Лекции по гидрологии

Между водоносными  горизонтами обычно существует связь  вследствие циркуляции воды по трещинам в водоупорах или путем медленного просачивания через них по порам.

Подземные воды, приуроченные к водоносным горизонтам, называются пластовыми водами. В горных породах подземные воды чаще перемещаются по системе тещин в породах (трещинные воды), по изолированным трещинам или жилам с повышенной трещиноватостью (жильные воды), по карстовым пустотам (карстовые воды).

В зоне распространения  многолетнемерзлых пород различают подмерзлотные воды, залегающие под толщей мерзлых пород, межмерзлотные воды внутри мерзлой толщи и надмерзлотные воды, для которых мерзлые породы служат водоупором.

Грунтовые и  тем более межпластовые воды существуют, как правило, в течение всего года и обеспечивают постоянное питание рек. В зоне распространения многолетнемерзлых пород это относится только к подмерзлотным водам.

Отношение объема всех пустот к объему образца грунта называется скважинностью, а объема пор (V_пор) к объему грунта (V_гр) называется пористостью (р): р = V_пор/V_гр Обычно они выражаются в %. Пористость песка в среднем 40%, глины - около 50%.

Верхний слой грунта после прекращения таяния снега или дождя постепенно освобождается от гравитационной воды. По возникшим пустотам циркулирует воздух. Слой грунта (верхняя часть которого является почвой) до уровня грунтовых вод называют зоной аэрации. В этой зоне остаются следующие типы вод:

- капиллярная  вода, заполняющая поры и находящаяся  под влиянием капиллярных сил; в нижней части зоны аэрации вода, поднимаясь по порам над слоем грунтовых вод, образуют зону капиллярного поднятия (капиллярную кайму) толщиной от 0 (гравий, галька) до 6-12 м. (глина);

-пленочная  вода, образующая тонкую пленку  вокруг частиц грунта и сравнительно слабо связанная с ними молекулярными силами; перемещается от мест с большей толщиной пленки к местам с меньшей ее толщиной;

- гигроскопическая  вода, прочно связанная с частицами  грунта молекулярными силами.

Способность грунта вмещать и удерживать определенное количество воды называется влагоемкостью грунта. Полная влагоемкость - суммарное содержание в грунте всех видов воды при полном заполнении всех пор, выраженная в процентах от массы образца грунта. Наименьшая (или полевая) влагоемкость - вода, остающаяся в грунте после отекания гравитационной воды (для песков 3-5%, суглинков и глин 12-22%). Влажность грунта — фактическое содержание воды в грунте, выраженное в виде толщины слоя (в мм) или в процентах от массы сухого грунта.

Воды зоны аэрации, оставшиеся в порах грунта, постепенно расходуются на испарение, в основном путем транспирации растений.

Временные скопления  гравитационных вод, в зоне аэрации  могут возникать над отдельными линзами водоупорных пород (верховодка) и над относительным водоупо-ром, например, над иллювиальным горизонтом подзолистых почв, водопроницаемость которого значительно меньше вышележащих слоев. Перемещение воды по относительному водоупору в сторону его уклона образует почвенный, или внутрипочвенный сток.

Подземные воды могут формироваться в результате инфильтрации в грунт не только атмосферных осадков, но и воды из поверхностных водных объектов. Оба эти вида вод называются инфильтрационными подземными водами. Подземные воды могут формироваться также в следствие конденсации водяного пара в порах грунта. Это конденсационные воды, играющие заметную роль в пустынях. Все перечисленные виды подземных вод являются экзогенными. К эндогенным относятся воды, образующиеся из паров магмы — дегидрационные воды.

Глубина распространения  межпластовых подземных вод, участвующих в круговороте воды на земле, достигает, как правило, нескольких сотен метров. Глубина залегания грунтовых вод, сильно изменяясь по территории в зависимости от локальных условий в целом, подчинена закону географической зональности, увеличиваясь от долей метра в зоне тундр до десятков метров в степной зоне.

 

 

Движение  подземных вод 

Движение  подземных вод по порам в зоне насыщения, называемое фильтрацией, как правило, ламинарное. Скорость фильтрации (v_ф) выражается законом Дарси:

v_ф = К_ф·I

Здесь I - гидравлический уклон, равный либо уклону поверхности уровня безнапорных вод, либо уклону пьезометрического уровня для напорных вод; К_ф - коэффициент фильтрации, равный скорости фильтрации через данный грунт при I = 1 (т.е. вертикально вниз); его размерность м/с или м/сут. К_ф для галечника равен 100-200 м/сут., для песка 1-50, для супеси 0,1-0,5, для глины 0,001-0,0001 м/сут.

Движение  трещинных, жильных и особенно карстовых  подземных вод может быть турбулентным.

Уравнение водного баланса зоны аэрации в пределах речного бассейна:

x_инф + z_гр = y_почв + П_гр + z_з.а. ±∆u_з.а.

где х_инф — поступление воды с поверхности земли (инфильтрация атмосферных осадков), z_гр - испарение грунтовых вод, z_з.а. - испарение из зоны аэрации, П_гр - питание грунтовых вод из зоны аэрации, ∆и_гр — изменение влагозапасов вод зоны аэрации.

Уравнение водного  баланса грунтовых вод (при отсутствии притока из-за пределов речного бассейна и фильтрации через водоупор):

П_гр = y_гр + z_гр ± ∆u_гр

где у_гр— сток грунтовых вод (т.е. разгрузка грунтовых вод на земную поверхность или непосредственно в реки и водоемы), ∆u - изменение запаса (объема) грунтовых вод. Типы водного режима зоны аэрации:

1) промывной  — х_инф >> z_з.а., избыток воды расходуется на П_гр и y_почв;

2) компенсированный - x_инф ≈ z_з.а.;

3) испарительный  (выпотной) - х_инф << z_з.а., недостаток воды частично возмещается за счет z_гр.

Типы  водного режима грунтовых вод:

1) сезонного  (преимущественно весеннего и  осеннего) питания; максимальный уровень грунтовых вод весной, меньшее повышение осенью, низкий уровень в конце лета и особенно в конце зимы; наблюдается на большей части территории стран СНГ;

2) кратковременного  летнего питания; максимальный  уровень в июне — июле (иногда августе-сентябре); наблюдается в зоне многолетней мерзлоты;

3) круглогодичного,  преимущественно зимне-весеннего  питания; максимальный уровень в феврале-апреле, минимальный - в летне-осеннее время (юг и запад территории бывшего СССР с непромерзаемой зоной аэрации).

Типы  взаимодействия подземных и поверхностных вод:

1) Двухсторонняя  гидравлическая связь. При низком  уровне воды в реке уровень грунтовых вод находится выше, река получает грунтовое питание. При высоком уровне воды в реке уровень грунтовых вод оказывается ниже. Происходит инфильтрация речной воды в грунт. Этот тип характерен для средних и крупных равнинных рек.

2) Односторонняя  гидравлическая связь. Уровень  воды в реке постоянно выше уровня грунтовых вод. В течение всего года речная вода питает грунтовые воды. Характерно для некоторых засушливых, а также карстовых районов.

3) Отсутствие  гидравлической связи. Водоупор  расположен выше максимального  уровня воды в реке. Происходит  постоянное питание реки грунтовыми  водами, разгружающимися на склонах долины в виде ключей или рассредоточенного высачивания. Наиболее характерно для горных районов.

 

IV. ГИДРОЛОГИЯ РЕК

Река - это водоток, имеющий течение в продолжении большей части года, получающий питание со своего водосбора и имеющий четко выраженное русло, сформированное самим водотоком. Родник, дающий начало реки, или выход речного потока из озера, болота, ледника — исток реки; место (створ) впадения реки в другую реку или приемный водоем (море, озеро) — устье реки.

Характеристики  реки и ее бассейна. Речная долина.

Основные  морфометрические характеристики реки в целом — ее длина и площадь водосбора (бассейна).

Водосбор  реки - часть земной поверхности и толщи почв и грунтов, откуда данная река получает свое питание.

Бассейн реки - это часть суши, по которой протекает данная река со всеми ее притоками, включая временные водотоки, и ограниченная водоразделом. Бесточные территории внутри бассейна в водосбор не входят. В районах достаточного увлажнения водосбор и бассейн, как правило, совпадают.

Поверхностный и подземный водоразделы могут  не совпадать. Для крупных и средних по размеру, а также большинства малых рек этим несовпадением можно пренебречь, за исключением рек карстовых районов.

Основные  морфометрические характеристики речного  бассейна (водосбора): площадь, длина, наибольшая и средняя ширина, средняя высота, средний уклон поверхности, коэффициент асимметрии.

Количественные  физико-географические характеристики: густота речной сети, озерность, заболоченность, оледенение, лесистость, распространение  почвогрунтов с той или иной степенью водопроницаемости.

Классификация рек по площади бассейна (F):

большие — F > 50000 км²,

средние — F = 2000-50000 км²,

малые — F < 2000км².

Большая река обычно пересекает две и более  природных зон, гидрологический  режим средней реки отражает условия  одной зоны или подзоны, режим малых рек в значительной мере определяется местными условиями.

По длине (L) к малым рекам относят обычно реки с L от 10 до 100 км (иногда до 200), реки с L<10км часто называют ручьями. Крупнейшие реки мира по площади бассейна (млн. км²): Амазонка(6,92), Конго (3,82), Миссисипи (3,22), Ла-Плата (3,1), Обь (2,99). Реки с наибольшей длиной: Нил (с Кагерой L = 6670 км), Амазонка (с Укаяли 6280), Миссисипи ( с Миссури 5985), Янцзы (5520). Самая большая река Европы - Волга (F= 1,36млн. км², L = 3350км).

Речные  долины - продольные углубления на земной поверхности, сформированные в результате эрозионно-акумулятивной деятельности реки.

Элементы  речной долины: русло, пойма, надпойменные террасы, коренные берега.

Русло - наиболее низкая часть долины, занятая рекой в маловодные периоды года.

Пойма - часть долины, заливаемая при самом высоком уровне воды.

Надпойменные  террасы - относительно плоские участки долины, представляющие собой остатки пойм на предшествующих этапах развития долины.

Коренные берега - склоны долины выше самой высокой террасы.

Русло и пойма  образуют дно долины, террасы и коренные берега - склоны долины. Высота поймы, террас, коренных берегов - превышения их бровок над уровнем воды в маловодный период года. Типы долин по генезису: тектонические, ледниковые, эрозионные; по форме поперечного профиля: каньоны, ущелья, V-образные, корытообразные (троги), трапециевидные, ящикообразные.

Продольный  профиль реки - график изменения отметок водной поверхности и дна по длине реки.

Падение реки - разность отметок водной поверхности или дна (∆H) на каком либо участке реки. Полное падение — ∆Н между истоком и устьем реки. Уклон реки (I) - отношение падения реки на участке к его длине, выражается в долях единицы или промиллях (‰). Для средних по размеру равнинных рек, как правило, I < 1‰, для горных до нескольких десятков ‰.

Типы  продольного профиля: вогнутый, прямолинейный, выпуклый, ступенчатый. Главный базис эрозии реки - уровень приемного водоема или водотока.

Основные  гидрологические характеристики реки - уровень и расход воды.

Расход  воды (Qм³/с) - количество воды, проходящее через поперечные сечения реки за 1 секунду. Расход воды равен произведению площади водного сечения реки на среднюю для этого сечения скорость течения.

Количество воды, проносимое рекой через ее поперечное сечение за больший промежуток времени (сутки, месяц, сезон, год) — это объем стока (V м³ или км³). V = Qм³·t, где Q - средний расход воды за рассматриваемый промежуток времени, t -количество секунд в этом промежутке (для года t = 31,54·10⁶ с).

Для сравнения  величины речного стока с атмосферными осадками или испарением сток характеризуют высотой слоя воды. Слой стока (мм) — это такой слой, который получается, если объем стока распределить равномерно по всей площади речного бассейна (F): y= 10⁶·V/F.

Для сравнения  условий формирования стока в  различных бассейнах часто используют величину расхода воды, отнесенную к площади бассейна, т.е. количество воды, стекающее с каждого квадратного километра - это модуль стока М = 10³· Q /F л/с·км².

Отношение слоя стока к слою выпавших на площадь  бассейна осадков (х), обуславливающих возникновение данной величины стока, называется коэффициентом стока (η). Он показывает, какая часть осадков расходуется на образование стока: η = у/х.

Регулярные  измерения уровня и расхода воды, а также температуры воды и  толщины льда, фиксирование дат наступления различных ледовых явлений ведутся на гидрологических постах. Наиболее распространенное устройство для измерения уровня воды - свайный водомерный пост.