Введение

ИНЖЕНЕРНАЯ ГИДРОЛОГИЯ

Курс лекций для АСД-37

 

 

Гидрология(буквально – наука о воде) занимается изучением природных вод, явлений и процессов, в них протекающих. а также определяющих распространение вод по земной поверхности и в толще почво-грунтов, и закономерностей, по которым эти явления и процессы развиваются. Гидрология относится к комплексу наук, изучающих физические свойства Земли, в частности ее гидросферы.

Предметом изучения гидрологии являются водные объекты: океаны, моря, реки, озера и водохранилища, болота и скопления влаги в виде снежного покрова, ледников, почвенных и подземных вод.

Основное содержание гидрологических исследований в зависимости от их направления – либо определение географических характеристик водных объектов (их распределение по территории, размеров, общих описаний), либо выяснение физических закономерностей взаимодействия воды с окружающей средой (законы перемещения водных масс, испарения воды, таяния снега и ледяного покрова, воздействия воды на речное ложе и пр.). Таким образом, всестороннее изучение гидрологических процессов должно предусматривать, с одной стороны, исследование вод как элемента географического ландшафта, а с другой – установление физических закономерностей, которым подчиняются гидрологические процессы.

Воды поверхности Земли (океанов, морей, рек, озер, болот, ледников), ее воздушной оболочки (атмосферы) и находящиеся в земной коре тесно связаны между собой, поэтому ряд вопросов, относящихся к деятельности воды на земном шаре, одновременно рассматривается гидрологией, метеорологией, геологией, почвоведением, геоморфологией, географией и другими науками, изучающими атмосферу и литосферу.

Так, например, общими для гидрологии и метеорологии являются вопросы образования, выпадения и распределения по земной поверхности атмосферных осадков, испарения воды с поверхности рек, озер и водохранилищ, испарения влаги с почвы и растительного покрова. Общими вопросами для гидрологии, геоморфологии и почвоведения являются процессы размыва (эрозии) и отложения (аккумуляции) продуктов разрушения горных пород, совершающиеся на земной поверхности.

В гидрологических исследованиях широко используются выводы физики, гидравлики и гидродинамики, математической статистики и т.д.

Гидрология:

- исследует круговорот воды в природе, влияние на него деятельности человека и управление режимом водных объектов и водным режимом отдельных территорий;

- проводит анализ гидрологических элементов для отдельных территорий и Земли в целом;

- дает оценку и прогноз состояния и рационального использования водных ресурсов.

Так как процессы, совершающиеся в морях и океанах, существенно отличаются от процессов, происходящих в реках, озерах и болотах, что определяет и различие в методах их исследований, гидрология делится на гидрологию моря и гидрологию суши. Гидрологию моря чаще называют океанологией, или океанографией, сохраняя термин «гидрология» за гидрологией суши. Такое понятие и будет использоваться в дальнейшем.

В зависимости от объектов исследования различают:

- гидрологию рек;

- гидрологию озер;

- гидрологию болот;

- гидрологию подземных вод;

- гидрологию ледников.

В пределах инженерной гидрологии рассматриваются методы расчета и прогноза характеристик гидрологического режима. Через этот раздел в наиболее полной форме гидрология обеспечивает запросы практики водохозяйственного строительства и решение других инженерных задач.

Для начала изучения «гидрологии» запишем смысл основных базовых понятий и определений.

Гидрологический режим – закономерные изменения состояния водного объекта во времени и пространстве, обусловленные главным образом климатическими особенностями данного бассейна. Естественный гидрологический режим нередко существенно видоизменяется под воздействием хозяйственной деятельности человека.

Элементы гидрологического режима – совокупность закономерно повторяющихся изменений состояния водного объекта, присущих ему и отличающих его от других водных объектов.

Гидрологический процесс – процесс формирования гидрологического режима. При гидрологическом процессе вода вступает во взаимодействие с природной средой.

Гидрологический элемент – наблюдаемая или измеряемая характеристика гидрологического процесса, режима, явления.

Гидрологический год – годичный интервал, включающий периоды накопления и расходования влаги на рассматриваемой территории с условно выбранным началом. В климатических условиях России за начало гидрологического года принимается 1 октября или 1 ноября, когда переходящие из года в год запасы влаги малы.

Гидрологический сезон – часть гидрологического года, в пределах которого гидрологический режим характеризуется общими чертами его формирования и проявления, обусловленными сезонными изменениями климата. Различают весенний, летне-осенний и зимний гидрологические сезоны.

Гидрометрия – раздел гидрологии суши, занимающийся измерением элементов гидрологического режима, способами и приборами этих измерений, а также методами обработки полученных результатов, их сбора, хранения и публикации.

Гидрологическая аналогия – косвенный метод определения гидрологических характеристик водного объекта, по которому не имеется данных непосредственных измерений, или по данным водного объекта, находящегося в аналогичных природных условиях и имеющего эти измерения.

Гидрологические данные – сведения о гидрологических явлениях, элементах и характеристиках.

Гидрологические наблюдения – систематические наблюдения (измерения) над гидрологическими элементами.

Гидрографическая сеть – совокупность водотоков и водоемов суши в пределах определенной территории. Характеризуется коэффициентом густоты речной сети, озерности и заболоченности.

Гидрологические карты – отображают распределение вод на земной поверхности, характеризуют режим водных объектов, их сток или расход, количество переносимых наносов, соленость озер и т.д.

Гидросфера – водная оболочка Земли, включающая все воды, находящиеся в жидком, твердом и газообразном состояниях. Включает воды океанов, морей, подземные воды, поверхностные воды суши. Некоторое количество воды находится в атмосфере и в живых организмах. Свыше 96% объема гидросферы составляют моря и океаны, около 2% подземные воды, около 2% льды и снега, и 0,02% составляют поверхностные воды суши.

Мировой океан – основная часть гидросферы, непрерывная, но не сплошная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова и отличающаяся общностью солевого состава.

Водный объект – постоянное или временное сосредоточение природных вод на поверхности суши либо в горных породах, имеющие характерные формы распространения и черты режима.

Бессточная область – часть суши, лишенная связи через речные системы с Мировым океаном. Реки бессточной области впадают во внутренние моря, озера или теряются в песках. Наиболее обширные бессточные области находятся в Африке и Азии. Суммарная площадь бессточных областей составляет 22% всей суши.

Болото – участок земной поверхности, постоянно или большую часть года насыщенный водой и покрытый специфической болотной растительностью. Соответствующая экосистема характеризуется накоплением в верхних горизонтах субстрата мертвых неразложившихся растительных остатков, со временем превращающихся в торф. Болота возникают при зарастании озер, в результате переувлажнения почвы, при неглубоком залегании грунтовых вод и т.д. Различают верховые, низинные и переходные болота. По преобладающей растительности различают лесные, кустарничковые, травяные, моховые болота; по микрорельефу различают бугристые, плоские и выпуклые болота.

Болотные воды - воды, содержащиеся в болотах и обогащенные природными органическими веществами.

Дождевые воды – воды, образовавшиеся из атмосферных осадков и в которые еще не поступили растворимые вещества из почвы.

Ливневые воды – поверхностные воды, формирующие потоки воды в результате сильных дождей.

Наводнение – значительное временное затопление местности в результате подъема уровня воды в реке, озере или море в период снеготаяния, ливней, ветровых нагонов воды, при заторах, зажорах и т.п. На морских берегах наводнения возникают при цунами.

Морская вода – вода Мирового океана, характеризуется постоянством солевого состава, в котором основную массу составляют ионы натрия, магния, калия, кальция, хлора, серы, а также содержатся взвешенные твердые частицы, растворенные газы, некоторые органические соединения.

Количество растворенных солей различно в разных частях Мирового океана. В открытых частях океана морская вода в среднем содержит солей 35г на 1кг. Морская вода, имеющая среднюю для океанов соленость. замерзает при -1,9С, при этом она приобретает наибольшую плотность.

Природные воды – воды Земли с содержащимися в них твердыми, жидкими и газообразными веществами.

Поверхностные водысуши – воды, находящиеся на поверхности суши в виде водных объектов, которые текут или собираются на поверхности земли: морские, озерные, речные, болотные и другие воды.

Снежный покров – слой снега на поверхности Земли, образовавшийся в результате снегопадов и метелей. Обладает малой плотностью, возрастающей со временем, особенно весной. Отражательная способность (альбедо) свежевыпавшего снега 70-90%, старого, тающего снега -30-40%. Снежный покров сильно отражает солнечную радиацию и предохраняет почву от чрезмерного выхолаживания, а озимые посевы от вымерзания; оказывает огромное влияние на климат, рельеф, питание рек и ледников, почвообразовательные процессы, жизнь растений и животных. Различают временный снежный покров, стаивающий за несколько часов или дней после образования, и устойчивый снежный покров, сохраняющийся в течение всей зимы или с небольшими перерывами.

Рекомендуемая литература:

СНиП 2.01.14-83 Определение расчетных гидрологических характеристик

СН 33-101-2003 Определение основных расчетных гидрологических характеристик

СНиП 23-01-99 Строительная климатология

Железняков и др. Гидрология, гидрометрия и регулирование стока.