Метод водного баланса в гидрологии универсальное уравнение водного баланса (6 видео)

Содержание

Уравнения водного и теплового баланса
Тепловой баланс водных объектов
Тепловой баланс
ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС
Метод водного баланса в гидрологии. Универсальное уравнение водного баланса
🎥 Видео

Видео:Определение водного балансаСкачать

Уравнения водного и теплового баланса

(по А. И. Чеботареву)

Уравнение водного баланса в общем виде. Метод водного баланса основан на следующем очевидном равенстве: для любого объема пространства, ограниченного некоторой произвольной поверхностью, количество воды, вошедшее внутрь этого объема, за вычетом количества воды, вышедшего наружу, должно равняться увеличению (или соответственно уменьшению) количества ее внутри данного объема. Это равенство справедливо для любого промежутка времени и для любого произвольно взятого пространства, ограниченного замкнутой поверхностью.

Водный баланс речного водосбора отражает важные с точки зрения гидрологии звенья процесса круговорота воды в природе. При анализе воднобалансовых соотношений многие гидрологические явления рассматриваются в их совокупности и взаимодействии.

Пользуясь методом водного баланса, представляется возможным производить сопоставление отдельных источников поступления влаги в различные периоды времени в пределы изучаемой территории и устанавливать степень их влияния на общий ход формирования водного режима изучаемого объекта. На основе взаимной увязки отдельных компоненгов водного баланса можно установить и путем анализа устранить возможные ошибки измерений и оценить точность полученных выводов.

Наконец, метод водного баланса позволяет косвенным путем определить по разности между изученными величинами тот из компонентов баланса влаги (сток, осадки, испарение, фильтрация и т. д.), который в данных условиях трудно измерить, но знание которого бывает необходимо или для решения чисто инженерных задач, или для выяснения общих закономерностей влагооборота к пределах рассматриваемого пространства.

Все это определило весьма широкое распространение этого метода в гидрологии. Исходя из изложенных основных принципиальных положений, составим уравнение водного баланса для произвольно взятой части земной поверхности. Контур, ограничивающий рассматриваемую часть земной поверхности, в общем случае пересекает входящие и выходящие водотоки. Через этот контур мысленно проведем вертикальную поверхность, которая будет являться боковой поверхностью выделяемого объема.

Эту боковую поверхность продолжим до горизонта, ниже которого воды не проникают (например, до водонепроницаемого слоя). Учтем все возможные пути поступления и расходования влаги в рассматриваемом объеме.

Приходную часть баланса влаги в рассматриваемом объеме будут составлять:
1) осадки х, выпавшие за рассматриваемый период времени на поверхность выделенного объема;
2) количество влаги z₁, конденсирующейся в почве и на ее поверхности;
3) количество воды w₁, поступившей путем подземного притока;
4) количество воды у₁, поступившей на данную площадь через поверхностные водотоки (русловой и склоновый сток).

Расходование влаги из рассматриваемого объема может осуществляться следующими путями:
1) испарение z₂ с поверхности воды, снега, почвы, растительного покрова и транспирация;
2) отток воды w₂ путем подземного стока;
3) стекание воды у₂ поверхностными водотоками (русловой и склоновый сток).

Превышение приходной части баланса над расходной будет вызывать увеличение запасов влаги в рассматриваемом объеме.

Наоборот, превышение расходной части баланса над приходной может произойти только за счет уменьшения запасов влаги.

Таким образом, чтобы получить равенство приходной и расходной частей уравнения баланса, нужно в левую (приходную) часть уравнения добавить член u₁, характеризующий убыль запасов влаги за рассматриваемый период, а в правую (расходную) часть — член u₂, характеризующий прибыль запасов влаги.

Все величины, входящие в уравнение баланса, выразим не в виде объема воды, поступившей в пределы, ограниченные заданным контуром, или, наоборот, вышедшей за пределы контура, а в виде слоя воды, т. е. объема, деленного на площадь рассматриваемой территории.

В соответствии с принятыми обозначениями общее уравнение баланса влаги для произвольного контура и произвольного промежутка времени напишется в виде

Частные случаи уравнения водного баланса. Если рассматривать не произвольный контур, а речной бассейн, для которого можно точно провести линию водораздела, то в этом случае замкнутую линию водосбора будет пересекать только один вытекающий водоток.

В этом случае у₁ и y₂ следует заменить значением стока через один водоток у, а уравнение (1) после некоторых преобразований можно написать так:

Далее в целях большей компактности вывода будем рассматривать не каждый в отдельности из всех случаев прихода — расхода влаги, а результат совместного действия прямо противоположных факторов (испарение — конденсация, подземный приток — сток через контур, прибыль-убыль запасов воды).

Обозначим в этом случае через z испарение за вычетом конденсации, т. е. z = (z₂ — z₁), через u — положительное (прибыль) или отрицательное (убыль) изменение запасов влаги в бассейне, например возрастание или убывание снежного покрова, поднятие или опускание уровня грунтовых вод, подъем или падение уровня воды в реках, озерах и т. д. Наконец, через w обозначим положительное (в случае отекания за пределы бассейна) или отрицательное (в обратном случае) значение подземного водообмена данного бассейна с соседним.

Так как х и у всегда положительны, разность z = z₂ — z₁ почти всегда положительна, ибо конденсация в подавляющем большинстве случаев меньше испарения, а и и w могут иметь и положительные и отрицательные значения, то окончательно самое общее выражение баланса влаги для речного бассейна можно записать в виде:

Относительно члена w необходимо заметить, что эта величина, полученная от деления на площадь водосбора подземного притока (оттока), совершающегося по периметру контура, убывает для подобных фигур с возрастанием их размеров, т. е. при прочих равных условиях член w будет тем меньше, чем больше площадь бассейна. Поэтому, применяя уравнение (3) к бассейну, достаточно большому, можно пренебречь членом w, убывающим с возрастанием площади.

Применительно к этому случаю уравнение (3) напишется в виде:

Теперь рассмотрим не произвольный период времени, а гидрологический год, под которым будем понимать такой годичный период, в течение которого завершается цикл накопления и расходования влаги на поверхности бассейна. В этот цикл необходимо включить весь период накопления снега и весь период снеготаяния и половодья, весь период интенсивных дождей и по возможности весь период стока этих дождевых вод. Очень часто за начало гидрологического года для равнинной части Европейской территории принимают обычно 1 октября. Теоретически начало гидрологического года различное для каждой климатической зоны и даже для каждого года в зависимости от гидрологической и метеорологической обстановки, однако практически это ведет к значительному усложнению расчетов, в большинстве случаев не оправдываемому требованиями практики. Поэтому обработка данных гидрологических и метеорологических наблюдений не в пределах календарного, а в пределах гидрологического года производится главным образом при исследовании специальных вопросов и при научных разработках.

Итак, если применить уравнение баланса (4) к периоду гидрологического года, то член ± u будет означать накопление или расходование подземных вод

Знак у u_подз будет меняться с чередованием лет, причем в засушливые годы часть подземных вод будет расходоваться на сток и испарение, а во влажные, наоборот, часть осадков пойдет на пополнение запасов подземных вод. Поэтому применительно к многолетнему периоду, включающему в себя и засушливые и влажные годы, можно написать

Применительно к бессточному бассейну, например к бассейну озера, не имеющего стока (у=0), уравнение баланса для многолетнего периода примет следующий простой вид:
х = z, т. е. для бессточного бассейна осадки за многолетний период равны испарению.

Непосредственное измерение составляющих уравнения водного баланса. Рассмотрим каждый из составляющих членов уравнение баланса влаги речного бассейна в отдельности.

Измерение осадков менее сложное, чем других элементов водного баланса, поэтому распределение их по земной поверхности изучено наиболее подробно. Некоторые важные особенности, относящиеся к измерению осадков, изложены в п. 3.2.

Роль конденсации как дополнительного фактора, способствующего увеличению запасов влаги, обычно невелика по сравнению с общим объемом влаги, учитываемым уравнением водного баланса. Систематические измерения этого элемента не производятся. Поэтому в расчетах при пользовании метеорологическими данными неизбежно допускают некоторую погрешность.

Только в отдельных частных случаях при исследовании баланса сравнительно неболь-ших количеств влаги (например, формирования подземных вод в пустынях) организуют специальные исследования для учета конденсации.

Непосредственное измерение расхода воды на испарение, происходящее с поверхности воды, снега и льда, почвы и растений, а также на транспирацию для достаточно больших водосборов представляет значительные трудности. Обычно оценка этой составляющей водного баланса производится путем расчета, основываясь на зависимостях, рассмотренных в п. 3.3.

Сток у при надлежащей организации работ может быть измерен приемами гидрометрии сравнительно точно. Подземный водообмен через контур w (за счет несовпадения подземного и поверхностного водосборов) обычно не учитывается, во-первых, ввиду его незначительной величины (особенно для больших территорий) по сравнению с остальными составляющими водного баланса, во-вторых, ввиду чрезвычайной сложности его определения.

В отдельных случаях при наличии мощных подземных водотоков (карстовые области), направление которых не совпадает с направлением поверхности стока, ошибка из-за неучета этого члена равенства может оказаться весьма существенной, особенно по отношению к подземному питанию данной реки.

Наконец, рассмотрим последний член уравнения и — изменение запасов влаги в пределах рассматриваемого объема.

Эти запасы слагаются из поверхностных и подземных вод. Увеличение их ведет к повышению уровня водоемов и грунтовых вод, увеличению влажности почво-грунтов, возрастанию мощности снежного покрова и т. д. Уменьшение запасов влаги характеризуется обратными явлениями.

Изменение запасов поверхностных вод может быть учтено с некоторым приближением по данным наблюдений за уровнем озер, рек, прудов, снегомерных съемок и пр.

Вопрос о колебаниях запасов подземных вод и влажности почво-грунтов, будучи связан с характеристиками горных пород, слагающих изучаемую территорию, с колебанием уровня грунтовых вод, скорости и направления их движения и т. д., является сложным и точной количественной оценке для достаточно крупных водосборов не поддается.

Таким образом, из пяти членов, входящих в уравнение водного баланса, только два могут быть измерены непосредственно — осадки х и сток у, а остальные, как правило, определяются приближенно.

Рассмотренные уравнения описывают основные наиболее типичные воднобалансовые соотношения, которые применительно к отдельным, частным ситуациям могут быть записаны в более детальной форме.

Например, можно считать, что общий сток включает поверхностную и подземную составляющие. Изменение запасов влаги в пределах речного водосбора иногда целесообразно представить раздельно в форме изменения запасов, накапливающихся в понижениях рельефа на поверхности водосбора, изменения запасов подземных вод, возникающих в результате их сработки или пополнения за счет фильтрации поверхностных вод, и т. д. Уравнение водного баланса, записываемое с той или иной степенью детализации, иногда называют дифференцированным уравнением водного баланса.

Количество возможных для использования ресурсов поверхностных и подземных вод (приходная часть) и потребности в воде населения и всех отраслей народного хозяйства в пределах какой-либо территории, экономического района или населенного пункта (расходная часть) при неблагоприятном соотношении ресурсов и потребления обычно выражают в форме водохозяйственного баланса.

Таким образом, водный баланс характеризует соотношения, устанавливающиеся между приходом и расходом влаги под влиянием природных процессов (иногда с учетом воздействия хозяйственной деятельности), а водохозяйственный баланс — сложившуюся или проектируемую ситуацию между возобновляемыми в процессе круговорота воды запасами природных (обычно пресных) вод и потребностями в воде народного хозяйства. При этом общий речной сток, являющийся расходным элементом водного баланса, в водохозяйственном балансе выступает как основная его приходная часть.

Видео:ЭТОТ метод поможет на уроках ХИМИИ / Химия 9 классСкачать

Тепловой баланс водных объектов

Общий вид уравнения теплового баланса. При решении весьма многих гидрологических вопросов широкое применение находят законы сохранения энергии и материн, записанные в форме уравнения теплового баланса, применительно к условиям водных объектов.

Использование уравнения теплового баланса позволяет решать задачи, относящиеся к области расчета нагревания и охлаждения воды в реках и озерах, таяния снега, испарения воды, нарастания льда, и выяснять закономерность развития ряда других важных гидрологических процессов, совершающихся под влиянием теплообмена между водными объектами и окружающей средой, количественным выражением которого и является уравнение теплового баланса.

При составлении уравнения теплового баланса необходимо осуществить учет всех потоков тепла, поглощаемых рассматриваемым водным объектом или расходуемых им через плоскости раздела, ограничивающие его от окружающего пространства. Элементами теплообмена между водным объектом и окружающей средой являются:
S_ср — поглощаемая водой (снежным, ледяным покровом) суммарная (прямая и рассеянная) коротковолновая солнечная радиация;
S_иа — поглощаемое водой (снежным, ледяным покровом) встречное длинноволновое излучение атмосферы;
S_ив — потери тепла водой (снежным, ледяным покровом) путем длинноволнового излучения;
S_тa — турбулентный обмен тепла с атмосферой путем конвекции, молекулярной и турбулентной теплопроводности (за счет разности температуры воды и воздуха);
S_ик — тепло, затрачиваемое на испарение или выделяемое при конденсации;
S_тд — теплообмен с дном;
S_пр — тепло, приносимое водой притоков и источников; на бесприточном участке реки — тепло, поступающее через входной створ участка;
Sст — тепло, выносимое поверхностным и подземным стоком; на бесприточном участке реки — тепло, приносимое через выходной створ участка;
S_oc — тепло, поступающее от дождевых осадков или затрачиваемое на таяние снега, выпадающего в водоем;
S_ик — тепло, теряемое вместе с испарившейся водой или приходящее вместе с конденсирующимся паром воды;
S_л — тепло, выделяемое при образовании льда или затрачиваемое при его таянии на месте (в пределах данного водоема или в пределах рассматриваемого участка);
S_лп — тепло, затрачиваемое на таяние льда, внесенного на рассматриваемый участок реки или водоем притоками;
S_кэ — тепло, выделяемое при рассеянии кинетической энергии.

Помимо указанных элементов теплообмена, на температуру воды оказывает влияние тепло, выделяющееся при биохимических процессах, тепло, поступающее из недр земли; отраженная от берега и суммарная солнечная радиация и т. п. Существенного влияния эти источники тепла обычно не оказывают и поэтому в тепловом балансе не учитываются. Тепло Sкэ, выделяющееся при движении жидкости за счет сил трения, начинает играть заметную роль лишь при скоростях течения, превышающих 0,4-0,5 м/с, наблюдающихся в реках и сильно проточных озерах и водохранилищах.

Составляющие теплового баланса S_cp, S_иа, S_пр и S_кэ всегда положительны; S_ив, S_ст и S_лп всегда отрицательны; остальные составляющие могут обусловливать как увеличение, так и уменьшение запаса тепла в водной массе. Тепловой поток Sик положителен при конденсации и отрицателен при испарении. Если тепловые потоки Sта и Sтд направлены от водной массы в атмосферу или литосферу, то они будут иметь отрицательный знак, при обратном потоке тепла эти составляющие войдут в уравнение теплового баланса со знаком плюс. При образовании льда тепловой поток Sд положителен, при таянии — отрицателен; значение Soc положительно при дождевых осадках и отрицательно при снеге.

Сопоставляя положительные и отрицательные тепловые потоки, можно найти величину результирующего теплового потока S, характеризующую изменение теплосодержания в рассматриваемом объеме воды за промежуток времени T. При увеличении содержания тепла в озере S положительно, а при уменьшении — отрицательно.

Учитывая изложенное, уравнение теплового баланса для некоторого периода времени T может быть записано в виде

Во многих случаях нет необходимости учитывать все перечисленные составляющие теплового баланса. Так, в теплый период года, а на незамерзающих водных объектах и в течение любого периода нет необходимости учитывать теплоту образования и таяния льда S_л, S_лп. Применительно к условиям бессточных озер отпадает тепловой поток S_ст.

Часто можно пренебречь теплом, приносимым притоками (S_пр), дождевыми осадками (S_oc) и затрачиваемым на таяние льда (S_лп), приносимого притоками. На глубоких озерах (глубиной более 20 м) можно пренебречь и членом S_тд, так как годовой ход температуры у дна таких озер сильно сглажен и потому теплообмен между водной массой и ложем очень мал. На мелководных озерах, особенно в период ледостава, роль теплообмена с дном возрастает и пренебрегать членом S_тд уже нельзя.

Для периода, когда на водоеме отсутствуют ледовые образования, основную роль в тепловом балансе играет суммарная солнечная радиация S_cp, излучение атмосферы S_иа, излучение воды S_ив, расход тепла на испарение S_ис и турбулентный теплообмен с атмосферой S_та, характеризующие теплообмен водной массы с атмосферой.

При наличии снежно-ледяного покрова и установившегося в его толще теплового режима тепловые потоки, характеризующие теплообмен с атмосферой (S_cp, S_иа, S_ис, S_та), можно заменить одним потоком Sтлс, выражающим тепловой поток от воды в атмосферу сквозь снежно-ледяную толщу. Допускаемая при такой замене неточность, являющаяся следствием неучета части солнечной радиации, проникающей в воду, становится существенной лишь для условий весны, когда после схода снежного покрова некоторая часть солнечной радиации начинает проникать сквозь лед в воду.

Если уравнение теплового баланса составляется для годового периода, то составляющие S_тд (теплообмен с дном) и S_л (тепло, выделяемое при образовании льда или затрачиваемое при его таянии) в него не войдут, так как в течение года теплоотдача дну компенсируется приходом тепла от него, а тепло, выделяемое при образовании льда, компенсируется затратами тепла при его таянии.

Для периода весеннего снеготаяния уравнение теплового баланса снежного покрова сокращается до вида

В этом случае теплоприход от почвы обычно невелик и им можно пренебречь. Приток тепла за счет жидких осадков также достаточно мал и может не приниматься во внимание. Обычно не учитывается и тепло, расходуемое на изменение температуры снега.

При составлении уравнения теплового баланса все его составляющие должны быть выражены в одинаковых тепловых единицах в виде количества тепла (кал, ккал) или в форме теплового потока, отнесенного к единице поверхности [кал/(см 2 *сут), кал/(см 2 *год)].

Видео:ОВР и Метод Электронного Баланса — Быстрая Подготовка к ЕГЭ по ХимииСкачать

Тепловой баланс

Общие положения. Колебания температуры воды в реках и водоемах, нагревание и охлаждение почвы, таяние снега, нарастание и разрушение ледяного покрова — все эти явления связаны с тепловым балансом участков земной поверхности или воды в реках и водоемах. Решая соответствующее уравнение, можно определить интенсивность этих процессов в конкретных условиях.

Уравнение теплового баланса составляется или для некоторого замкнутого объема, например для объема воды на участке реки, как это делается и при расчетах водного баланса, или для поверхности воды, снега, льда. Так, при расчете нарастания льда на водоемах используют уравнение теплового баланса для поверхности воды подо льдом, а при расчете снеготаяния — для самого верхнего слоя снега.

При составлении уравнения теплового баланса включаются все слагаемые, вносящие существенный вклад в баланс данной среды. Некоторые второстепенные элементы не учитываются, если величина их того же порядка, что и погрешность главных слагаемых. Решая уравнение, можно определить неизвестное слагаемое, если известны все остальные. С помощью метода теплового баланса можно вывести также расчетные уравнения, например уравнение для расчета толщины льда на водоемах, как это будет показано в главе о ледовом режиме рек.

Уравнение теплового баланса для участков суши. Используется для определения испарения, таяния снега и ледников.

Для поверхности суши с любым покровом уравнение теплового баланса запишется:

В теплый период, когда на поверхности нет ни снега, ни льда, слагаемое Qc выпадает, но зато F приобретает большое значение, так как происходит нагревание или остывание почвы до значительной глубины. Нагревание наблюдается весной после схода снега и в первой половине лета, а остывание — осенью. Сезонные колебания температуры распространяются до глубины 1 — 1,5 м, а в скальных грунтах — до 3 м.

Зимой, когда поверхность земли покрыта слоем снега, слагаемое Q_c ничтожно мало, так как тепло, выделяющееся при замерзании воды в почве, не достигает поверхности снега. Тепловой поток из почвы вообще незначителен и даже при непромерзшей почве не распространяется через толщу снега. Слагаемое F в этом: случае характеризует главным образом изменение количества тепла в самом верхнем слое снега.

Весной, когда снег тает, роль слагаемого Q_c резко возрастает. При стаивании 25-30 мм снега в сутки (в пересчете на воду) расходуется 840-1050 Дж (200-250 кал), что составляет около половины суточной суммы прямой солнечной радиации, поступающей к поверхности снега в средних широтах. Слагаемое F по-прежнему мало, так как снег накапливает мало тепла, а теплообмен с почвой при сплошном снежном покрове, как показали исследования П. П. Кузьмина, не превышает ±42 Дж/см 2 (±10 кал/см 2 ) в сутки, что составляет не более 2-3% прихода тепла от радиации.

Уравнение теплового баланса для участка реки. В данном случае рассматривается объем воды на участке реки, ограниченном двумя створами. На участке могут впадать притоки и иметь место поступление грунтовых вод или фильтрация в грунт. Уравнение теплового баланса записывается:

Все слагаемые левой части уравнения выражаются в Дж/см 2 поверхности воды на участке реки и могут быть как положительными, так и отрицательными, за исключением q_э — перехода кинетической энергии в тепловую, которая всегда положительна. Результирующая величина S может иметь как тот, так и другой знак, причем знак плюс означает, что вода приобретает некоторое количество тепла и нагревается, а знак минус — потерю тепла и охлаждение или нарастание льда.

Иногда в уравнении учитывают также поступление тепла с жидкими осадками или его расходование на таяние снега, выпадающего на водную поверхность.

В период открытого русла, когда солнечная радиация и теплообмен с воздухом абсолютно преобладают, q_э и q_д иногда пренебрегают за их малостью. Слагаемое q_л также выпадает, так как льда на реке нет и таяние его или образование не происходит. В некоторых случаях можно пренебречь и слагаемым m_r, когда поступление грунтовых вод или фильтрация речной воды в грунт на участке малы.

При ледоставе картина совершенно меняется. Радиационный баланс воды подо льдом становится очень малым, при этом теплообмен с воздухом также почти прекращается. Зато возрастает роль теплообмена с ложем и поступление тепла с грунтовыми водами, особенно там, где выходы их в русло значительны. Поступление тепла от грунта в зимние месяцы может доходить до 85-125 Дж/см 2 (20-30 кал/см 2 ) в сутки, тогда как в летние месяцы наблюдается расходование тепла приблизительно в тех же размерах. Таким образом, при составлении уравнения баланса применительно к конкретному участку реки и определенному сезону его можно упростить путем исключения малозначащих элементов на основе учета гидрогеологических особенностей местности, фазы водного режима реки и условий погоды.

Видео:А.И.Медведев МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО БАЛАНСА РЕЧНЫХ БАССЕЙНОВ РОССИИ В МОДЕЛИ LSM ИВМРАН–МГУСкачать

ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС

В книжной версии

Том 5. Москва, 2006, стр. 488-489

Скопировать библиографическую ссылку:

ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС, соотношение между приходом, расходом и изменением запасов воды в пределах всей Земли, атмосферы, Мирового ок., континентов, части суши или водного объекта за определённый интервал времени. В. б. – это отражение закона сохранения вещества, количественное выражение круговорота воды на Земле, характеризуемое уравнением В. б. Строго говоря, единицами измерения составляющих уравнения В. б. должны быть единицы массы, однако обычно это уравнение записывают в единицах объёма (км 3 ) или слоя воды (мм). Допустимость замены единиц массы единицами объёма объясняется незначит. изменениями плотности воды при изменении её температуры.

Видео:Просчёт водного балансаСкачать

Метод водного баланса в гидрологии. Универсальное уравнение водного баланса

Количество воды на земном шаре

1390 млн. кубических км. – в мире свободной воды

96,4 % — свободной воды в мировом океане

1,9 % -ледники, постоянный снежный покров

1,7 % — подземные воды

2,6 % — пресная вода (Большая ее часть законсервирована в виде ледников в малонаселенных и далеких участках нашей планеты.)

Понятие гидросферы трактуется несколькими формулировками:

Гидросфера – это прерывистая, водная оболочка земного шара, расположенная на поверхности земной коры и в её толщи, представляющая совокупность морей, океанов и водных объектов суши, включая снежный покров и ледники.

Гидросфера – под этим понятием подразумевают воды, которые находятся между атмосферой и литосферой.

Гидросфера – представляет собой непрерывную водную оболочку земли, включая все природные воды Земли, участвующие в глобальном круговороте веществ.

Гидрографическая сеть — совокупность рек и других постоянно и временно действующих водотоков, а также озёр, болот и водохранилищ на какой-либо территории.

Русловая сеть – часть гидрографической сети представленная водотоками. Речная сеть – состоящая только из крупных водоток.

Вопрос 2

Гидрологические характеристики и гидрологическое состояние водного объекта. Гидрологический режим и гидрологические процессы.

Гидрологические характеристики- параметры, характеризующие водную среду и ее пограничные слои:

Характеристики водного режима.

Уровень воды (Н, либо z) измеряется в метрах абсолютных, либо в см. над нулем поста.

Скорость течения ( V либо U) в м/с

Расход воды (Q) м. в кубе/с

Уклон водной поверхности (I) безразмерный

Характеристики теплового режима

Температура воды, снега, льда (Т) в т. Цельсия С, К

Характеристики ледового режима

-сроки наступления и окончания ледовых фаз режима ( замерзание, ледостав, таяние вскрытие)

Толщина ледового покрова (h) в см., м.

Характеристики режимов наносов

– содержание в воде взвешенных наносов или мутность воды кг/м кубический, расход наносов(R) кг/с, распределение наносов по фракции, крупность (Геометрическая(Д) в мм. Гидравлическая (W) в мм/с)

Морфометрические характеристики

Ширина (В) в м., км

Гидрохимические характеристики

Минерализация (М) мг/л

Концентрация (C) мг/л

Гидрофизические характеристики

Плотность (ρ) кг/м кубический

Гидробиологические характеристики

состав и численность водных организмов.

Гидрологическое состояние водного объекта-совокупность гидрологических характеристик водного объекта в данном месте и в данный момент времени.

Совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состава водного объекта во времени и пространстве это его гидрологический режим

Изменчивости: Вековая, многолетняя, внутригодовая или сезонная, кратковременная, суточная (внутрисуточная).

Гидрологические процессы – совокупность физических, химических и биологических процессов, которые определяют закономерности формирования гидрологического состояния и режима водного объекта. Гидрологический процесс- это процесс формирования гидрологического режима. При гидрологическом процессе вода вступает во взаимодействие с природной средой.

Вопрос 3

Вода как вещество, её молекулярная структура и изотопный состав

Вода – одно из самых распространённых веществ в природе (гидросфера занимает 71 % поверхности Земли).

Воде принадлежит важнейшая роль в геологии, истории планеты. Без воды невозможно существование живых организмов.

Нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода, и в то же время не существует другого такого же вещества, в свойствах которого было бы столько противоречий и аномалий, сколько в её свойствах. Почти 60% поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой – снегом и льдом – покрыто 20% суши. Почти 70% пресных вод заключено в ледниковых покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% — в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных вод. Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав комет, большинства планет солнечной системы и их спутников.

Химически чистая вода не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса

1.(H2O)1 – моногидроль (рыхлая)

2. (H2O)2 – дигидроль (самая плотная)

3. (H2O)3 – тригидроль

Лед легче воды (рыхлая компановка)

Изотопный состав

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Водород имеет два стабильных изотопа — протий (Н) — 1H и дейтерий (D) — 2H.

У кислорода три устойчивых изотопа: 16O, 17O и 18O

Вода состоит из самых распространенных атомов в нашем мире – из водорода и кислорода, причем самым распространенным атомом во Вселенной является водород.

Существуют девять устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в пресной воде в среднем следующее: Н2 16О – 99,73%(обычная, нормальная вода), Н2 18О – 0,2%, Н2 17О – 0,04%, 1H2Н16О – 0,03%.

D2O о С и только затем уменьшается с ростом температуры. Вторая аномалия плотности состоит в том, что плотность воды больше плотности льда (благодаря этому лед плавает на поверхности воды, вода в реках зимой не вымерзает до дна и т.д.). Обычно же при плавлении плотность жидкости оказывается меньше, чем у кристалла. А плотность воды превышает плотность льда сразу на 10%! То есть скачок плотности при плавлении льда аномален не только по знаку, но и по величине. В последнее время много внимания уделяется изучению свойств переохлажденной воды, то есть остающейся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0 о С. (Переохладить воду можно либо в тонких капиллярах, либо — еще лучше — в виде эмульсии: маленьких капелек в неполярной среде — «масле»). Что же происходит с аномалией плотности при переохлаждении воды? Она ведет себя странно. С одной стороны, плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения (то есть первая аномалия усиливается), но, с другой стороны, она приближается к плотности льда при понижении температуры (то есть вторая аномалия ослабевает). Вот еще пример аномалии воды: необычное температурное поведение ее сжимаемости, то есть степени уменьшения объема при увеличении давления . Обычно сжимаемость жидкости растет с температурой: при высоких температурах жидкости более рыхлы (имеют меньшую плотность) и их легче сжать. Вода обнаруживает такое нормальное поведение только при высоких температурах. При низких же сжимаемость ведет себя противоположным образом, в результате чего в ее температурном поведении появляется минимум при 45 о С. Среди необычных свойств воды трудно обойти вниманием еще одно — ее исключительно высокое поверхностное натяжение 0,073 Н/м (при 20 o С). Из всех жидкостей более высокое поверхностное натяжение имеет только ртуть. Оно проявляется в том, что вода постоянно стремится стянуть, сократить свою поверхность, хотя она всегда принимает форму емкости, в которой находится в данный момент. Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Что же это за необычный процесс, происходящий в воде и делающий ее непохожей на другие жидкости? Самая большая теплоёмкость (в 3100 раз больше, чем у воздуха; в 4 раза больше, чем у горных пород). Величина теплоемкости, как известно, показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла увеличивается незначительно — никак не более 10%. Другое дело — вода. При плавлении льда теплоемкость скачет от 9 до 18 кал/моль » град, то есть в два раза! Такого огромного скачка теплоемкости при плавлении не наблюдается ни у одного другого вещества: здесь вода абсолютный рекордсмен.Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратится в основном на увеличение тепловой скорости молекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что в воде открываются какие-то новые процессы (и очень энергоемкие), на которые тратится, подводимое тепло и которые обусловливают появление избыточной теплоемкости. Такая избыточная теплоемкость и, следовательно, упомянутые энергоемкие процессы существуют во всем диапазоне температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Она исчезает только в паре, то есть эта аномалия является свойством именно жидкого состояния воды. Теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37 o С, а при дальнейшем увеличении температуры — возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79 o С! Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки. При сильном переохлаждении теплоемкость сильно возрастает, то есть аномальный вклад в нее еще больше увеличивается.

6. Агрегатные состояния воды и их фазовые переходы. Вода — единственное вещество на Земле, встречающееся во всех трех состояниях: в виде газа, жидкости и льда. Состояние воды, наиболее привычное для нас — это жидкость, но оно возможно лишь при температуре от 0 до 100 градусов Цельсия. При температуре в 100 градусов по Цельсию (точка кипения), вода переходит из жидкого состояния в газообразное. Это происходит по причине того, что при нагревании (т.е. поступлении энергии), молекулы воды движутся все быстрее и быстрее, стремятся к рассеиванию. При еще большем повышении температуры, молекулы разрывают силы, связывающие их друг с другом и «испаряются» в воздух. Вода меняет свое агрегатное состояние и переходит в пар, т.е. газ. Обратное происходит при снижении температуры до точки замерзания (0 градусов Цельсия). Тогда, молекулы движутся в се медленнее и медленнее, пока наконец не соединяются при замерзании воды в лед. Однако, смена агрегатного состояния воды зависит от давления. На больших высотах, при пониженном давлении точка кипения воды (и других жидкостей) будет ниже, чем на уровне моря. Следовательно, на равнинной территории, например, яйцо будет вариться дольше, чем на горе Эверест, где давление ниже. Переходы между этими состояниями, происходящие при определенных температуре и давлении, называются фазовыми переходами.

(7)Плотность воды и ее зависимость от температуры,солености и давления. Общеизвестно, что все вещества при нагревании увеличивают свой объем и уменьшают плотность. У воды наблюдается то же самое, за исключением интервала от 0 до 4° С, когда с возрастанием температуры объем воды не увеличивается, а, наоборот, сокращается. Максимальная плотность отмечается при 4° С (рис. 4). Таким образом, для воды зависимость между объемом и температурой не однозначна (как в нормальных условиях для других веществ), а двузначна. Чем выше соленость тем выше плотность. Давление влияет незначительно. На глубинах 11 км плотность воды будет выше на 48 кгм3.

Ро равно отношеню массы к объёму(кг на метр кубический).

Ро равно f(р,Т,М(S),мелкие взвеси)

8. Тепловые свойства воды. Зависимость температуры замерзания и темп. Максимальная плотность от солености воды. Тепловая емкость воды, т.е. количество тепла, необходимое для увеличения температуры воды на один градус, выше, чем у большинства других жидкостей. Тепловая проводимость воды, т.е. способность передавать тепло, в четыре раза выше, чем у других жидкостей.. Тепловая проводимость льда и снега, напротив, низка. Подобно другим жидкостям, вода сокращается в объеме при охлаждении, но не ниже 4oС. При дальнейшем понижении температуры, в отличие от всех других известных жидкостей, она вдруг начинает расширяться и, когда она замерзает, т.е. оказывается в твердом состоянии, она расширяется еще больше. В результате «твердая вода» легче «жидкой воды». По законам физики твердая вода, т.е. лед, должен быть тяжелее жидкой воды и тонуть, однако он плавает на поверхности воды.
Когда лед тает и вода испаряется, тепло поглощается из окружающей среды. Когда этот процесс протекает в обратном направлении (т.е. вода замерзает или пар осаждается), высвобождается тепло. Жидкости, как правило, замерзают снизу вверх, вода же — сверху вниз. Это первое необычное свойство, благодаря которому вода находится на поверхности земли, а лед плавает по воде. Если бы не это свойство, большая часть нашей планеты была закована во льды, и жизнь в ее морях, озерах, прудах и реках была бы невозможна.

Удельная теплота плавления(замерзания) 33310 в третьей степени Дж на кг.

Удельная теплота парообразования 2.26*10 в 6 степени Дж на кг.

Удельная терлоемкость 4/90 Дж(кг*градус)

Теплопроводность воды 0.6 Вт(л*град)-вода

(9)Использование фундаментальных законов физики при изучении водных объектов. Фундаментальные законы физики – сохранения вещества, сохранения энергии и изменения импульса (количества движения) Закон сохранения массы – неизменность массы в замкнутой системе.dm = M+ -M-. Закон сохранения энергии — основной закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую.Е=Епот+Екин+Едис. Едис – диссипация энергии ( переход части механич энергии в тепловую в результ трения).Зако́н сохране́ния и́мпульса (Зако́н сохране́ния количества движения) утверждает, что сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная. Применительно к водным объектам (открытым системам) он переходи в закон изменения количества импульса, который означает что изменение количества импульса открытой системы равно сумме всех внешних сил, действующих на эту систему.

Вопрос 10

Метод водного баланса в гидрологии. Универсальное уравнение водного баланса.

Водный баланс – это соотношение между приходом и расходом воды. Физической основой водного баланса является закон сохранения вещества, а его энергетической основой – солнечная радиация и сила тяжести.