение площади
поперечного сечения потока (w, м2) на среднюю скорость движения воды
(v, м/с):
.
(14)
Кинетическая энергия движущейся воды Екин выражается формулой
Екин =mv2/2.
За время
(15)
масса воды m, переместившейся через данное попереч-
ное сечение, равна
поэтому для кинетической энергии полного по-
тока получим выражение
.
Потенциальная энергия массы воды
(16)
равна
Епот=mgH,
(17)
где Н – высота центра тяжести объема воды над некоторой плоскостью отсчета, например уровнем моря. Выразив m через
.
48
получим
(18)
Вода, перемещаясь вниз на высоту
, совершает работу A, равную:
.
Мощность такого водного потока (
(19)
) равна:
(20)
А, как и
,
, выражают в Дж, N– в Дж/с или Вт.
По формулам (15) – (20) можно оценить энергию, работу и мощность не только движущейся воды, но и перемещающегося льда и снега.
1.2.7. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ
Строгая математическая интерпретация законов движения воды с
учетом всех действующих физических сил возможна лишь на основе
трехмерного гидродинамического анализа. Для понимания наиболее общих закономерностей движения природных вод достаточно рассмотреть
более упрощенную задачу. Для этого выделим в водном объекте некоторый объем воды в виде параллелепипеда.
Пусть выделенный объем воды массой m движется, не деформируясь, как единое целое в направлении уклона водной поверхности со средней скоростью v. В этом случае на объем воды будут действовать следующие объемные (массовые) и поверхностные силы.
К объемным (или массовым) силам, действующим на весь объем воды и приложенным к его геометрическому центру, относятся сила тяжести
Fg и ее продольная составляющая
, центробежная сила Fu и отклоняю-
щая сила вращения Земли (сила Кориолиса) Fk.
Поверхностные силы, действующие на вертикальных гранях выделенного объема, подразделяются, в свою очередь, на нормальные, направленные перпендикулярно граням (это силы давления Р), и касательные,
действующие вдоль граней (это силы трения Т). Различают силу трения у
49
дна Тдно и силу трения, обусловленную действием ветра на водную поверхность Тветр (считается, что неподвижный воздух тормозящего действия на
движущуюся воду практически не оказывает).
Для математического представления объемных (массовых), нормальных и касательных поверхностных сил используют соответственно
следующие выражения:
и
,
рение; S – площадь боковой грани;
, где m – масса; а – уско-
– давление на единицу площади;
удельное трение (касательное напряжение). Размерность
и
–
– Н/м2. Все
перечисленные силы, действующие на рассматриваемый объем воды,
можно представить в следующем виде.
Сила тяжести, действующая вертикально вниз, равна Fg,=mg, а ее
продольная составляющая, действующая вдоль уклона водной поверхности, равна
,
где
ды;
(21)
– угол между горизонтальной плоскостью и поверхностью во=
– уклон водной поверхности (величина безразмерная);
– падение уровня вдоль участка
.
Центробежная сила действует лишь в случае изгиба траекторий движущихся частиц воды и направлена перпендикулярно потоку в сторону от
центра кривизны. Эта сила равна
, где
– центробежное ускоре-
ние, равное v2 r (v – скорость течения воды, r– радиус изгиба потока), т. е.
.
(22)
Сила Кориолиса действует на любое движущееся тело и направлена
перпендикулярно движению в Северном полушарии – вправо, в Южном –
влево. Она равна Fk,=mak , где ак – ускорение Кориолиса, равное
( – угловая скорость вращения Земли, равная
,
– географическая широта места), т. е.
.
50
(23)
Масса выделенного объема т может быть представлена во всех
формулах как
, где
верхней или нижней граней, равная
– плотность воды; S – площадь
.
Трение на дне Тдно равно: Тдно =
где
=
, а удельное трение
(касательное напряжение) согласно законам гидродинамики может быть
выражено следующим образом:
,
где
—
(24)
коэффициент гидравлического сопротивления (трения). Экспе-
риментами установлено, что при ламинарном движении
числа Рейнольдса:
зависит от
=а/Rе, а при турбулентном – не зависит. Поэтому,
для касательного напряжения на дне
при ламинарном режиме:
=
.
(25)
Для турбулентного режима свою силу сохраняет формула (24).
В формулах (24) и (25)
ным путем. Коэффициент трения
и а – коэффициенты, определяемые опытзависит от шероховатости поверхности
дна и обычно изменяется от 1 ∙ 10-3 до 8 ∙ 10-3; a = 3.
Обращает на себя внимание тот факт, что касательное напряжение на
дне при ламинарном движении зависит от скорости течения в первой степени и вязкости, а при турбулентном – от скорости течения во второй степени и не зависит от вязкости.
Таким образом, для ламинарного и турбулентного режимов движения
воды получим соответственно два разных выражения для трения на дне:
,
(26)
(27)
где
=
.
Трение на поверхности воды, обусловленное действием ветра, определяют по формуле
, где
51
(28)
Здесь
– коэффициент трения на границе раздела движущийся воз-
дух – вода, равный приблизительно 2,6· 10-3;
– плотность воздуха (1,293
кг/м3 – при нормальном атмосферном давлении); W– скорость ветра, м/с;
–
угол между направлением движения воды и направлением ветра. При попутном ветре
>0, при встречном
жение для
<0; в последнем случае выра-
, получает отрицательный знак. Выражение для трения вет-
ра на водной поверхности таким образом будет следующим:
,
где
=
(29)
.
Все перечисленные силы можно подразделить на активные и пассивные. Активные силы вызывают движение воды, пассивные (или вторичные) лишь сопутствуют движению воды. К активным силам относятся продольная составляющая сила тяжести, продольный градиент давления, сила
трения, если она обусловлена воздействием ветра на водную поверхность. К
пассивным силам, возникающим только при наличии движения, относятся
сопутствующие движению сила трения на дне, центробежная сила, сила
Кориолиса.
1.2.8. ВЛИЯНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА
ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ
Современные климатические условия. Благодаря большой массе воды на поверхности Земли и особенностям ее тепловых свойств гидросфера
Земли регулирует тепловые процессы, поглощая в среднем 77 % поступающей к земной поверхности солнечной энергии, передавая ее затем в атмосферу в результате испарения и последующей конденсации водяного пара
(84 % всего радиационного баланса Земли), а также путем турбулентного
52
теплообмена. Гидросфера, таким образом, выступает в качестве мощного
нагревателя атмосферы и всей Земли.
Широтная климатическая зональность земного шара – в основном
следствие неравномерного поступления солнечной радиации; обусловленного сферичностью Земли и наклоном земной оси. Кроме того, огромные
массы льда, находящиеся в приполярных областях Земли оказывают сильное охлаждающее влияние на районы, расположенные в высоких широтах,
усугубляя, таким образом, широтную зональность. Если бы приполярные
льды растаяли, то климат на Земле стал бы более теплым и однородным. Подобная климатическая обстановка была на планете, по-видимому, в неогеновом периоде (несколько миллионов лет назад). Вместе с тем природные
воды, чьи тепловые свойства зависят от распределения солнечной радиации по широтам, сами существенно влияют на перераспределение теплоты в
меридиональном направлении: с морскими течениями теплота из районов
ее накопления (низкие широты) переносится в районы ее расходования
(высокие широты), что выравнивает современные тепловые различия на
разных широтах.
Метеорологические условия. Хотя метеорологические условия на
планете и их изменчивость определяются атмосферной циркуляцией, роль в
этом природных вод также очень велика. Во-первых, многие основные
свойства самой атмосферы – результат воздействия на нее гидросферы.
Общие закономерности распределения атмосферного давления, пассатные и
муссонные ветры, облачность и другие факторы зависят от распределения
суши и воды на земном шаре и различия в их нагреве. Во-вторых, определяемое общей циркуляцией атмосферы перемещение воздушных масс сопровождается их трансформацией над водными объектами (нагревание или
охлаждение, насыщение влагой и т. д.). Основным источником осадков на
Земле служит Мировой океан.
Крупные изменения климата. Крупные изменения климатических
условий, в частности общее похолодание Земли, начавшееся с мелового
53
периода, и периодические оледенения в четвертичное время, существенно
влиявшие и на облик планеты, и на развитие на ней жизни, ученые пытаются объяснить многими причинами – астрономическими (изменения параметров земной орбиты, скорости вращения Земли, наклона земной оси),
геологическими (тектонические процессы, катастрофические вулканические
извержения, приводящие к уменьшению прозрачности атмосферы), радиационными (изменение солнечной постоянной, альбедо земной поверхности)
и др. Однако в некоторых гипотезах не привлекаются эти «внешние» причины изменения климата, а делается попытка вывести изменения из закономерностей «внутренних» процессов взаимодействия гидросферы и атмосферы. Весьма интересны (хотя и дискуссионны) гипотезы о существовании
глобальной автоколебательной системы атмосфера ↔ гидросфера и ее подсистем атмосфера ↔ океан, атмосфера ↔ ледники и ледники ↔ океан.
В настоящее время отмечается заметное потепление климата. Объем
материковых ледников медленно уменьшается, о чем свидетельствует продолжающееся повышение уровня Мирового океана. По-видимому, этот
процесс будет продолжаться и дальше.
Эрозионно-аккумулятивные процессы на земном шаре. Геоморфологический облик современной суши, да и довольно обширной прибрежной зоны океанов и морей, без всякого сомнения, сформировался под
огромным и в ряде случаев решающим воздействием гидрологических процессов. Помимо, пожалуй, ветровой эрозии, во всех других проявлениях экзогенных природных процессов непосредственная или косвенная роль воды
очевидна: физико-химическое выветривание горных пород немыслимо без
участия воды; эрозионно-аккумулятивные процессы на суше, абразия морских берегов, формирование дельтовых равнин и шельфа, подводных каньонов и глубоководных конусов выноса – все это результат мощного воздействия гидрологических процессов. Эрозионно-аккумулятивные процессы в
речных бассейнах изменяют горные системы, сформировавшиеся в результате эндогенных процессов (тектоника, вулканизм и др.).
54
В современном рельефе суши многочисленные формы обязаны своим
происхождением эрозионной, транспортирующей и аккумулирующей роли
текущей воды (овраги, речные долины, русла рек и их поймы и т.д.). Песчаные пустыни Средней Азии и Африки, лессовые плато в Азии – также,
по-видимому, результаты аккумулятивной работы древних рек. Ледники
также создают при своем движении специфические формы рельефа (троговые долины, моренные холмы, гряды и т.д.).
Взаимосвязь природных вод и биосферы. Биосфера, согласно учению
В. И. Вернадского, – это оболочка Земли, состав, структура и энергетика
которой в существенных чертах обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов. Биосфера охватывает часть атмосферы, поверхностные воды и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны
сложными биохимическими процессами, – миграцией вещества и энергии.
Как было показано выше, в появлении на Земле жизни, ее развитии и распространении ведущая роль принадлежит воде. Границы биосферы и гидросферы практически совпадают.
Размещение организмов на планете в целом подчиняется климатической зональности, но существенно зависит от наличия воды и ее физикохимических свойств. Основной средой обитания животных служит океан.
Растения заселяют и океан и сушу; в последнем случае их распространение
во многом определяется тремя факторами: поступлением тепла, характером
почв и, что особенно важно, наличием воды.
Водные объекты служат местом обитания многих организмов гидробионтов. По месту обитания и характеру перемещения бионты подразделяются на планктон (организмы, находящиеся в водной толще во взвешенном
состоянии, не способные самостоятельно перемещаться на большие расстояния и переносимые в основном течениями), нектон (животные, обитающие в водной среде, приспособленные к активному плаванию и способные самостоятельно перемещаться в пространстве на большие расстояния),
бентос (организмы, обитающие на дне), нейстон (организмы, прикрепляю55
щиеся к поверхностной пленке воды и передвигающиеся по ней сверху –
эпинейстон или снизу – гипонейстон).
Планктон подразделяют на фитопланктон (различные водоросли), зоопланктон (простейшие, кишечнополостные, ракообразные и др.) и бактериопланктон (бактерии). Нектон представлен в водной среде высшими животными (киты, тюлени и др.), рыбами и некоторыми моллюсками.
Бентос подразделяют на фитобентос (высшие водные растения) и зообентос (живущие на дне черви, моллюски, иглокожие и др.). К нейстону
относятся простейшие, одноклеточные водоросли, клопы-водомерки, жукивертячки, личинки насекомых и др.
Растения, живущие в воде, подразделяют на гидрофиты (растения,
погруженные в воду только своей нижней частью) и гидратофиты (растения, погруженные в воду полностью или большей своей частью).
Решающее влияние на жизнь гидробионтов оказывают условия их
питания. Часть гидробионтов относится к автотрофным организмам, развивающимся путем поглощения из воды растворенных веществ или синтеза
органического вещества в присутствии света (например, фитопланктон). Автотрофные организмы (в основном зеленые растения) также называют продуцентами. Организмы, питающиеся готовым органическим веществом, т. е.
другими растительными или животными организмами, называются гетеротрофными (рыбы, ракообразные, водные млекопитающие и др.). К гетеротрофам относятся также бактерии, грибы, питающиеся органическим детритом. Гетеротрофные организмы иногда называют консументами: это макроконсументы (в основном животные) и микроконсументы, или деструкторы (в основном бактерии).
Основными количественными показателями интенсивности биологических процессов в водных объектах служат биомасса и продукции.
Биомасса – это общее количество органического вещества в живых организмах в данном водном объекте и в данный момент времени. Биомассу
выражают либо в единицах массы, либо относят к единице объема воды (г/м3)
56
или площади дна (г/м2, кг/га). Увеличение биомассы связано с ростом и размножением организмов, перемещением из смежных районов, уменьшение –
с гибелью, перемещением за пределы рассматриваемого объекта, изъятием
для хозяйственных нужд (выловом).
Свойство водных объектов воспроизводить органическое вещество в
виде живых организмов называется биологической продуктивностью, количественной характеристикой которой служит продукция, т.е. приращение
биомассы за некоторый интервал времени.
При этом важнейшую роль играет так называемая первичная продукция, т. е. органическое вещество, создаваемое автотрофными организмами,
в основном в процессе фотосинтеза. Гетеротрофные организмы лишь преобразуют органическое вещество.
Противоположного характера процесс связан с деструкцией, или
разложением органического вещества, ведущим механизмом которого являются окислительные процессы. Разложение органического вещества может быть полным, и тогда продуктами его распада будут С02, NH4, Н20 и
др., или неполным. В последнем случае не полностью разложившиеся
остатки растительности формируют слои торфа, сапропелита, горючих
сланцев, бурого и каменного угля, а остатки водных живых организмов (в
первую очередь беспозвоночных) – слои органогенных морских осадочных
пород, например известняки, состоящие из раковин фораминифер, кораллов, брахиопод, моллюсков и т.д.
Водные объекты по условиям питания гидробионтов подразделяют
на олиготрофные (биогенных веществ мало, планктон развит слабо), евтрофные (большое содержание биогенных и органических веществ, бурно
развивается фитопланктон), дистрофные (в воде содержатся вредные для
развития жизни вещества, наблюдается недостаток кислорода), мезотрофные (водные объекты со средними условиями питания).
57
Евтрофирование – это процесс повышения биологической продуктивности водных объектов в результате накопления биогенных веществ
под действием естественных или антропогенных факторов.
В результате усиленного развития в водном объекте растений и микроорганизмов, а затем их гибели ухудшается качество воды – уменьшается
ее прозрачность, появляются неприятные вкус и запах, повышается величина рН, возникают дефицит кислорода и заморные явления.
Полагают, что евтрофирование водных объектов начинается, если
содержание фосфора в воде превысит, по некоторым данным, 10-30 млг/л.
Благоприятным условием для развития водных организмов отвечает содержание кислорода в воде не менее 4 мг/л.
Вода как важная часть входит в состав всех организмов в количестве
от 60 до 99,7%. В наземных растениях 70-90% воды, в водорослях 90-98 %.
Медузы на 95-98 % состоят из воды, в рыбах ее около 70 %. Млекопитающие содержат 63-68 % воды. Сам человек на 65 % состоит из воды.
Вода также необходима для жизнедеятельности организмов: ее потребляют и животные и растения. Огромные объемы воды фильтруют самые распространенные на Земле животные – беспозвоночные (простейшие, кишечнополостные, моллюски, губки, ракообразные и др.), живущие
в водах океана и водоемов суши. Большие количества воды (близкие к величине речного стока) пропускают через себя растения. Главный механизм
этого процесса – поднятие воды по капиллярам тканей растений и транспирация (физиологическое испарение).
Водные экосистемы могут быть подразделены не только на упомянутые выше типы, но и по иерархической подчиненности: глобальная экосистема Мирового океана вместе с речной сетью его водосбора; изолированные водные экосистемы областей внутреннего стока; крупные водные объекты (океаны, речные системы); отдельные реки, озера, моря, водохранилища, болота; их крупные части (притоки, дельты, заливы, лагуны, лима-
58
ны, эстуарии и др.); экосистемы самого низкого ранга (элементы водоемов
и водотоков – экосистемы плесов, литорали, пелагиали и т. д.).
По данным Ю. Одума (1986), водные экосистемы принадлежат к
числу самых биопродуктивных на планете. Наибольшей удельной (на 1 м2
площади) биопродуктивностью обладают эстуарии, влажные тропические
леса, районы морского апвеллинга (подъема вод), т. е. экосистемы, в которых вода играет важнейшую роль. Общая же валовая первичная биологическая продукция распределяется между сушей и Мировым океаном приблизительно в пропорции 60:40%. Ю. Одум отмечает также, что малая
биопродуктивность некоторых экосистем (например, пустынь) связана
прежде всего с недостатком воды.
Существенным недостатком определений Геккеля, Тенсли и многих
других, касающихся экологии и экосистем, является отсутствие в них упоминания о человеческом обществе и его хозяйственной деятельности. В позапрошлом и начале прошлого века это, возможно, было оправдано, поскольку человек (не биологический вид, а социально-экономический фактор) еще слабо взаимодействовал как с живой, так и с неживой природой. В
наши дни человеческое общество и его хозяйственная деятельность становятся мощнейшим экологическим фактором, причем действующим в двух
направлениях: с одной стороны, человеческое общество, обеспечивая себе
необходимые условия жизнедеятельности и социально-экономического развития, активно использует как абиотические, так и биологические ресурсы
природы, с другой – преобразует и те и другие ресурсы, изменяя и регулируя
их, а нередко и нарушая экологическое равновесие.
Поэтому водную экосистему (т. е. экосистему, в структуре и функционировании которой ведущая роль принадлежит воде) следует рассматривать
как систему, состоящую из трех самостоятельных, но активно взаимодействующих компонентов:
59
- абиотическая часть водной экосистемы, т. е. вода с содержащимися
в ней растворенными (включая газы) и взвешенными веществами, грунты
дна и берегов водных объектов;
- биотическая часть экосистемы, т. е. все гидробионты и их комплексы – биоценозы;
- человеческое общество и его хозяйственная деятельность.
К числу характеристик абиотической части водных экосистем, имеющих наибольшее экологическое значение как для развития водной биоты, так и для обеспечения жизнедеятельности человека и его хозяйственной деятельности, необходимо прежде всего отнести: температуру, минерализацию (соленость) и мутность воды; содержание в ней химических веществ, в том числе биогенных, органических и загрязняющих; концентрацию кислорода и диоксида углерода; скорости течения; интенсивность водообмена между различными частями водного объекта; уровни воды и
площади заливания поймы; ледовые явления. Изучением пространственновременной изменчивости этих экологически значимых характеристик и занимается гидрология.
60
?
Контрольные вопросы
1. Закон сохранения вещества и его количественное выражение.
2. Закон сохранения тепловой энергии.
3. Закон сохранения механической энергии.
4. Уравнение водного баланса.
5. Метод водного баланса и его применение.
6. Круговорот солей.
7. Наносы и их круговорот.
8. Круговорот газов. Понятие БПК и ХПК.
9. Баланс кислорода.
10. Баланс диоксида углерода.
11. Уравнение радиационного баланса.
12. Уравнение теплового баланса. Метод теплового баланса.
13. Классификация движения воды.
14. Число Рейнольдса.
15. Классификация движения воды по состоянию водного объекта. Число Фруда.
16. Понятие расхода воды.
17. Потенциальная и кинетическая энергии воды.
18. Силы, действующие в водных объектах. Поверхностные силы. Массовые силы.
19. Сила тяжести. Центробежная сила. Сила Кориолиса.
20. Современные климатические условия. Климатическая зональность.
Метеорологические условия.
21. Крупные изменения климата.
22. Эрозионно – аккумулятивные процессы на земном шаре.
23. Понятие биосферы. Гидробионты.
24. Консументы. Редуценты.
25. Понятие «евтрофирование».
61
Часть II. Процессы и компоненты в водных системах
Модуль 2.1. Водные экосистемы, процессы и компоненты природных вод
Вы будете изучать
- Понятия и термины водных экосистем.
- Процессы и компоненты природных вод.
- Процессы формирования поверхностного стока. Грунтовое питание рек.
- Уровенный и скоростной режим рек
- Тепловой режим и условия освещенности.
- Взвешенные и растворенные вещества.
- Физико-химические реакции в природных водах.
- Растворение газов.
- Биологическая продукция экосистем рек
Цели модуля
- Изучить основные термины и понятия в сфере водных экосистем.
- Рассмотреть процессы формирования природных вод и их компоненты.
- Дать представление об уровенном, скоростном, тепловом режимах
рек, основных физико-химических реакциях.
- Обсудить биологическую продуктивность экосистем рек.
62
После изучения модуля вы сможете
- Иметь представление о водных экосистемах и процессах, проходящих в них.
-
Знать основные закономерности формирования поверхностной
и грунтовой составляющих питания рек.
- Проводить анализ и оценку уровенного, скоростного, теплового
режимов рек, основных физико-химических реакций.
Основная литература
- Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Учебник. / 12-е
изд., доп. и перераб. - Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 602 с.
- Лиходед В.М. Экология: Учебное пособие/ В.М. Лиходед, В.Н.
Лиходед. - Ростов-на-Дону, 2009. - 253 с.
- Колесников С.И. Экологические основы природопользования:
Учебник/ С.И. Колесников. - Москва, 2009. - 304 с.
- Болгов М. В. Современные проблемы оценки водных ресурсов
и водообеспечения / М.В. Болгов, В.М. Мишон, Н.И. Сенцова.
- М.: науч. изд. «Наука» , 2005. – 318 с.
- Вода или нефть? Создание Единой Водохозяйственной Системы / Д.В. Козлов, И.П. Айдаров, Л.Д. Раткович, И.С. Румянцев
и др.; под общей редакцией проф., д.т.н. Д.В. Козлова. – М.:
МППА БИМПА, 2008 – 456 с.; ил. – (Научное издание).
Дополнительная литература
- Латышенко К.П. Экологический мониторинг: Лабораторный
практикум/ К.П. Латышенко. - Москва, 2008. - 108 с.
- Трушина Т.П. Экологические основы природопользования:
Учебник/ Т.П. Трушина. - Ростов-на-Дону, 2009. - 407 с.
63
- Бондаренко Ю.В., Афонин В.В. Справочник по водному хозяйству / ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2009. – 176
с.
Ключевые слова
Экосистема, геоэкосистема, гидроэкология, реопланктон, гетерогенность, ветвистоусые рачки, грунтоеды, детритофаги, хирономид и
симулиид, аллахтонное, перифитонное и эпифитонное.
64
2.1.1. ВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ
Понятие «экосистемы», в частности водные, неразрывно связано с
представлением об экологии как комплексе наук: экосистемы – это предмет изучения экологии. Термин «экология» был впервые предложен в 1866
г. немецким зоологом Э. Геккелем; экологию он определил как общую
науку об отношениях организмов к окружающей среде. Понятие «экосистема» было введено в науку в 1935 г. английским ботаником А. Тенсли.
Согласно его определению, экосистема – это природный комплекс, образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания, связанными между собой обменом веществ и энергии. Многие трактовки понятий
«экология» и «экосистема», появившиеся в последующее время, являются
в той или иной степени модификациями терминов, предложенных Геккелем и Тенсли.
Согласно Ю. Одуму (1986), все природные экосистемы подразделяются на три группы: наземные (тундра, леса разного типа, степи и пустыни), пресноводные (озера, реки, болота) и морские (океан, шельф, эстуарии, соленые марши). Из этого перечня видно, что водные экосистемы
очень распространены и служат важными компонентами природной среды
Земли. Изучать водные экосистемы призвана гидроэкология (водная экология) как часть общей экологии (или геоэкологии). В состав гидроэкологии входит и гидрология.
Речной бассейн представляет собой единую и достаточно автономную целостную геоэкосистему, основные элементы которой связаны текущими природными водами. Изучение процессов функционирования этой
системы, ее устойчивости, динамики эволюции и развития позволит разработать и создать правильные и экологически безопасные методы управления рациональным водопользованием.
Бассейн реки включает в себя две относительно самостоятельные, но
65
постоянно взаимодействующие подсистемы: водосбор и реку. Поэтому
условно их можно рассматривать каждую в отдельности.
Совокупность живых сообществ, воды и русла составляет экосистему реки. Обладая определенной обособленностью и специфичностью, она
представляет собой подсистему экосистемы водосбора. Экосистемы рек
весьма разнообразны и зависят от физико-географических условий: геологических, почвенных, климатических.
Экосистема реки формируется под большим влиянием водосбора и
физико-географических условий территории в целом, также велика роль
внутри водоемных процессов. Они существенно изменяют воздействие водосбора и формируют специфические черты экосистемы реки. Изменение
физических и химических характеристик водотока привлекает к себе соответствующие этим условиям живые организмы, которые вытесняют предшествующих. Дальнейшее преобразование среды обитания воздействует
на живые организмы и происходит новая замена. Под влиянием хозяйственной деятельности на водосборе и в русле экосистема реки изменяется. Поступающие в реки загрязнения и токсичные вещества коренным образом преобразуют экосистему реки. Из объекта с активной жизнедеятельностью различных организмов она превращается в приемник отходов производства. Восстановление экосистемы реки может быть эффективным
только при одновременном проведении мероприятий на водосборе и в самой реке. Односторонние мероприятия могут смягчить ситуацию, но не
обеспечат желаемого результата.
2.1.2. ПРОЦЕССЫ И КОМПОНЕНТЫ ПРИРОДНЫХ ВОД
Биотические сообщества рек. Население рек не всегда характеризуется значительным видовым разнообразием. Из отдельных экологиче66
ских группировок значительного числа в реках достигает перифитон,
планктон, бентос и нектон, а нейстон и плейстон вследствие турбулентного движения воды могут отсутствовать.
Планктон рек, или реопланктон, характеризуется гетерогенностью
происхождения, так как образуется за счет автохтонных и аллохтонных
элементов. Аллохтонный планктон, заносимый в реку поверхностными водами, попадая в новые условия, изменяется. Становление специфики речного планктона начинается с момента неодинакового выноса форм, в разной степени противостоящих сносу. По этой причине фитопланктон выносится в реки сильнее, чем зоопланктон, а в последнем коловратки как менее активные пловцы представлены относительно богаче, чем ракообразные. В дальнейшем среди организмов реозоопланктона в более благоприятных условиях оказываются коловратки и ветвистоусые рачки, способные
размножаться партеногенетически и потому не нуждающиеся в обеспечении встречи особей разного пола. Ветвистоусые рачки менее приспособлены к существованию в речных условиях. Минеральная взвесь засоряет их
отцеживающий аппарат, а также, попадая в кишечник, ухудшает возможности питания и плавания животных.
Видовое разнообразие реопланктона обычно возрастает с продвижением от истоков к устью реки. Короткие реки могут быть практически лишены фито- и зоопланктона и в толще воды присутствует только бактериопланктон. Численность бактерий в речной воде претерпевает значительные сезонные изменения, обнаруживая максимум во время пика паводка. Заметное повышение численности бактерий прослеживается в реках
ниже очагов загрязнения органическими веществами.
Среди планктонных водорослей в реках средней полосы наибольшее
значение имеют диатомовые, далее следуют зеленые, сине-зеленые и очень
немногочисленны виды бурых и красных. В холодное время года особенно
много диатомовых водорослей, а с наступлением лета ведущая роль часто
переходит к зеленым. Из отдельных форм наибольшее значение в фито67
планктоне рек имеют диатомовые Melostra, Asterionella и Cyclotella, зеленые Closterium, Реdiastrim и Scenedesmus,
сине-зеленые Microcystis,
Aрhanizomenon и Anabaena.
Среди планктонных животных в наших реках наиболее многочисленны инфузории, особенно виды родов Tintinnidium и Tintinnoрsis. Очень
разнообразны и обильны по численности бесцветные жгутиконосцы.
Весьма многочисленны в толще воды коловратки, особенно Eeratella,
Asрlanchna и Bracbionus, ветвистоусые рачки, в частности Daрhnia,
Bosmina, Ceriodaрhnia, и веслоногие, из которых чаще других встречаются
Cycloрs, Diaрtomus и Mesocycloрs.
Вследствие поступательного и турбулентного характера движения
воды планктон в реках распределяется обычно довольно равномерно как в
горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.
Количество планктона в реках сильно меняется на протяжении года,
падая до минимума зимой и во время половодья вследствие разбавления
талыми водами, почти не содержащими каких-либо организмов, за исключением бактерий. С весны к лету количество планктона вследствие размножения возрастает, испытывая вместе с тем заметные колебания при
изменениях уровня воды. Когда уровень понижается, вода из придаточных
водоемов, богатых планктоном, поступает в русло реки, и реопланктон
становится обильнее. Во время поднятий уровня вследствие притока дождевых вод или усиления таяния снегов зоопланктон количественно обедняется. После летнего максимума численность планктонных организмов
начинает снижаться, что в первую очередь связано с переходом многих
гидробионтов к существованию в форме покоящихся на дне стадий.
Планктонты, ведущие активную жизнь в течение всего года, осенью становятся малочисленнее, так как условия их питания ухудшаются, и соответственно падает темп размножения.
С продвижением вниз по течению реки население пелагиали закономерно трансформируется. Соответственно падению скорости течения и
68
осветлению воды фитопланктон равнинных рек обогащается, количество
образуемой им первопищи увеличивается. Среди животных ракообразные
начинают все более доминировать над коловратками. Степень утилизации
животными продуцируемого автотрофами органического вещества далека
от максимальной, поэтому значительное количество водорослей и продуктов их распада поступает на дно. Обогащение грунта органическим веществом создает благоприятные трофические условия для существования
грунтоедов и детритофагов.
Бентос рек преимущественно представлен животными. Донные растения довольно обильны в реках с прозрачной водой. Образование прибрежных зарослей тормозится размыванием берегов, а также колебаниями
уровня, вследствие которых растения часто оказываются вне воды и погибают.
Распределение бентоса в реках характеризуется закономерным изменением его видового состава и биомассы от истока к устью и с продвижением от берегов к стрежню. Характер этих изменений в реках разного типа
и их различных участках неодинаков.
Бентос рек резко обедняется в паводковое время, когда при высокой
скорости течения воды из грунта вымываются и сносятся вниз по течению
высшие раки, олигохеты, ручейники, поденки, личинки двукрылых и многие другие организмы. В наибольшей степени обедняется после паводка
население заиленных грунтов, да и сами эти грунты смываются почти
нацело. После прохождения паводка по мере падения скорости течения,
стабилизации грунтов и их заиления бентос постепенно обогащается.
Наиболее богат он в предпаводковое время.
Перифитон в основном слагается из форм, поселяющихся на мхах, и
цветковых растениях, среди которых наиболее часто встречаются рдесты,
камыш, тростник, кубышка, роголистник, стрелолист. На их поверхности
живут многочисленные бактерии и водоросли, простейшие, личинки насекомых, особенно хирономид и симулиид, губки и мшанки, некоторые оли69
гохеты.
Нектон в основном представлен рыбами. Из жилых рыб в реках
наиболее характерны лещ, щука, судак, налим, окунь.
Следует заметить, что четких схем роста и развития организмов в
малых реках пока не существует. Если для океанических течений, планктона прудов и озер они есть, то для планктона рек их нет. Планктон малых
рек имеет в большей степени аллахтонное, перифитонное и эпифитонное
происхождение и поэтому вряд ли имеет смысл искать абсолютные схемы,
характерные для других объектов. О росте и развитии планктона в текущих водах можно говорить только в том случае, если жизненный цикл вида будет более коротким, нежели время транспортировки планктона от источника поступления до рассматриваемого сечения реки. Такие условия
могут существовать в медленно текущих реках, где скорости не превосходят нескольких метров в минуту.
Здесь нужно исходить из наблюдаемого в данных условиях видового
состава, и наличия на территории бассейна соответствующих этим видам
устойчивых экологических ниш, как возможных источников поступления
этих видов планктона в поверхностные воды. Следует ожидать, что в фитопланктоне часто можно встретить сине-зеленые микроводоросли, а в
условиях заболоченных пойм с кислыми водами зеленые и другие виды
семейства деснидиевых. Условия для развития перифитона и эпифитона в
малых реках достаточно хорошие. Среди перифитонных видов, как и в
других водоемах устойчиво преобладают диатомывые и зеленые микроводоросли.
Построению биотического блока модели должна предшествовать работа по схематизации видового состава и условий развития организмов.
И все же, несмотря на сказанное, более или менее устойчивые условия формирования стока рек, устойчивые зависимости развития видов от
абиотических факторов позволяют построить приближенные схемы функционирования планктона для малых рек. Можно предположить, что в пер70
вом приближении сезонная сукцессия фито и зоопланктона малых рек
проходит по следующей схеме.
Зимний период. Фитопланктон представлен в основном диатомовыми, зоопланктон - коловратками и простейшими. В начале марта может
наблюдаться увеличение численности за счет поступления биогенов и повышения температуры.
Весенний период. Преобладают зеленые. В зоопланктоне ведущую
роль начинают играть копеподы (веслоногие рачки), которые по мере своего развития (как правило, несколько недель) оказываются привнесенными
из застойных речных зон.
Летний период. В фитопланктоне преобладают аллохтонные виды
сине-зеленых и перифитонные виды диатомовых. Веслоногих рачков сменяют - ветвистоусые (вслед за прогревом воды). Их биотопом является
мелководье и заросли макрофитов. В основной поток они устойчиво привносятся из своего биотопа.
Осенний период. В составе
фитопланктона доминируют сине-
зеленые. Но часто в конце лета начале осени наблюдается вспышка численности перидиниевых или золотистых. В зоопланктоне с понижением
температур начинают преобладать зимние виды.
Абиотические факторы роста и развития биоты рек.
Условия окружающей среды, определяющие рост и развитие биотических сообществ принято называть абиотическими факторами. Наибольшее значение для обитателей рек среди них имеют уровненный режим,
скорость течения, прозрачность, температура и солевой состав воды, а для
обитателей дна и характер грунтов.
71
2.1.3. НАЗЕМНЫЙ И ГРУНТОВЫЙ СТОК
Наземный (поверхностный) сток. Процесс стекания воды с поверхности водосбора очень сложен по сравнению с движением воды в руслах каналов и рек. Согласно схеме Н.Е. Долгова, при формировании стока
выделяют 4 фазы:
1. Начальная фаза. Сток отсутствует. Атмосферные осадки аккумулируются в углублениях рельефа, инфильтруются, затрачиваются на испарение.
2. Фаза подъема. Продолжается от появления первых струек до момента подхода струй к рассматриваемому створу.
3. Фаза полного стока. Вода стекает со всей площади бассейна.
4. Фаза спада. Соответствует уменьшению стока и его полному прекращению.
Несмотря на кажущуюся простоту и универсальность схемы, она
лишь в общем виде представляет явление поверхностного стока и факторы, его определяющие: осадки и инфильтрацию.
В более сложном виде схема формирования стока представлена на
рис.2.
Представленные на схеме блоки осадков и инфильтрации неравнозначны между собой по сложности определяющих факторов, из чего следует необходимость раздельного анализа стока весенних половодий и
дождевых паводков.
Климатические условия для водосборов малых рек изменяются слабо, поэтому важную роль в функционировании речных экосистем играет
почвенный покров, оказывающий сильное влияние на сток рек и их гидрохимический режим. В общем случае атмосферные осадки, в основном и
формирующие сток рек, стекают по поверхности почвы в реки и одновременно просачиваются в почву. Гидрологическое влияние почв определяется главным образом водопроницаемостью и водоудерживающей способностью почвы. При определенных сочетаниях свойств почв поверх72
ностный сток достигает минимума, а подземный - максимума. При слабой
инфильтрационной и относительно высокой водоудерживающей способности почвы большая часть атмосферной влаги стекает по поверхности.
При высокой инфильтрационной и слабой водоудерживающей способности увеличивается доля воды, которая идет на питание подземных вод.
73
Осадки
дождь
снегопад
Тепловая
энергия
Перехват
растительным покровом
Формирование
снежного покрова
Энергия
ветра
Динамика
тепловой энергии
в снеге
Динамика
тепловой
энергии в
почве
Снеготаяние
Водоотдача
из снега
Поверхностное
задержание
Инфильтрация и
поверхностное стокообразование
Динамика
почвенных вод
Испарение
Подземный сток
Дорусловая
трансформация
поверхностного
стока
Дорусловая
трансформация
подземного
стока
Русловая трансформация
Сток в замыкающем створе
Блоки:
осадков
инфильтрации
стока
Рис.2. Схема формирования стока с водосборов
Все процессы, обусловленные стекающими по поверхности суши водами, принято называть флювиальными. Текущие воды, к которым относятся дождевые, талые снеговые, воды временных и постоянных ручьев и
рек, производят разрушение земной поверхности путем растворения, смы-
74
ва и линейного размыва - эрозии. Они транспортируют и аккумулируют
принесенный материал. Движущиеся делювиально-пролювиальные потоки
воды уносят в направлении стока наиболее подвижные продукты из коры
выветривания и почвенных горизонтов в форме суспензий, истинных и
коллоидных растворов.
Для малых рек наземный сток в ряде случаев может быть единственным источником поступления живых организмов в поверхностные воды,
аллахтонная составляющая может в некоторые периоды времени составлять до 80% фитопланктона в котором будет велика доля чисто почвенных
организмов (сине-зеленые почвенные водоросли, микробы, простейшие).
Грунтовое питание рек. Как известно, наиболее устойчивая часть
речного стока, обеспечивающая минимальные расходы реки, связана с его
подземной составляющей. Подземный сток изменяется в меньшей степени, чем поверхностный, и его внутригодовое распределение и режим зависят главным образом от характера гидравлической связи реки и дренируемых водоносных горизонтов. Режим и фазы подземного стока из водоносных горизонтов, гидравлически не связанных с рекой, близки к характеристикам поверхностного стока. Отличие состоит лишь в том, что пик подземного стока наступает позднее и выражен менее резко. Паводок на реке
незначительно влияет на расход дренируемых горизонтов. В период половодья подземное питание реки усиливается по сравнению с периодом межени, что обусловлено подъемом грунтовых вод.
Режим подземного стока из водоносных горизонтов, имеющих постоянную гидравлическую связь с рекой, полностью зависит от режима реки и отличается лишь противоположной направленностью фаз стока. Повышение уровня воды в реке вызывает в прибрежной зоне уменьшение
гидравлических уклонов и расходов подземного потока. При этом в восходящей стадии весеннего половодья может наступить момент, когда уровень воды в реке будет выше уровня грунтовых вод в прибрежной зоне,
что приведет к образованию обратных гидравлических уклонов и инфиль75
трации речных вод в берега. Режим подземного стока из водоносных горизонтов, имеющих периодическую связь с рекой - смешанный (при низких
уровнях воды в реке он соответствует режиму водоносных горизонтов,
гидравлически не связанных с рекой, а при высоких - режиму водоносных
горизонтов, имеющих полную гидравлическую связь с рекой). Режим подземного стока в реку из артезианских водоносных горизонтов стабилен.
2.1.4. УРОВЕННЫЙ И СКОРОСТНОЙ РЕЖИМ РЕК
Уровенный режим определяется соотношением поступления и расхода воды. Питание рек может быть дождевым, снеговым, ледниковым и
подземным. В большинстве случаев питание смешанное, причем соотношение его отдельных форм меняется в разных участках и в разное время
года. Повышение уровня реки происходит в результате резкого усиления
притока воды в русло рек за счет любых форм питания.
Скорость течения зависит главным образом от уклона ложа, колебаний уровня и величины площади сечения реки. С продвижением от истока
к устью, как правило, скорость течения постепенно уменьшается. По поперечному сечению наибольшей она бывает в медиали, заметно меньшей - у
берегов. В придонных слоях глубоких рек течение заметно слабее, чем у
поверхности. Так как через русло реки в его смежных отрезках проходит
практически одно и то же количество воды, скорость ее течения обратно
пропорциональна площади сечения потока. Поэтому даже в соседних
участках русла скорость течения может сильно различаться. Там, где русло, расширяясь и углубляясь, образует плес, течение ослабевает, а в местах
сужения или уменьшения глубины - на перекатах - возрастает. Скорость
течения в равнинных реках в межень обычно не превышает 1 м/с, в паводковое время поднимается до 1,5 - 2 м/с. Особо следует отметить, что поток
воды в реках имеет турбулентный характер, обусловливающий энергичное
76
перемешивание водной массы и выравнивание всех гидрологических градиентов (температурных, солевых, газовых и др.).
2.1.5. ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ И УСЛОВИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ
Тепловой баланс рек складывается из энергии, поступающей в виде
света, теплообмена с воздухом и потоками энергии, вносимыми наземным
и подземным стоком.
Температура воды в реке зависит от характера питания реки, климата
района, где она протекает, и различных ее гидрологических особенностей.
Крупные реки, текущие в широтном направлении, несут теплые воды в
высокие широты и холодные - в низкие. Так как вода в реках интенсивно
перемешивается, ее температура в различных участках сечения потока
сходна. Сезонные колебания температуры в реках обычно укладываются в
амплитуду 0 - 30, а суточные 5 -10 градусов.
Свет быстро угасает в речной воде, если в ней много взвешенного
материала, и доходит до дна, когда прозрачность достаточно высока. В
реках прозрачность сильно меняется с переходом от паводкового периода
(наибольшая мутность) к меженному.
2.1.6. ВЗВЕШЕННЫЕ И РАСТВОРЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА
Взвешенные вещества в наибольшем количестве присутствуют в воде, когда скорость ее течения велика и ложе слагается из мягких пород.
Минерализация воды сильно меняется по сезонам года, снижаясь во время
паводка. В период межени за счет разбавления вод слабо минерализованными дождевыми водами концентрация может сильно изменяться по сезо77
нам года. Количество фосфатов в равнинных реках выражается десятыми и
сотыми долями миллиграмма на литр. Концентрация солей азота выше,
чем фосфатов.
Растворенные органические вещества встречаются в речной воде в
самых разных количествах в зависимости от характера питания. Перманганатная окисляемость воды в реках ледникового питания обычно не превышает 1 - 2 мг/л, при снежном и дождевом питании может подниматься
до 15 - 20 мг/л. Особенно велика окисляемость в реках с болотной водой до 64 мг/л 02. Во время обильного стока с поверхности суши (паводки)
окисляемость речных вод заметно повышается.
Газовый режим рек, когда они не одеты ледяным покровом, обычно
благоприятен для жизни гидробионтов. С момента ледостава концентрация
кислорода в воде постепенно падает, и ее минимум наблюдается перед ледоходом. В реках с высокой окисляемостью воды в зимнее время, когда
поступление кислорода из атмосферы практически исключается, газовый
режим резко ухудшается, и нередко наблюдаются заморы. Углекислоты в
речной воде летом очень немного, зимой ее концентрация заметно возрастает, особенно в реках с высокой окисляемостью воды. Сероводород в
речных водах практически отсутствует, если они не загрязнены большим
количеством различных бытовых и промышленных стоков.
2.1.7. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ КАК СЛОЖНАЯ СИСТЕМА
Поверхностные воды являются водными растворами солей, органических коллоидов и газов. По терминологии Робинсона и Стокса такие
растворы относятся к ассоциированным электролитам. На это указывают
многочисленные эксперименты с ионными растворами, в которых в зависимости от их элементарного состава обнаружены различные ассоциации
78
ионов. С одной стороны, некоторые ионы, например, SO42 ,CO3 имеют
сложное строение, однако в растворах наблюдается большой класс динамических соединений, которые в отдельности в среднем существуют короткое время, но если рассматривать раствор в целом, то в любой момент
времени будут наблюдаться ассоциаты, и их содержание в растворе может
быть измерено.
В водных растворах наблюдается, кроме того, неполное разложение
молекул солей на ионы. Отличие этого явления от образования ассоциатов
заключается в наличии ковалентных связей, что может быть также установлено косвенными измерениями.
Основным параметром, количественно характеризующим содержание в растворе вещества, является концентрация. Имеется два способа выражения концентрации раствора: а) абсолютная концентрация; б) относительная концентрация.
Абсолютной концентрацией является величина, равная массе рассматриваемого вещества, растворенного в единице массы растворителя (в
случае водных растворов - в единице массы или объема воды).
Относительные концентрации, как правило, отражают вес растворенного вещества, отнесенный к сумме весов всех веществ раствора, кроме
растворителя (если учитывается вес растворителя, то получается одна из
размерностей абсолютных весовых концентраций).
В природных растворах, как и в большинстве многокомпонентных
систем, протекает множество химических процессов гидратации, образования и распада комплексных ионов, гетерофазного химического взаимодействия и т. д. Естественно, что часто эти процессы бывают неизвестны,
как и точный состав природных растворов. Поэтому в этих случаях особую значимость приобретают методы, основанные на некоторых интегральных характеристиках системы.
Ионная форма существования вещества является химически активной формой. Поэтому в растворах постоянно протекают химические реак79
ции, которые в общем случае, наряду с тепловым движением, приводят к
рассеиванию энергии. Реакции в растворах обычно являются быстрыми
реакциями, то есть время установления равновесия определяется минутами, часами, в редких случаях сутками. В большинстве случаев состав природных растворов, включая содержание различных ассоциатов, можно
рассчитать, используя данные анализа раствора по суммарному содержанию элементов, исходя из уравнений равновесия. Уравнения равновесия
однозначно определяются уравнениями кинетики химических реакций.
Химические процессы в растворах обычно протекают обратимо, то есть
существует состояние при заданных внешних условиях, когда скорость
прямого процесса, например, образования иона, и обратного процесса равны. Химическое равновесие характеризуется двумя признаками (М. Х. Карапетьянц, 1981):
а) при постоянстве внешних воздействий состояние химической
системы остается неизменным во времени;
б) система следует за изменениями внешних условий, сколь бы малы они ни были.
В природных растворах можно выделить две важные группы ионных
реакций:
1. Реакции ионов, не меняющие валентность ионов. К таким ионам,
не меняющим валентности, относятся: Na+, K+, NH-4, Mg2+, Al2(3)+, Ca2+, H+.
2. Реакции, приводящие к изменению валентности ионов, в которых
участвуют электроны (реакции окисления-восстановления, протонный обмен). Важнейшими элементами, участвующими в этих реакциях, являются:
железо, кислород, азот, углерод, водород и иногда сера.
2.1.8. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ
80
РЕАКЦИЯХ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ
Скорости химических реакций, протекающих в природных водах в
большинстве случаев весьма велики. Поэтому любое изменение состояния
и внешних условий вызовет изменение в их химическом составе. Среди
методов, позволяющих определить точный химический состав природных
вод как растворов, особая роль принадлежит методам, использующим теорию химического равновесия.
Большую группу реакций в природных водах составляют реакции
ассоциации и диссоциации веществ. Общее химическое уравнение этих реакций можно представить в виде:
nA + mB  (A n Bm )
(30)
Примером таких реакций в природных водах могут являться реакции
типа:
Ca  HCO3  CaHCO3 (а)
Na  HCO3  NaHCO3 (б)
H 2 O  H   OH 
(31)
(в)
Главной особенностью этих реакций является связывание ионов в
соединения и тем самым исключение их из других реакций в которых могут участвовать ионы, объединяющиеся в комплекс. В рассмотрении ионных объединений и ассоциатов нельзя считать, что конкретный ион будет
входить в это объединение продолжительное время, но в каждый момент
времени часть ионов оказывается связанной в комплекс.
2.1.9. РАСТВОРЕНИЕ ГАЗОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ
Природные воды всегда в тех или иных количествах содержат растворенные газы. Происхождение этих газов определяется либо их поступлением из атмосферы, либо внутренними химическими и биохимическими
81
процессами в самих природных водах. В состоянии равновесия между
концентрациями газа в растворе и над раствором устанавливается некоторое соотношение, описываемое общим уравнением вида (закон Генри).
Gi  P  k
(32)
где Pi - парциальное давление газа над раствором; Gi - концентрация
газа в растворе; k - коэффициент распределения. Часто вместо коэффициента используют его обратную величину 1/ k и тогда концентрация Gi
растворенного газа рассчитывается по формуле:
Gi  P / k
(33)
Известно, что коэффициент k зависит от многих факторов, главными
из которых являются состав и концентрация других растворенных веществ
и температура. Несмотря на достаточную развитость теоретических представлений о механизмах и закономерностях растворения газов, получить
явные формы для зависимости коэффициента от всех его определяющих
параметров до сих пор не удавалось.
Свойства реальных растворов значительно отличаются от свойств
идеальных модельных растворов. Основное отличие заключается в том,
что молекулы растворенного вещества подвергаются в растворе различным превращениям за счет химических реакций, диссоциации и ассоциации молекул растворенного газа. Доказано, что в этих случаях закон (32)
или (33) связывает концентрацию не измененных превращениями молекул растворенного газа, хотя сам коэффициент распределения будет меняться.
Среди газов, как отмечалось, наибольшее значение имеют кислород
и диоксид углерода СО2. При моделировании химических процессов в
природных водах следует знать закономерности растворения еще нескольких газов, и в частности CH4 (метана), а в некоторых случаях и H2S (сероводорода).
Для растворимости кислорода и углекислоты в чистой воде имеются
полу эмпирические формулы для коэффициента k . Структура этих фор-
82
мул определена теоретически.
Для молекулярного кислорода:
Ln ( k O2 )  0.2495 
5587 1050750

T
T2
(34)
Для диоксида углерода:
Ln ( k CO 2 )  1894
.

3254 838390

T
T2
(35)
Присутствие в растворе других растворенных компонент, что в
действительности всегда имеет место, обычно изменяет величину растворимости газа.
2.1.10. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКЦИЯ ЭКОСИСТЕМ РЕК
В результате размножения и роста гидробионтов в водоемах происходит непрерывное новообразование биомассы. Этот процесс называется
биологическим продуцированием, а вновь создаваемая биомасса - биологической продукцией. Биологическое продуцирование происходит в форме
образования первичной и вторичной продукции - прироста биомассы автотрофов и гетеротрофов.
Биопродуктивность водных экосистем может рассматриваться в двух
планах - природном (биосферном) и социально-экономическом. В первом
случае результаты продуцирования рассматриваются как одна из характеристик особенностей круговорота веществ в экосистеме, как одна из функций экосистем-блоков биосферы. С социально-экономической точки зрения биологическая продуктивность характеризуется величиной вылова
гидробионтов, используемых человеком. В этом случае продуктивность
определяется как свойствами самих природных объектов, так и формой их
хозяйственного освоения.
Первичная продукция. Новообразование органического вещества
из минеральных представляет собой основу всех продукционных процес83
сов, происходящих в водоемах. Образование кислорода в процессе первичного продуцирования имеет огромное значение для аэрации водоемов,
формирования качества питьевых вод и повышения самоочистительной
способности водоемов.
Под первичной продукцией водоемов понимается органическое вещество, создаваемое фотосинтетиками.
Обычно данные о первичной продукции даются по результатам
определения величины фотосинтеза.
Различают валовую и чистую первичную продукцию. Первая это все
количество органического вещества, образующегося в процессе фотосинтеза. Чистая продукция равна валовой за вычетом той ее части, которая
тратится на дыхание самих растений. Соотношение между валовой и чистой продукцией резко меняется в зависимости от интенсивности фотосинтеза и дыхания растений.
Представление о соотношении чистой и валовой продукции в водоеме в разные сроки можно получить, определяя концентрацию желтых пигментов (каротиноидов) и хлорофилла.
Величину первичной продукции наиболее часто определяют на основе фотосинтеза растений в разных горизонтах водоема.
Приближенно о величине первичной продукции можно судить, зная
биомассу водорослей или концентрацию хлорофилла.
Установлено, что величины годовой продукции очень тесно коррелируют с максимальными суточными значениями. Поэтому годовая продукция с известной точностью может быть оценена по суточным величинам, когда известны их максимальные значения.
Первичная продукция водоемов, поверхность которых освещается в
сходной степени, может различаться в десятки и сотни раз. Она зависит от
видового состава растений в водоеме, их количества и распределения в
толще воды, оптических свойств последней, концентрации биогенов, температуры. С продвижением в глубину условия освещенности ухудшаются
84
в разных водоемах неодинаково в соответствии с прозрачностью их воды.
Растения, находящиеся ниже определяемых горизонтов, испытывают ту
или иную степень светового голодания, под которым понимается процентное отношение величины фотосинтеза в условиях данного освещения к
той, какая наблюдается при оптимальной освещенности. Значительная
часть водорослей может выноситься даже за пределы эвфотической зоны,
существуя за счет запасных веществ, пока опять не окажутся поднятыми в
более освещенные слои, или, отмирая, если этого не случится.
Для определения степени светового голодания фитопланктона в водоеме надо знать, как меняется с глубиной интенсивность фотосинтеза и
количество растений.
Неблагоприятно на величине первичной продукции должно отражаться сильное перемешивание и другие факторы, обусловливающие рассредоточение водорослей в значительной толще воды. Поэтому условия
продуцирования ухудшаются, когда в водоеме слабо выражен скачок
плотности, препятствующей погружению водорослей в слои со слабой
освещенностью.
С увеличением концентрации водорослей величина первичной продукции обычно возрастает, но не линейно, а по затухающей кривой,
асимптотически приближаясь к некоторому пределу. Это, прежде всего,
связано с самозатемнением водорослей при их высокой концентрации.
Наблюдаются случаи, когда с повышением биомассы водорослей их суммарная продукция не только не повышается, но даже падает вследствие
резкого снижения прозрачности воды и истончения трофогенного слоя.
Огромное влияние на эффективность первичного продуцирования
оказывает обеспеченность водорослей биогенами. С уклонением их концентрации от оптимальной темп продуцирования начинает снижаться аналогично тому, как это происходит при световом голодании. Поэтому первичная продукция возрастает, когда в водоемы поступает большое количество биогенов (Р, N и др.) или они выносятся течениями в приповерхност85
ные горизонты из более глубинных.
Эффективность использования солнечной энергии в процессе первичного продуцирования существенно возрастает с повышением температуры.
Вторичная продукция. Определенная часть первичной продукции
водоемов преобразуется во вторичную продукцию, представленную массой организмов последующих трофических уровней. В одних случаях животные могут питаться только растениями и тогда образуют продукцию
второго трофического уровня, отделенного от первого (первопищи) одной
ступенью трансформации веществ и энергии. В других случаях фитофаги
поедаются плотоядными животными и образуется продукция третьего
трофического уровня, а если хищники поедают плотоядных животных,
возникает третья ступень в каскаде трансформации веществ и энергии с
образованием организмов четвертого трофического уровня.
Если животные питаются организмами разных трофических уровней
(например, растениями, фитофагами и зоофагами одновременно), то разграничение последних применительно к различным компонентам вторичной продукции не всегда возможно.
Вторичную продукцию можно рассчитывать на единицу площади
или объема за те или иные сроки. Ее величина обычно выражается в единицах сырой или сухой массы, в калориях или в количествах образующихся белков, жиров и углеводов.
Поскольку гетеротрофные организмы имеют широкий спектр питания, раздельное вычисление вторичной продукции для отдельных трофических уровней практически не осуществимо. Приближенное представление о картине вторичного продуцирования основывается на вычислении
продукции отдельные групп консументов, причем получаемые величины не аддитивные. Суммирование продукции отдельных групп организмов,
относящихся к разным трофическим уровням, экологического смысла не
имеет.
86
Пока еще недостаточно изучена продукция микрозоопланктона (инфузории, бесцветные жгутиковые, постнауплиальные стадии веслоногих и
др.). Особая роль микрозоопланктона заключается в том, что он служит
промежуточным трофическим звеном между бактериями и нанофитопланктоном, с одной стороны, и более крупным зоопланктоном - с другой.
В континентальных водоемах уровень вторичного продуцирования
обычно заметно выше, чем в Мировом океане. С одной стороны, это связано с их высокой первичной продуктивностью, с другой - поступлением
значительных количеств аллохтонной органики, за счет которой образуется большая бактериальная биомасса, используемая организмами следующих трофических уровней.
?
Контрольные вопросы
1. Понятие экосистемы.
2. Классификация экосистем.
3. Экосистемы реки.
4. Краткая характеристика биотических сообществ рек.
5. Видовое разнообразие планктонных животных.
6. Бентос рек.
7. Распределение бентоса в реках.
8. Перифитон и нектон.
9. Схема сукцессии зоопланктона.
10. Абиотические факторы роста и развития биоты рек.
11.Понятие поверхностного стока и фазы его формирования.
12.Схема формирования стока водосборов.
13.Грунтовое питание рек.
14.Режим подземного тока.
87
15.Виды питания рек.
16.Скорости течений рек.
17.Температура воды в реках.
18.Взвешенные вещества в воде.
19.Газовый режим рек.
20. Понятие концентрации. Абсолютная и относительная концентрации.
21. Группы ионных реакций.
22. Краткая характеристика химических реакций в природных водах.
23. Растворение газов в природных водах.
24. Понятие биологического продуцирования.
25. Первичная продукция.
26. Вторичная продукция.
88
Модуль 2.2. Русловой процесс
Вы будете изучать
- Историю развития понятия «Русловой процесс».
- Взаимодействие водного потока и русла.
- Типы руслового процесса.
- Типы речных пойм и их связь с типом руслового процесса.
Цели модуля
- Рассмотреть современные гипотезы и основные понятия руслового процесса.
- Изучить типы руслового процесса.
- Обсудить процессы формирования и изменения типов русловых
процессов.
- Изучить типы речных пойм и их влияние на тип руслового процесса.
После изучения модуля вы сможете
- Иметь представление об истории развития понятия «Русловой
процесс».
- Понимать физическую сущность взаимодействия потока и русла.
- Знать типы русловых процессов.
89
- Иметь представление о речных поймах, их типах и их связи с
типами руслового процесса.
Основная литература
- Смольянинов В. М. Общее землеведение: литосфера, биосфера,
географическая оболочка. Учебно-методическое пособие / В.М.
Смольянинов, А. Я. Немыкин. – Воронеж: Истоки, 2010 – 193 c.
- Барышников Н.Б. Русловые процессы / Учебник – СанктПетербург: РГГМУ, 2088. – 439 с.
Дополнительная литература
- СТО ГУ ГГИ 08.29-2009 «Учет руслового процесса на участках
подводных переходов трубопроводов через реки». 2010. - 181 с.
- Угренинов Г.Н., Кондратьев А.Н. Генезис русла реки Невы //
Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. №19. Научно теоретический журнал.
СПб., РГГМУ, 2011, с. 46-52.
- Сайт (http://www.rusloved.ru): Русловые процессы.
Ключевые слова
русловой процесс, ленточногрядовый, побочневый, ограниченное
меандрирование, свободное меандрирование, незавершенное меандрирование, пойменная многорукавность, русловая многорукавность,
шаг ленточных гряд, шаг побочней, шаг излучины, антидолины, беспойменность, узкопойменность, широкопойменность.
90
2.3.1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПОНЯТИЯ «РУСЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ»
Первое определение русловых процессов принадлежит М.А. Великанову (1946), хотя сам термин применялся в научной литературе ещё в 30-е
годы (М.И. Львович, 1938; Н.И. Маккавеев, В.С. Советов, 2003). Согласно
ему основной особенностью русловых процессов является непрерывное
воздействие потока на русло и формы русла на поток.
Подобная формулировка была дана им в 1949 году: «…процесс взаимного управления русла потоком, а потока руслом называется русловым
процессом» (Великанов М.А., 1949, с. 497). В книге «Динамика русловых
потоков» М.А. Великанов рассматривал данное им определение как основное содержание русловых процессов, но сам термин сформулировал более
узко: «Русловые формы непрерывно изменяются, в одних условиях быстро, в других – медленно (потоки с неустойчивым и с устойчивым руслом),
под влиянием главным образом климатических факторов (годовой цикл
осадков и температуры), а отчасти и тектонических факторов (эпейрогенетические поднятия и опускания земной поверхности). Весь комплекс явлений как первоначального формирования русловых форм, так и дальнейших
их изменений носит название руслового процесса» (Великанов М.А., 1955,
с. 237).
Е.В. Болдаков и О.В. Андреев (1956, с. 135) уточнили это определение: «Речной поток, протекающий в размываемых грунтах, является русловым двухфазным потоком, в котором жидкая подвижная фаза (вода)
непрерывно взаимодействует с твёрдой подвижной фазой (грунтом). Процесс этого взаимодействия, кратко называемый русловым процессом, является процессом непрерывного изменения русловых форм и структуры водного потока вследствие взаимного влияния одной фазы на другую».
Н.И. Маккавеев определял русловые процессы как «отображение поверхностью твёрдой среды (т.е. грунтами, слагающими ложе) особенно-
91
стей движения воды и перемещаемых ею наносов» (Маккавеев Н.И., 1955,
с. 137), одну из форм перемещения твёрдого вещества текущей водой.
Н.А. Михайлова Н.А. и Н.С. Шарашкина (1970) выражают это кратко: «Под русловым понимается процесс взаимодействия между водным
потоком и его руслом».
По Н.Е. Кондратьеву и др. (1982), русловым процессом называют
изменения в морфологическом строении речного русла и поймы, постоянно происходящие под действием текущей воды.
К.Ф. Артамонов расширяет это понятие: «Русловой процесс – понятие интегральное, обобщающее создание, развитие, стабилизацию и дальнейшее переформирование открытых русел, пойм под действием жидкого
и твёрдого стоков в различных специфических геоморфологических и геологических условиях при наличии и отсутствии ограничивающих, направляющих, стабилизирующих и изменяющихся природных и технических
факторов» (Артамонов К.Ф. и др., 1984, с. 139).
Н.А. Ржаницын (1984) выделял русловой режим рек и протекающий
на его фоне русловой процесс, который понимается как процесс образования и развития локальных русловых форм и их сложных комплексов:
«Каждая река в ходе исторического развития приобрела свои особые и
свойственные ей формы и черты современного развития природного процесса – русловой режим. Современные образования и их развитие совершаются на фоне руслового режима реки – русловой процесс структурных
русловых форм».
В.С. Боровков (1989, с. 72) также широко подходит к определению
русловых процессов: «Русловой процесс есть процесс изменения динамической системы, включающей поток, русло и пойму, под воздействием
комплекса взаимосвязанных факторов, действующих на водосборной площади, непосредственно в русле водотока и на пойме. Содержание руслового процесса связано с транспортом наносов речным потоком». В этом
92
определении важно включение в круг рассмотрения всей водосборной
площади реки.
Существуют и различные другие определения русловых процессов.
Сходство всех подходов заключается в том, что под русловыми процессами понимают движущую силу речного потока, транспорт наносов и взаимодействие между ними, выражающееся морфологически в различных
проявлениях русловых форм и их динамике.
В настоящее время наиболее распространены два определения понятия «русловые процессы» Более узкое: «русловым процессом называют
изменения в морфологическом строении речного русла и поймы, постоянно происходящие под действием текущей воды» (Кондратьев Н.Е. и др.,
1982; Барышников Н.Б., Попов И.В., 1988, с. 262). Первоначально это
определение не захватывало даже пойму: «Под русловым процессом понимается постоянное изменение морфологического строения реки, происходящее под действием текущей воды» (Кондратьев Н.Е. и др., 1975, с.
162).
Но тогда оно было шагом вперёд по сравнению с относительно узким определением М.А. Великанова (1955), потому что кроме уровня
«русло-поток» рассматривало и уровень «река»: «Становится очевидной
недостаточность распространённого определения термина русловой процесс – взаимодействие потока и грунтов его ложа, так как такое определение отражает только одну сторону процесса – механизм взаимодействия
потока и грунтов его ложа – и в нём игнорируется морфологический аспект проблемы. Поэтому более правомерным является формулировка: русловой процесс – это изменение морфологического строения речного русла,
постоянно проходящее под действием текущей воды. Такая формулировка
термина предусматривает и морфологический и гидравлический аспекты
проблемы, учитывает наличие внутренних и внешних факторов процесса,
непосредственных и опосредованных связей» (Попов И.В., 1965 с. 51). Это
определение используется последователями школы Государственного гид93
рологического института (ГГИ), в которой термин «русловой процесс» используется в единственном числе (Кондратьев Н.Е. и др., 1982).
Более широкое определение русловых процессов дано Н.И. Маккавеевым и Р.С. Чаловым (1986): «Русловые процессы – совокупность явлений,
возникающих при взаимодействии потока и грунтов, слагающих ложе реки, определяющих развитие различных форм рельефа русел и режим их сезонных, многолетних и вековых изменений, влияющих на размыв дна и
берегов рек, транспорт и аккумуляцию наносов».
В последних работах Московского государственного университета
(МГУ) это определение немного уточнялось в деталях, но по сути осталось
прежним: «Русловые процессы представляют собой совокупность явлений,
связанных с взаимодействием потока и грунтов, слагающих ложе реки,
эрозией, транспортом и аккумуляцией наносов, определяющих размывы
(намывы) дна и берегов рек, развитие различных форм русел и форм руслового рельефа, режим их сезонных, многолетних и вековых изменений.
Такая формулировка включает в себя сущность русловых процессов (взаимодействие потока и русла, движение наносов), их проявления (формы
русла и руслового рельефа, русловые деформации) и временную изменчивость (русловой режим)» (Чалов Р.С., 1997, с. 9).
И почти также: «Русловые процессы – совокупность явлений, возникающих при взаимодействии потока и грунтов, слагающих русло реки,
эрозии его ложа, транспорт и аккумуляции наносов, обусловливающих
развитие различных форм русел и форм руслового рельефа, режим их сезонных, многолетних и вековых изменений. Основными взаимосвязанными составляющими русловых процессов являются транспорт наносов, деформации русел и их морфология (форма русла и русловой рельеф).
Транспорт наносов определяет сущность русловых процессов; поэтому
форма перемещения наносов лежит в основе типизации русловых процессов» (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997, с. 131).
94
2.3.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОТОКА И РУСЛА (ВЗАИМОСВЯЗЬ,
ВЗАИМОУПРАВЛЕНИЕ, САМОРЕГУЛИРОВАНИЕ)
Одним из самых давних является принцип взаимодействия потока и
русла, сформулированный М.А. Великановым (1948, 1955).
Попытка выработать подобный подход была сделана ещё В.М. Лохтиным (1897). Он считал, что не только поток определяет ход русловых
процессов, но также и геоморфологическая обстановка в виде ската местности, и геологическая обстановка в виде разнообразных грунтов, в которые врезается река (Кузьмин И.А., 1973, с. 185). В показатель устойчивости В.М. Лохтина входят как показатели потока (уклон), так и характеристика русла (диаметр наносов).
Этот принцип возник при осмыслении практики применения выправительных сооружений (струенаправляющие, струестесняющие и т.п.) на
реках Западной Европы в XVIII-XIX веках и в России в конце XIX – начале ХХ века. В его разработку большой вклад внесён Н.С. Лелявским (Вопросы гидротехники…, 1948).
М.А. Великанов сам формулировал этот принцип так: «Механическая сущность русловых процессов может быть в самом общем виде охарактеризована как взаимодействие потока и русла. С одной стороны, твёрдые поверхности, ограничивающие поток, направляют движение частиц
жидкости, поэтому можно сказать: «русло управляет потоком». С другой
стороны, твёрдые частицы, образующие собою граничные поверхности потока, сами обладают в большей или меньшей степени подвижностью, под
влиянием воздействия на них движущихся жидких частиц сами приходят в
движение, и двигаются до тех пор, пока не будет достигнута иная, новая
форма этих поверхностей, и именно такая, при которой воздействие жидких частиц на твёрдые либо временно прекращается, либо ослабляется, и
наступает состояние равновесия. Здесь можно высказать обратное положение: «поток управляет руслом». Эта специфическая для всех естественных
русловых потоков – рек, ручьев, селей – особенность представляет собою
95
диалектическое единство двух взаимно воздействующих друг на друга
факторов – потока и русла – и самую основу, механическую сущность руслового процесса, как такового» (Великанов М.А., 1948, с. 483).
И.А. Кузьмин (1973, с. 185) критикует этот принцип, считая, что он
«фактически ничего не изменил, поскольку русло в этой постановке задачи
выступает лишь одной своей стороной – граничная поверхность потока. По
мнению И.А. Кузьмина, рассматривая такое взаимодействие, М.А. Великанов лишал подстилающий русло грунт его индивидуальных качеств. Им не
принималась во внимание неоднородность грунтов, имеющая большое
значение для формирования речных русел».
«Механическая сущность руслового процесса может быть охарактеризована как взаимодействие потока и русла. С одной стороны, твёрдая
поверхность, ограничивающая поток, направляет движение частиц жидкости, т.е. русло управляет потоком; с другой стороны, те же твёрдые частицы, обладая в известной степени подвижностью, приходят под влиянием
воздействия на них жидких частиц в движение, переносятся, осаждаются в
другом месте; в этом смысле вступает в силу обратное положение: поток
управляет руслом. В этом двустороннем процессе взаимного управления
потока и русла или одна, или другая сторона обычно имеет перевес. Если
направляющее воздействие русла на поток имеет характер более длительный и устойчивый при сравнительно малой подвижности твёрдых частиц,
составляющих русло, то мы говорим о реке более устойчивой; наоборот,
если подвижность частиц велика, и также велика скорость потока, то русловые деформации происходят с гораздо большей скоростью, русло быстрее меняет свою форму, и мы говорим в этом случае о реке мало устойчивой» (Великанов М.А., 1955, с. 241).
А.Н. Ляпин (1973) предлагает расширить этот постулат и учитывать
взаимодействие потока не только с дном, но и с берегами: «В большинстве
случаев этому тезису придаётся несколько ограниченное представление,
имея в виду, главным образом, взаимодействие дна русла и речного пото96
ка. Между тем, ещё В.Г. Глушков (1925) отмечал, что «поток находится с
породой дна и берегов в живом взаимодействии», и даже вводил специальный коэффициент формы русла, «связанный с соотношением прочности
береговых и донных пород»» (Ляпин А.Н., 1973, с. 117).
У М.А. Великанова (1958) принцип взаимодействия потока и русла
статичен, он показывает лишь естественное состояние каждого русла: «…в
результате постепенного воздействия отдельных струй на отдельные части
руслового рельефа речное русло приобретает всё более и более плавные
очертания, отчего сглаживается и форма струй, пока, наконец, русло и поток не становятся единым органически связанным комплексом, в котором
русло приобретает форму потока, а поток отражает форму русла».
Н.И. Маккавеев (1955) развивает принцип взаимодействия потока и
русла М.А. Великанова и придаёт ему формулировку «взаимной обусловленности потока и русла». «В наиболее общей форме процесс руслообразования можно определить как процесс «отображения» поверхностью
твёрдой среды (т.е. грунтами, слагающими ложе) особенностей движения
воды и перемещаемых ею наносов». В качестве примера такого отображения Н.И. Маккавеев (1955) приводит изменение рельефа поверхности раздела двух сред (волны Гельмгольца).
Принцип взаимодействия потока и русла, введённый М.А. Маккавеевым и развитый Н.И. Маккавеевым является первой половиной принципа
саморегуляции русла, который по-разному формулировался некоторыми
исследователями. Отличительной чертой последующих формулировок
принципа саморегуляции является существование не только констатации
факта влияния русла на поток, а потока на русло, но и формулировки
направления изменения системы «поток–русло» для достижения нарушенного динамического равновесия.
«Деформируя грунт, поток создает себе такие русловые формы, которые отвечают его скоростному полю, а русловые формы в свою очередь
определяют скоростное поле потока. При несоответствии русловых форм и
97
скоростного поля происходит их взаимная перестройка». (Михайлова Н.А.,
Шарашкина Н.С., 1970)
«Главным фактором взаимодействия потока и русла следует считать
происходящий между ними взаимообмен наносами, несбалансированность
которого приводит к однонаправленным деформациям русла. Явно прослеживаются как прямые, так и обратные связи, обусловливающие саморегулирование необратимых русловых деформаций и транспорта наносов.
Процессы транспорта, переотложения наносов в русловых потоках, деформации русла следует рассматривать как саморегулируемые процессы,
регулятором которых является транспортирующая способность потока»
(Караушев А.В., Романовский В.В., 1986, с. 13-14).
Принцип взаимодействия потока и русла постепенно трансформируется в принцип взаимозависимости, затем взаимоуправления потока и русла, а теперь и в принцип саморегулирования системы «поток–русло».
Аналогичные принципы саморегулирования можно сформулировать
и на других системных уровнях, на которых обычно рассматриваются проявления русловых процессов.
На уровне системы «водосбор–река»: взаимодействие между рекой и
водосбором проявляется в саморегулировании продольного профиля реки
и рисунка гидрографической сети, что является ответным откликом на
нарушение баланса между соответствующими определяющими параметрами.
На уровне «поток–русло»: взаимодействие между потоком и руслом
проявляется в саморегулировании типов русловых процессов, что является
ответным откликом на нарушение баланса между определяющими параметрами (поступлением наносов и транспортирующей способностью потока).
На уровне «струя–песчинка»: взаимодействие между струёй и песчинкой проявляется в саморегулировании формы движения этой песчинки,
что является ответным откликом на нарушение баланса между определяющими параметрами (силами взвешивания и силой тяжести).
98
В соответствии с рассмотренными выше системными принципами не
следует смешивать процессы, проходящие на разных системных уровнях,
не следует сводить влияние одного и того же определяющего фактора к
проявлениям только на одном системном уровне, потому что на другом
системном уровне он может проявиться по-своему, независимо от проявления на первом уровне.
2.3.3. ТИПЫ РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА
Все возможные схемы деформаций русел равнинных рек, включающие начальную, промежуточную и конечную стадии развития, в соответствии с гидроморфологической теорией руслового процесса ГГИ, следует
подразделять на семь типов (рис. 3). Направление стрелки на рис. 3 показывает увеличение транспортирующей способности потока. На рисунке
указаны также основные морфометрические измерители различных типов
руслового процесса.
99
Рис. 3. Схема типов руслового процесса по классификации ГГИ
(по Н.Е. Кондратьеву, И.В. Попову).
1 - ленточногрядовый, 2 - побочневый, 3 - ограниченное меандрирование, 4 - свободное
меандрирование, 5 - незавершенное меандрирование, 5а - пойменная многорукавность,
1а - русловая многорукавность; lлг - шаг ленточных гряд, lпб - шаг побочней, lн - шаг излучины, a0 - угол разворота излучины, SИ - длина излучины, a1 - угол входа, a2 - угол
выхода, a0 = a1 + a2.
100
2.3.4. ТИПЫ РЕЧНЫХ ПОЙМ И ИХ СВЯЗЬ С ТИПАМИ
РУСЛОВОГО ПРОЦЕССА
Типизацией принято считать способ обоснованного сведения многообразия проявления данного природного объекта к небольшому числу избранных его типов.
Очевидно, что любая типизация отражает состояние изученности
данного объекта (вопроса) и наиболее точна, если в ее основу положены
необходимые и достаточные причинно-следственные связи процессов,
формирующих главные отличительные и одновременно объединяющие
признаки объекта. В этом случае типизация служит как для упорядочения
наших представлений в какой-то области знаний, так и для прогноза изменения свойств или облика объектов при изменениях в цепи главных причинно-следственных связей. Любой объект природы имеет очень большое
число связей с его окружением, поэтому неизбежно требуется выделение
главных (и, соответственно, типов объекта), а все второстепенные связи
могут быть использованы для выделения подтипов, количество которых
может быть довольно большим.
Поскольку поймы рек являются областью исследования ряда наук,
неизбежно возникали различные специализированные типизации, отражающие потребности данных исследований и степень их завершенности.
Довольно широко известными являются типизации ботаника Р.А.
Еленевского (1936), почвоведа В.Р.Вильямса (1949), геоморфолога Е.В.
Шанцера (1951), гидрологов Н.И. Маккавеева (1955) и И.В. Попова (I969).
Приведенный ниже анализ этих типизаций выполнен И.В. Поповым (1969).
В.Р. Вильямс выделяет поймы зернистые и слоистые. Первые характеризуются глинистыми почвами и ровной поверхностью, а вторые слоистыми песчаными почвами и гривистым рельефом поверхности.
101
Р.А. Еленевский, используя такие признаки, как происхождение, рельеф и строение поймы, выделяет два класса типов пойм: А - неразвитые,.
Б - развитые (рис. 4).
Рис. 4. Схема типизации пойм по Р.А. Еленевскому
Дадим краткое описание этих типов.
Класс А - неразвитые поймы - сложены в своей толще породами неаллювиального происхождения.
1.
Надморенная пойма образована продуктами отложений ледни-
ков, в которые врезано русло реки. Сверху моренные отложения перекрыты тонким слоем суглинка, образованного в результате осаждения взвешенных в воде наносов.
2.
Надкоренная пойма подстилается коренными породами дна
речной долины.
102
3.
Древнеозерно-торфяная пойма возникает, когда русло реки
проходит по месту древнего ложа озера, заполненного озерными отложениями. Наличие таких пойм соответствует схеме образования речных долин, данной В.В. Докучаевым еще в 1878 г.
4.
Озерно-плавневая пойма образуется в местах впадения реки в
озеро, где река отлагает наносы и образует низкие острова с озерками и
болотами.
5.
Лиманная пойма представляет собой систему замкнутых де-
прессий - лиманов. В половодье эти лиманы сливаются между собой, а в
межень разобщаются. Такие поймы образуются при протекании реки по
низким ровным степным участкам, когда сила потока (уклон местности)
оказывается недостаточной для глубокого вреза русла и поток в половодье
затопляет прилегающие участки местности.
6.
Горные поймы образуются в ходе плановых деформаций русел
горных рек, сложены крупными аллювиальными отложениями с примесью
продуктов осыпей со склонов долины (делювия). Эти поймы обычно узкие,
с неразвитой пойменной фацией аллювия из-за того, что в период кратковременных разливов пойменные потоки имеют большие скорости течения,
препятствующие отложению взвешенных наносов.
Класс Б - развитые поймы – сложены во всей своей толще аллювиальными отложениями, они созданы в процессе переотложения рекой
наносов путем деформаций русла.
Развитые поймы делятся на четыре группы типов: I- обвалованноравнинные, II - сегментно-гривистые, III - островные, IV - дельтовые.
Группа типов обвалованных пойм характеризуется наличием высокого участка поймы (вала) вдоль русла реки и выровненной поверхности.
Сегментно-гривистые поймы имеют гривистый микрорельеф поверхности.
Островные поймы возникают при формировании рекой островов. Дельтовые поймы, являясь по существу тоже островными, образуются в дельтах
крупных рек.
103
Характеристика многих типов этого класса пойм ясна из их названия
(рис.4) и в расшифровке нуждаются только некоторые из них.
Останцево-гривистая пойма образуется в ходе свободного меандрирования, когда в окружении поверхности аллювиальных отложений располагаются высокие незатопляемые остатки террасы. Такие останцы возникают при соединении размываемых берегов двух излучин, размывающих в
процессе своего развития склон террасы (рис. 5).
Рис. 5. Образование останцов на пойме свободно меандрирующих рек
Скрыто-гривисто-болотная пойма характеризуется развитием на поверхности аллювиальных отложений слоя торфа, нивелирующего ее исходный гривистый рельеф.
104
Ступенчато-гривистая пойма возникает при сочетании плановых и
высотных деформаций русла реки, когда разновозрастные пояса меандрирования или сегменты поймы формируются при заметной разнице в высоте
продольного профиля реки.
Гривисто-проносная пойма характеризуется наличием прямых параллельных друг другу и линии берега повышений с разделяющими их
ложбинами, по которым в половодье движутся сосредоточенные пойменные потоки. Генезис таких участков поймы, как отмечает И.В. Попов
(1969), не вполне ясен. Е.В. Шанцер считал, что такие поймы образуются
при смещении прямолинейного участка русла параллельно самому себе
так, что вдоль намываемого берега происходит причленение побочной и
образование прямых параллельных грив.
Таежно-аласная пойма характерна для районов многолетней мерзлоты, где при оттаивании линз льда в толще поймы ее поверхность проседает
и образуются своеобразные вторичные озера - аласы.
Овражно-делювиальная пойма возникает при сильном размыве террасы временными водотоками с образованием оврагов. Материал размыва
в виде конусов выноса отлагается на относительно узкой пойме, перекрывая первичные аллювиальные отложения и рельеф поверхности.
Стародельтовая пойма представлена наиболее старыми и высокими
островами в дельте реки.
Плавневая пойма - это молодые низкие острова.
Подводная пойма - скопления наносов, находящиеся под поверхностью воды.
Данные разновидности дельтовых пойм представляют собой различные стадии развития дельтовых островов.
Названия остальных типов пойм, на наш взгляд, не нуждаются в пояснении.
Положительным моментом типизации Р.А. Еленевского является то,
что в ее основу положен большой фактический материал по поймам раз105
личных природных зон и участков течения реки, свидетельствующий об
огромной работе, проделанной автором. Недостаток этой типизации обусловлен отсутствием в то время систематизированных представлений о
русловых деформациях и, как считает Е.В. Шанцер, отсутствием связи
процессов образования пойм с русловыми переформированиями.
2.3.5. СТЕПЕНЬ ВРЕЗАННОСТИ И ШИРИНА ПОЙМЫ, КАК
УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ РЕЧНОГО РУСЛА
Совместное рассмотрение и противопоставление врезанных и широкопойменных условий развития русловых процессов не всегда является
удачным. Формально следовало бы противопоставлять широкопойменным
– узкопойменные, или даже беспойменные условия развития русел, а врезанным руслам – аккумулирующие. Врезанные русла не всегда являются
беспойменными.
К беспойменным условиям развития рек относятся несколько случаев, различающихся по генезису. Признаком беспойменных рек является
отсутствие выхода высоких вод из бровок. Причины отсутствия выхода
вод на пойму: 1) река врезалась (рис. 6а); 2) пойма наросла (рис. 6б); 3)
наполнение русла уменьшилось (рис. 6в). Из рассмотренных вариантов
только изображенный на рис. 6а можно отнести к врезанным руслам,
остальные, хотя и похожи на него, но не являются врезанными по генезису.
Рис. 6. Варианты образования беспойменных (врезанных) рек.
106
Различие других условий развития русловых деформаций: врезанные
– нейтральные – антидолины (аккумулирующие) заключается в отношении
отметки уровня воды в реке НР к отметке окружающей территории НП.
При НР<<НП река является врезанной, при НР<=НП – нейтральной, При
НР>НП река имеет антидолину.
Термин «антидолина» использован в работе (Кузьмин И.А. и др.,
1986). В ней на основе анализа материалов по рекам Амударья, Терек, Или,
Кубань, Кура, Хуанхэ определены основные черты рек, уровень долины в
которых выше отметок окружающей территории. Среди них: повышение
реки вследствие отложения наносов; разливы реки в высокую воду на
больших территориях; периодические свалы реки в новое направление,
формирование нового русла ниже свала и временное развитие попятной
эрозии выше него и др. С.С. Мазавина (1972) описывает: «Сырдарья блуждает по обширной территории и, постепенно поднимаясь в собственных
отложениях над окружающей местностью, в конце концов покидает русло
и перебрасывается в пониженные места долины» и приводит характерный
рисунок поперечного профиля долины с понижениями в обе стороны от
русла. Выразительный рисунок приведён в книге (Чалов Р.С. и др., 1999),
на котором окружающая территория показана ниже не только поверхности, но и дна реки. Там же (Чалов Р.С. и др., 1999, с. 128) отмечается, что
аккумуляция наносов в нижнем течении р. Хуанхэ, Янцзы и Амур проявляется в широком распространении приустьевых озёр на притоках. Заполняя русло и долину аллювием и поднимая своё ложе, Амур аллювиальными отложениями создал «плотины» в устьях своих притоков, образовав на
них озёра и болота (Соловьев И.А., 1967). А.В. Чернов (1983, с. 113) для
рек, аккумулирующих наносы, выделяет наложенные, одноярусные и обвалованные поймы.
Морфологическое различие врезанных и аккумулирующих рек причиной имеет соотношение транспортирующей способности потока Rтр и
расхода наносов R. При R=Rтр количество взмываемых и осаждающихся
107
частиц равно, наблюдается сбалансированный обмен материалом. Если
R>Rтр, то поток не в состоянии переносить весь объём наносов, и часть из
них переходит в состав речных отложений. Противоположные процессы
возникают при R<Rтр (Алексеевский Н.И., Чалов Р.С., 1997).
Дисбаланс между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов на разных системных уровнях проявляется по-своему.
На уровне русловых форм (система «поток–грунт») он проявляется в развитии или деградации этих форм. На уровне системы «поток–русло» он
приводит к образованию различных типов русловых процессов (Кондратьев А.Н., 2001). Сейчас рассматривается дисбаланс на уровне системы «река–водосбор», где он приводит к врезанию или повышению продольного
профиля реки.
Другой геоморфологический фактор, относительная ширина поймы,
также различается по степени своего проявления (беспойменность, узкопойменность и широкопойменность), что по отношению к реке выражается
как широкопойменные, адаптированные и беспойменные русла (Чалов
Р.С., 1997, с. 53). Этот фактор, хотя и связан иногда в некоторой степени с
врезанностью русла («Чем больше дефицит наносов, тем интенсивнее врезание, тем уже дно долины и вероятнее образование беспойменного врезанного русла» (Чалов Р.С., 1996, с. 29), но обычно эти условия могут рассматриваться как независимые. Поэтому можно выделить следующий геоморфологический ряд: беспойменные – узкопойменные – широкопойменные реки.
Следующим шагом является объединение этих двух морфологически-генетических факторов. Для одновременного рассмотрения нескольких определяющих факторов используется многомерная таблица, по осям
которой отложены степени проявления этих факторов, а в соответствующих клетках расположены результирующие проявления процесса (например, метод турнирной таблицы (Чернов А.В., 1983), морфологический
ящик природы (Кондратьев А.Н., 2003). Примером использования такого
108
объединения является таблица морфодинамических типов русел (см. на
обложке книги Р.С. Чалова (1997)), по одной оси которой отложена относительная транспортирующая способность потока, выражающаяся в степени извилистости или русловой разветвлённости русла, а по другой оси –
относительная ширина поймы, определяющая степень ограничения планового развития русла. Другим примером могут быть двумерные таблицы
типов русел, по одной оси которой отложена относительная транспортирующая способность потока, а по другой степень затопляемости поймы, и
таблица видов меандрирования, совместно учитывающая степень развитости излучин и степень планового ограничения (Кондратьев А.Н., 2001).
Расположим степень планового ограничения развития русловых процессов по вертикали, а несоответствие транспортирующей способности
потока и поступления наносов, морфологически выражающееся во врезании или повышении продольного профиля реки – по горизонтали (рис. 7).
Рис. 7. Морфологические проявления сочетаний факторов
руслоформирования
В левом верхнем углу таблицы на рис. 7 расположены описанные
выше реки с широкопойменными антидолинами: р. Сырдарья, Хуанхэ и
др. В более узких поймах находятся адаптированные антидолины (например, р. Амур, ниже в левом столбце на рис. 7). В среднем столбце расположены «обычные» широкопойменные, адаптированные и беспойменные
реки. В правом столбце – врезанные реки с широкими и узкими бывшими
109
поймами и при отсутствии пойм. Полученная двухфакторная таблица полнее характеризует совместное проявление вертикальных и горизонтальных
деформаций речного русла на системном уровне «река – водосбор». Она не
учитывает многих других условий развития речных русел. Для их учёта
стоит использовать другие многофакторные таблицы с соответствующими
определяющими факторами.
?
Контрольные вопросы
Краткая история развития понятия «русловые процессы».
Характеристика взаимодействия потока и русла.
Типы русловых процессов.
Схема типизации пойм по Р.А. Еленовскому.
Надморенная пойма. Надкоренная пойма. Древнеозёрно – торфяная
пойма.
6. Озерно – плавневая пойма. Лиманная пойма. Горная пойма.
7. Типы развития пойм.
8. Останцево-гривистая пойма. Скрыто – гривисто – болотная форма.
Ступенчато – гривистая пойма.
9. Гривисто-проносная пойма. Таежно – аласная пойма. Овражно - деллювиальня пойма.
10. Стародельтовая пойма. Плавневая пойма. Подводная пойма.
11. Беспойменные условия развития рек.
12. Понятие антипоймы.
13. Относительная ширина поймы.
14. Понятие миандрирования.
1.
2.
3.
4.
5.
110
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ
Активный руслоформирую- Фактор, воздействующий на русло и
определяющий его деформации.
щий фактор
Антропогенный фактор
Влияние, оказываемое человеком и его
деятельностью на организмы, биогеоценозы, ландшафты, биосферу.
Бассейн водосборный
Часть территории суши, с которой происходит сток воды в реку, речную систему, озеро или море.
Вертикальная устойчивость
вод
Способность слоев воды, плотность которых возрастает с глубиной, тормозить
вертикальное перемешивание силой плавучести.
Внутриматериковый
Влагооборот
Осадки на любом участке суши складываются из «внешних», сконденсировавшихся из водяного пара, пришедшего
извне, и «внутренних» (или местных),
сконденсировавшихся из влаги, испарившейся с поверхности данного конкретного участка суши.
Водный баланс
Соотношение за какой–либо промежуток
времени (год, месяц, декаду и т.д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение
запаса) воды для речного бассейна или
участка территории, для озера, болота
или другого исследуемого объекта.
Водный поток
Вода, движущаяся под действием силы
тяжести и (или) других сил
111
Водообмен
Совокупность физических процессов,
приводящих к смене воды в водном объекте, замещению одних водных масс,
находящихся в нем, другими водными
массами (с иными свойствами), поступающими в него из сопредельных объектов гидросферы.
Водосбор (бассейн)
Часть земной поверхности, с которой вода поступает в отдельный водоток.
Водоток
Водный объект, характеризуемый постоянным или временным движением воды
в русле. Существуют: - временные и постоянные водотоки; - естественные и
искусственные водотоки
Гидрологический
Комплекс физических, химических, биохимических и биологических процессов,
происходящих в водных объектах и
определяющих его гидрологический режим.
процесс
Гидрологический режим
Совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта.
Гидрологический цикл
Процесс циклического перемещения воды в земной биосфере.
Явление природы, являющееся результатом гидрологического процесса: сток,
инфильтрация, испарение, паводок и т.п.
Гидрологическое явление
Главное русло
Одно из нескольких речных русел или
часть речного русла, в котором сосредоточена большая часть речного потока.
Деформация речного русла
Изменение формы и параметров речного
русла.
112
Динамическое равновесие
Состояние, при котором руслоформирующие критерии длительное время не изменяются. В результате динамического
равновесия деформации русла происходят по определённому типу русловых
процессов.
Долина
Вытянутое понижение земной поверхности, на дне которого располагается водоток.
Излучина
Часть извилистого русла между точками
перегиба.
Классификация
процессов
русловых Обоснованное упорядочивание выделенных типов русловых процессов.
Косвенный руслоформиру- Фактор, действующий не на русло, а на
непосредственный руслоформирующий
ющий фактор
фактор.
Круговорот воды
Непрерывный замкнутый процесс циркуляции воды, происходящий под влиянием солнечной радиации и сил тяжести;
часть круговорота веществ на Земле.
Меандрирование
Тип русловых процессов, в виде последовательных стадий извилистости речного русла. Различается развитое и неразвитое меандрирование, свободное и
ограниченное меандрирование.
Многофакторная классифи- Классификация русловых процессов одновременно по нескольким руслоформикация русловых процессов
рующим критериям.
Мощность водного потока
Работа реки, производимая в единицу
времени.
Наносы
Твёрдые частицы, переносимые водным
потоком. Существуют руслоформирующие и не руслоформирующие наносы.
Также наносы можно разделить по форме транспорта на взвешенные и влеко113
мые (донные). Наносы меняют форму
транспорта в зависимости от изменений
скоростей течения водотока.
Нанососбор
Часть земной поверхности, с которой
наносы поступают на определённый участок реки.
Напорное движение воды
Движение, при котором жидкость заполняет всё сечение закрытого русла (свободная поверхность отсутствует), а давление во всех точках потока выше атмосферного.
Нарушение
равновесия
динамического Значимое нарушение баланса между
руслоформирующими факторами.
Непосредственный
рус- Фактор, действующий на русло.
лоформирующий фактор
Неразвитое меандрирование
Меандрирование, при котором обычен
тип русла в виде сегментов.
Неразветвлённое русло
Тип русла без пойменных рукавов.
Ограниченное меандрирова- Меандрирование, стеснённое воздейние
ствием ограничивающих факторов.
Ограничивающий фактор
Фактор, сдерживающий проявление результатов какого-либо активного руслоформирующего фактора.
Однофакторная классифи- Классификация русловых процессов по
одному руслоформирующему критерию.
кация русловых процессов
Относительная транспорти- Руслоформирующий критерий, являюрующая способность потока щийся отношением транспортирующей
114
(ОТСП)
способности потока и поступления наносов.
Период условного
водообмена
Время, в течение которого произойдет
полная замена вод в водном объекте.
Пойма
Часть дна долины, прилегающая к руслу
водотока и затопляемая при подъемах
уровня воды в водотоке.
Пойменная многорукавность Тип русловых процессов, включающий
образование, деформации и исчезнове(разветвлённое русло)
ние пойменных рукавов. Существуют
также многообразные другие типы русловых процессов.
Пойменный остров
Остров, образованный в результате формирования на пойме дополнительного
речного русла.
Поступление наносов
Количество наносов, поступающих за
единицу времени на определённый участок реки с нанососбора (большей частью наносы поступают с вышележащего участка реки, а также частично с ближайших берегов).
Плотностное движение воды
Градиентные течения, течения в морях и
океанах, возбуждаемые горизонтальными градиентами давления, которые обусловлены неравномерным распределением плотности морской воды.
Протока
Меньшая часть речного русла с одной
стороны от руслового острова.
Радиационный баланс
Соотношение прихода и расхода тепла за
выбранный интервал времени.
115
Разветвлённое русло
Тип русла с пойменными рукавами.
Развитое меандрирование
Меандрирование, при котором превалирует тип русла в виде петлей.
Расход воды
Количество воды, протекающее через
поперечное сечение потока в единицу
времени
Расход наносов
Количество наносов за единицу времени,
которое перемещает река через поперечное сечение. Расход наносов является результатом поступления наносов и транспортирующей способности потока.
Река
Водоток значительных размеров с естественным течением по руслу.
Речной поток
Водный поток в русле.
Речное русло
Вытянутое понижение земной поверхности, занятое водным потоком.
Рукав
Пойменный рукав или ответвление (в зависимости от длины) – одно из нескольких речных русел реки, в котором сосредоточена меньшая часть речного потока.
Наука о русловых процессах.
Русловедение
Русловая многорукавность
Русловой остров
Русловые процессы
Тип русловых процессов, характеризующийся образованием, смещением и исчезновением русловых островов.
Остров, образованный в речном русле.
Совокупность явлений и процессов, происходящих под воздействием комплекса
различных природных и антропогенных
116
факторов, и выражающихся в морфологических изменениях речных русел.
Руслоформирующий
рий (Мера действия)
крите- Соотношение внешнего руслоформирующего фактора и соответственного
внутреннего противодействия системы
этому внешнему фактору, определяющее
тип руслового процесса.
Руслоформирующие наносы
Наносы, участвующие в деформациях
речного русла.
Руслоформирующий фактор
Существенное явление, влияющее на
деформации речного русла. Различают
флювиальные и нефлювиальные, естественные и антропогенные руслоформирующие факторы.
Русловые формы
Структурные скопления перемещающихся наносов в русле. Существуют
следующие русловые формы: побочни,
осерёдки, пляжи, ленточные гряды и др.
Свободное меандрирование
Меандрирование, не стеснённое воздействием
ограничивающих
факторов
(главным образом, плановых).
Смена типа русловых про- Изменение типа русловых процессов под
воздействием нарушения баланса между
цессов
руслоформирующими факторами.
Тепловой баланс
Сопоставление прихода и расхода тепловой энергии при анализе тепловых процессов.
Типизация русловых процес- Выделение набора типов русловых процессов.
сов
117
Тип русла
Форма речного русла в плане. Например,
извилистые, прямые, разветвлённые и
др. типы русел.
Тип русловых процессов
Квазициклическая схема деформаций
речных русел (на конкретном участке
реки). Существуют различные типы русловых процессов, например, меандрирование, русловая многорукавность, пойменная многорукавность и др.
Транспортирующая
ность потока
Фрикционное течение
способ- Количество наносов за единицу времени,
которое способна перемещать река через
поперечное сечение без изменения типа
русловых процессов.
Поступательные движения масс поверхностного слоя воды в водоёме, вызванное влекущей силой ветра.
118
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
3
Часть I. Круговорот воды в природе и водные ресурсы Зем-
5
ли
Модуль 1.1. Вода на земном шаре.
5
1.1.1.
Водные ресурсы земли
8
1.1.2.
Изменение количества воды на земном шаре
10
1.1.3.
Круговорот теплоты на земном шаре и роль в нем при-
11
родных вод
1.1.4.
Круговорот воды на земном шаре
15
1.1.5.
Глобальный круговорот воды (гидрологический цикл)
17
1.1.6.
Внутриматериковый влагоборот
19
1.1.7.
Водообмен
20
1.1.8.
Влияние антропогенного фактора на круговорот воды
22
Контрольные вопросы
26
Модуль 1.2. Физические основы гидрологических процессов
28
1.2.1.
Фундаментальные законы физики и их использование
31
при изучении водосборов
1.2.2.
Водный баланс
34
1.2.3.
Баланс содержащихся в воде веществ
36
1.2.4.
Тепловой баланс
42
1.2.5.
Основные закономерности движения природных вод
44
1.2.6.
Расход, энергия, работа и мощность водотоков
48
1.2.7.
Силы, действующие в водных объектах
49
1.2.8.
Влияние гидрологических процессов на природные усло-
52
вия
Контрольные вопросы
61
Часть II. Процессы и компоненты в водных системах
62
119
Модуль 2.1. Водные экосистемы, процессы и компоненты
62
природных вод
2.1.1.
Водные экосистемы
65
2.1.2.
Процессы и компоненты природных вод
66
2.1.3.
Наземный и грунтовый сток
72
2.1.4.
Уровенный и скоростной режим рек
76
2.1.5.
Тепловой режим и условия освещенности
77
2.1.6.
Взвешенные и растворенные вещества
77
2.1.7.
Поверхностные воды как сложная система
78
2.1.8.
Общие сведения о физико – химических реакциях в при-
81
родных водах
2.1.9.
Растворение газов в природных водах
81
2.1.10. Биологическая продукция экосистем
83
Контрольные вопросы
87
Модуль 2.2. Русловые процессы
89
2.3.1.
История развития понятия «русловые процессы»
91
2.3.2.
Взаимодействие потока и русла
95
2.3.3.
Типы русловых процессов
99
2.3.4.
Типы речных пойм и их связь с типами русловых про-
101
цессов
2.3.5.
Степень врезанности и ширина поймы, как условия раз-
106
вития русла
Контрольные вопросы
110
Словарь терминов
111
120
Учебное издание
В.В. Афонин,
Ю.В. Бондаренко,
Б.В. Фисенко
ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ И ЯВЛЕНИЯ
(интерактивный курс)
Учебно-практическое пособие
Издается в авторской редакции
Корректура авторов
121