Гидрологический режим и гидрологические процессы
Любой водный объект и его режим могут быть описаны с помощью некоторого набора гидрологических характеристик. Эти характеристики делятся на несколько групп. Приведем некоторые из них.
1. Характеристики водного режима: уровень воды (Н, м в Балтийской системе высот (БС) или см над 0 поста), скорость течения (v, м/с), расход воды (Q, м3/с), сток воды за интервал времени ∆t (W, м3, км3), уклон водной поверхности (I, величина безразмерная) и т.д. Большинство этих характеристик может быть отнесено не только к водотокам и водоемам, но и к особым водным объектам — ледникам, подземным водам.
2. Характеристики теплового режима: температура воды, снега, льда (Т, °С), теплосодержание водного объекта или тепловой сток за интервал времени ∆t (Q, Дж) и т.д.
3. Характеристики ледового режима: сроки наступления и окончания различных фаз ледового режима (замерзания, ледостава, таяния, вскрытия, очищения ото льда), толщина ледяного покрова, сплоченность льдов и т. д.
4. Характеристики режима наносов: содержание в воде взвешенных наносов или мутность воды (s, кг/м3), расход наносов (R, кг/с), распределение наносов по фракциям (крупности) и т.д.
5. Характеристики формы и размера водного объекта: его длина (L, м, км), ширина (В, м, км), глубина (h, м) и т.д.
Кроме того, к числу гидрологических обычно относят такие очень важные для описания любого водного объекта характеристики, как гидрохимические— минерализацию воды (М, мг/л) или ее соленость (S, ‰), содержание отдельных ионов солей, газов, загрязняющих веществ и др.; гидрофизические— плотность воды (r, кг/м3), вязкость воды и др.; гидробиологические — состав и численность водных организмов (экз./м2) и величину биомассы (г/м3, г/м2) и др.
Совокупность гидрологических характеристик данного водного объекта в данном месте и в данный момент времени определяет гидрологическое состояние водного объекта.
Гидрологическое состояние водного объекта подобно погоде применительно к состоянию атмосферы подвержено постоянным пространственно-временным изменениям. Оно всегда зависит от множества факторов и определяется характером процессов, происходящих в водном объекте, его связью с другими водными объектами, атмосферой, литосферой, влиянием хозяйственной деятельности человека и т. д. Однако вследствие сложности и многофакторности этих процессов и связей и недостаточного знания их природы мы часто вынуждены подходить к оценке гидрологического состояния водного объекта как явления, подверженного случайным изменениям, которые подчиняются вероятностным законам и поддаются статистическому анализу.
При длительных наблюдениях за любым водным объектом обнаруживаются некоторые закономерности в изменениях его гидрологического состояния, например в течение года. Совокупность закономерно повторяющихся изменений гидрологического состояния водного объекта — это его гидрологический режим. Некоторым аналогом гидрологического режима применительно к атмосфере можно считать климат.
Сущность гидрологического режима водных объектов — это изменение гидрологических характеристик в пространстве и во времени. Под изменением гидрологических характеристик в пространстве понимают их изменение от места к месту (вдоль, поперек или по глубине реки, вдоль или по глубине моря или озера и т.д.), от одного водного объекта к другому.
Изменение гидрологических характеристик во времени (временная изменчивость) имеет несколько масштабов. Выделяют изменчивость вековую(с интервалами времени или периодами, исчисляемыми веками); многолетнюю(периоды колебаний — от нескольких до десятков лет), внутригодовую,или сезонную(колебания в течение года), кратковременную,имеющую период в несколько суток (например, колебания синоптического масштаба с периодом 3—10 дней), сутки (суточная или внутрисуточная изменчивость), минуты и секунды. Главные причины вековой и многолетней изменчивости гидрологических характеристик — долгопериодные колебания климата, а также воздействие хозяйственной деятельности человека. Основные причины внутригодовых (сезонных) изменений — смена сезонов года, колебаний синоптического масштаба — процессы в атмосфере (перемещение циклонов, антициклонов и атмосферных фронтов), изменчивости суточного масштаба — вращение Земли вокруг оси и сопутствующие ему смена дня и ночи и приливы. Природа колебаний самого малого временного масштаба (минуты, секунды) — волны на поверхности воды, макро- и микротурбулентность в водных потоках.
Гидрологический режим водного объекта — хотя и закономерное, но все же лишь внешнее проявление некоторых более сложных внутренних процессов, свойственных водному объекту, или обусловленных его взаимодействием с другими водными объектами, атмосферой, литосферой. Наблюдая за уровнем или расходом воды в реке, например, и выясняя закономерности их изменения, т.е. изучая их режим, мы пока оставляем в стороне причины этих изменений. Для того чтобы их вскрыть, необходимо изучить уже некоторые как внутренние, так и внешние процессы, воздействующие на режим водного объекта. Поэтому гидрологи изучают не только гидрологический режим водных объектов, но и гидрологические процессы,под которыми понимается совокупность физических, химических и биологических процессов, определяющих закономерности формирования гидрологического состояния и режима водного объекта.
Чтобы познать гидрологические процессы в любом водном объекте, необходимо изучить, во-первых, явления, происходящие в водной толще рассматриваемого объекта (перемешивание, формирование температурной и плотностной стратификации, образование внутриводного льда, продуцирование кислорода благодаря жизнедеятельности зеленых растений и т. д.); во-вторых, процессы на твердых границах объекта — его дна и берегах (взаимодействие водного потока и грунтов, размыв или аккумуляция наносов и т.д.); в-третьих, явления, происходящие на водной поверхности объекта — границе раздела вода — воздух (тепло- и газообмен с атмосферой, испарение и конденсация, образование или таяние ледяного покрова, возникновение волн и течений под действием ветра и т. д.); в-четвертых, взаимосвязь водного объекта с его водосбором (условия формирования стока воды, наносов, растворенных веществ, теплоты и т. д.).
НАУКИ О ПРИРОДНЫХ ВОДАХ
Гидрология и ее подразделение.Природные воды на Земле и гидрологические процессы изучает комплекс наук, объединяемых общим понятием гидрология. Термин «гидрология» образован из латинских слов «гидро» — вода и «логос» — наука. Однако гидрология занимается изучением не воды как таковой (физического вещества или химического соединения), а изучением распространения и режима природных вод на Земле. Термин «гидрология» впервые появился в 1694 г. в книге, содержащей «начала учения о водах», изданной Мельхиором во Франкфурте-на-Майне. В действительно самостоятельную науку гидрология оформилась лишь в 20—30-х годах прошлого столетия.
Гидрологию по направленности и методам исследований подразделяют на крупные разделы: общая гидрология,изучающая наиболее общие закономерности гидрологических процессов и явлений; гидрография,занимающаяся изучением и описанием конкретных водных объектов; прикладная (или инженерная) гидрология,разрабатывающая методы расчета и прогноза различных гидрологических характеристик; гидрометрия,разрабатывающая методы измерений и наблюдений при изучении природных вод, и специальные разделы гидрологии,такие, как физика природных вод(или гидрофизика), химия природных вод(или гидрохимия), биология природных вод(или гидробиология).
Общая гидрология по объектам исследования подразделяется на три большие части: гидрологию морей (синоним — физическая океанология), занимающуюся изучением океанов и морей; гидрологию суши, или точнее гидрологию поверхностных вод суши (часто называемую просто гидрологией), изучающую водные объекты суши, — реки, озера, водохранилища, болота, ледники; гидрологию подземных вод, изучающую воды, находящиеся в свободном состоянии в верхней части земной коры.
Гидрология суши, в свою очередь, по объектам исследования подазделяется на гидрологию рек(устаревшее название — потамология), гидрологию озер(иногда называемую также лимнологией или озероведением), гидрологию болоти гидрологию ледников.
Болота как физико-географические объекты (геоморфологические, биологические, а также и гидрологические процессы в болотах) изучает также комплексная наука «Болотоведение». Гидрология болот, поэтому может считаться одновременно частью гидрологии суши и болотоведения. То же касается ледников. Как природные объекты их изучает раздел физической географии, называемый «Гляциологией», включающий помимо гидрологических также геологические, геоморфологические, климатические и другие исследования. Поэтому гидрологию ледников можно одновременно считать и частью гидрологии суши, и частью гляциологии. Гидрологию подземных вод иногда отождествляют с самостоятельной наукой «Гидрогеологией»— разделом геологии. Однако гидрогеология изучает не только закономерности распространения, залегания и движения подземных вод, но и их роль в геологических процессах, а также условия и возможности хозяйственного использования подземных вод (разведки и добычи). Гидрогеология кроме того решает разнообразные задачи по инженерно-геологическому обеспечению строительства, мелиорации, разработки месторождений полезных ископаемых и др. Поэтому гидрология подземных вод также может считаться как частью гидрологии, так и частью гидрогеологии.
В последнее время в качестве самостоятельных разделов гидрологии стали выделять гидрологию водохранилищ,сочетающую методы гидрологии рек и гидрологии озер, а также гидрологию морских устьев рек,пограничную между гидрологией рек и океанологией.
Отдельные разделы, выделяемые в гидрологии по направленности и методам исследований, так же как и общая гидрология, допускают подразделение по объектам изучения. Так, в рамках гидрографии можно выделить гидрографию рек, гидрографию озер, региональную океанологию и т.д. Прикладная гидрология также может быть подразделена на прикладную океанологию(например, промысловую) и инженерную гидрологию суши.Прикладную (инженерную) гидрологию суши, в свою очередь, иногда подразделяют на самостоятельные разделы применительно и к рекам, и к озерам — гидрологические расчетыи гидрологические прогнозы. Гидрометрия также может относиться и к морям, и к рекам, и к озерам. В специальных разделах гидрологии могут быть выделены подразделы, относящиеся к водным объектам разных типов, например физика океана, химия океана; комплекс дисциплин, имеющих отношение кфизике речного потока, — динамика русловых потоков, теория русловых процессов, а также гидрофизика рек, гидрофизика озер; гидрохимия рек, гидрохимия озер; гидробиология рек и т.д. Специальные разделы гидрологии входят одновременно разделами в физику, химию, биологию.
Устоявшейся и общепринятой классификации разделов гидрологии как науки пока не существует, поэтому в различных пособиях можно встретить довольно существенные различия в названии и толковании содержания отдельных разделов гидрологии.
Общая гидрология, ее предмет, задачи и связь с другими науками.Предмет общей гидрологии как науки — природные воды Земли и процессы, в них происходящие при взаимодействии с атмосферой, литосферой и биосферой и с учетом влияния хозяйственной деятельности человека. Термин «общая» указывает на то, что рассматриваются наиболее общие (не узкоспециальные и не региональные) вопросы гидрологии и что речь идет о всех водных объектах Земли, включая реки, озера, водохранилища, болота, ледники, подземные воды, океаны и моря.
Задача общей гидрологии состоит в рассмотрении основных и наиболее общих закономерностей процессов в водных объектах, выявлении их взаимосвязей с процессами, протекающими в атмосфере, литосфере и биосфере. Особое значение при этом имеет установление закономерностей круговорота воды на земном шаре, географического распределения различных гидрологических характеристик в глобальном масштабе и рассмотрение гидрологических процессов как важнейшего фактора в формировании географической оболочки Земли.
Общая гидрология как часть комплексной науки — гидрологии — прежде всего, тесно связана с другими ее разделами — гидрографией, прикладной (инженерной) гидрологией, гидрометрией, специальными разделами гидрологии. Перечисленные разделы гидрологии, т.е. науки так называемого гидрологического цикла, не могут полноценно существовать без взаимодействия, взаимного проникновения и обогащения. Так, например, общие законы гидрологии нельзя познать без изучения конкретных водных объектов (гидрография) и наоборот. Многие общие законы гидрологии установлены с помощью специальных разделов — физики, химии, биологии природных вод. Без гидрометрии невозможно изучение любых водных объектов. Прикладная гидрология широко использует законы, установленные общей гидрологией и специальными разделами гидрологии и т.д.
Общая гидрология (и гидрология в целом), изучающая природные воды, относится к наукам географическим и тесно связана с другими физико-географическими науками — метеорологией и климатологией, геоморфологией, гляциологией, картографией и т. д. Эта связь отражает объективно существующее единство природы, проявляющееся во взаимосвязи и взаимодействии всех компонентов природной среды, а вода, как отмечалось выше, — один из ведущих ее компонентов. Но связь вод и других компонентов природной среды обоюдная, поэтому и соответствующие науки тесно взаимосвязаны.
Так, с одной стороны, метеорология и климатология позволяют объяснить многие гидрологические явления (дождевые паводки, накопление снега и льда в ледниках, ветровые течения в морях и т.д.), но, с другой стороны, и гидрология помогает метеорологам и климатологам изучать процессы в атмосфере как результат взаимодействия с водными объектами (обмен водой, теплотой и т.д.). Точно так же тесно взаимодействуют гидрология и геоморфология, например, при изучении формирования речных долин и русел, оврагов, морских берегов, речных дельт и т.д. О связи гидрологии и гляциологии уже говорилось выше.
Связана общая гидрология (и гидрология в целом) и с другими естественными науками — геологией, биологией, почвоведением, геохимией. Гидрология (и общая гидрология, в частности) не может продуктивно развиваться без опоры на фундаментальные науки — физику, химию, математику.
К гидрологии тесно примыкают разделы физики: гидрофизика, гидромеханика и гидравлика, термодинамика. Многие гидрологические закономерности, как мы будем рассматривать позже, имеют в своей основе строгие физические законы и поэтому без использования достижений соответствующих разделов физики познаны быть не могут. Гидрохимия как раздел гидрологии широко использует законы взаимодействия химических веществ и методы химического анализа их состава. Таким образом, общая гидрология связана с физикой и химией через специальные разделы гидрологии.
Использование математики и информатики в гидрологии идет в нескольких направлениях. Во-первых, широко применяются методы математической обработки данных наблюдений с использованием численных методов анализа и методов математической статистики. Во-вторых, применение физических законов в гидрологии требует строгих формулировок, использования методов математического моделирования. Наконец, создание баз данных и организация сетевого обмена и обработки данных наблюдений опирается на информатику.
Связана гидрология и с такой сферой деятельности человека, как техника.Гидрология широко использует достижения техники при проведении измерений и наблюдений (в том числе и дистанционных), обработке их результатов; гидрометрия имеет дело с разнообразной измерительной техникой, иногда весьма сложной. При обработке данных наблюдений, их анализе, различных расчетах, математическом моделировании широко используют электронно-вычислительную технику. В то же время развитие некоторых областей техники (гидротехнического строительства на реках и морях, мелиоративных и других мероприятий и т. п.) не может обойтись без использования гидрологических знаний.
В последнее время проявляется тенденция к «экологизации» многих естественных наук. Но поскольку содержание и задачи экологии как междисциплинарного научного направления еще до конца не сформулированы, не вполне определилось и место гидрологии в комплексе наук экологического цикла. В настоящее время активно разрабатываются основы геоэкологии — комплексной науки, призванной изучать взаимодействие геосфер (т.е. как живой, так и неживой природы) между собой и с человеческим обществом. В рамках геоэкологии начала развиваться гидроэкология (водная, или аквальная, экология), изучающая экологию водных объектов (рек, озер, морей и др.). Эта комплексная наука должна изучать водные экосистемы — совокупность трех взаимодействующих компонентов: водной среды, водных организмов и деятельности человека. Место гидрологии как науки в гидроэкологиивполне определенно — это изучение абиотических компонентов водной среды и их взаимодействия с водной биотой и деятельностью человека. Видимо, имеет право на существование и такая часть гидрологии, как экологическая гидрология(или экогидрология), широко развивающаяся в последние десятилетия за рубежом. Под экологической гидрологией можно понимать те разделы гидрологии, которые имеют непосредственную экологическую направленность и ориентированы на изучение взаимодействия водных объектов и водной среды с водной биотой и человеческой деятельностью.