ГИДРОЛОГИЯ - наука, изучающая воды Земли, их свойства, распространение и протекающие в них процессы. Людей давно занимал вопрос, почему океаны не выходят из берегов, хотя реки постоянно выносят в них огромные массы воды. Когда выяснилось, что вода при нагревании может переходить из жидкого состояния в газообразное, стало очевидно, что под воздействием солнечного тепла нагревается поверхность океана и вода постоянно превращается в пар. Между тем и метеорология постепенно раскрывала причины изменений погоды. Стало известно, что дождь выпадает из облаков, а облака состоят из крошечных капелек воды или кристаллов льда. Наконец, происхождение облаков было соотнесено со скоплениями водяного пара в атмосфере, а описание гидрологического цикла - круговорота воды в природе (рис. 1) - стало краеугольным камнем гидрологии.
Рис. 1. КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ. А1 - осадки, выпадающие над сушей; А2 - осадки, выпадающие над океаном; Б1 - испарение с суши; Б2 - транспирация растительностью; Б3 - испарение с озер и рек; Б4 - испарение с океана; В1 - инфильтрация воды в почву; В2 - потребление воды растительностью; В3 - подземный сток воды в реки и озера; В4 - подземный сток воды в океан; Г - поверхностный сток в озера и реки.
По сути, источником всех вод суши является океан. Молекула воды начинает свой путь в этом цикле, когда, получив несколько больше тепловой энергии по сравнению с соседними молекулами, преодолевает поверхностное натяжение жидкости и превращается в молекулу пара. Воздух, в который попадает молекула, вовлечен в процесс циркуляции, порожденный неравномерным нагреванием полярной и тропической зон, перепадами атмосферного давления и вращением Земли. Циркуляция атмосферы в Северном полушарии в целом направлена с запада на восток. Внутри воздушных масс происходит вертикальное движение воздуха, вызванное прежде всего нагреванием воздуха на контакте с более теплой поверхностью океана или суши. Нагретая таким образом отдельная частица расширяется, становясь менее плотной, чем частицы, находящиеся непосредственно выше нее, и благодаря большей подъемной силе, воздействующей на нее, устремляется вверх. Однако в соответствии с известным физическим законом расширение происходит за счет запаса тепла, и поэтому, поднимаясь, эта воздушная частица охлаждается до тех пор, пока температура не понизится до такой степени, что влага уже не сможет оставаться в газообразном состоянии и не произойдет конденсация пара. Крошечные капельки воды, взвешенные в атмосфере, образуют облака. При соответствующих условиях эти капельки сливаются вокруг ядер конденсации (кристаллов льда или пылинок), а достигнув веса, достаточного для преодоления сопротивления воздуха, падают на землю в виде дождя, снега или града. Когда частица воды вместе с наземным или подземным стоком попадает снова в океан, это означает, что она совершила полный круговорот в природе.
Осадки.
Измерение. Современный инструмент для измерения осадков - это автоматический плювиограф, непрерывно регистрирующий в графической форме количество, продолжительность и интенсивность атмосферных осадков. Используются также дождемеры, улавливающие осадки. Там, где снег выпадает нерегулярно и в небольшом количестве, применяются те же приборы, что и для измерения жидких осадков. В горных областях устанавливаются емкости-ловушки, аккумулирующие снег иногда в течение всего холодного сезона. Попадая в емкость, снег тает под воздействием концентрированного солевого раствора. Количество выпавшего снега измеряется также при помощи снегомерной трубки, которой берут снежный керн. Для определения эквивалентного слоя воды этот керн взвешивается.
Типы. Интенсивность и количество осадков зависят от содержания воды, а также от скорости и амплитуды охлаждения воздуха. Выделяются два основных типа осадков. Первый - это осадки, выпадающие на обширной территории в результате циклонической деятельности; их можно подразделить на фронтальные и нефронтальные. Первые формируются, когда теплый воздух поднимается над холодным, вторые - когда происходит горизонтальная конвергенция и поднимающийся воздух перетекает в область низкого давления. Осадки второго типа выпадают на меньшей территории и представляют собой более интенсивные грозовые ливни, при которых более теплый воздух нижних слоев быстро выносится вверх сильными конвективными течениями. Осадки конвективного типа могут быть одной из стадий циклона, и оба типа осадков могут усиливаться за счет дополнительного подъема воздуха над высокими формами рельефа.
Распределение во времени. Дожди циклонического типа умеренной или слабой интенсивности могут продолжаться несколько суток. Такие дожди - благо для фермеров, так как большая часть осадков впитывается в землю и способствует росту растений. Однако, когда контраст во влагосодержании и температурах между соседними воздушными массами крайне велик или конвекция протекает особенно активно, дождь выпадает с такой интенсивностью, что большая часть воды скатывается по поверхности грунта прямо в реки, часто захватывая при этом большое количество плодородного гумуса. Русла оказываются не способными вместить и пропустить весь объем воды в столь короткие сроки, и реки выходят из берегов. В результате происходят разрушительные наводнения.
Пространственное распределение. Паводок обычно следует непосредственно за ливнем. В среднем слой выпавших дождевых осадков уменьшается с увеличением площади территории, над которой они выпадают, а также с удалением от центра циклона. В горах структура дождя, изображаемая в изогиетах (линиях равной величины осадков), зависит от распределения высот, экспозиции отдельных склонов и крупных форм рельефа.
Снег. Когда водяной пар конденсируется при температурах значительно ниже 0° С, формирующиеся кристаллы льда при определенных условиях объединяются и падают на землю в виде снежинок. Плотность свежевыпавшего снега варьирует в широких пределах. На востоке США снег рассматривается как рекреационный фактор, однако, если таяние снега предшествует ливневым дождям или происходит одновременно с ними, он также существенно влияет на формирование паводков. На западе США снег является источником воды, использующейся для ирригации, выработки электроэнергии и водоснабжения городов и поэтому играет важную роль в хозяйственной жизни страны. Там, начиная с высоты ок. 2150 м, формируется устойчивый снежный покров, который держится с октября по март. Выше 3000 м его мощность бывает более 6 м.
Испарение. Преобразование воды в пар представляет собой важный энергетический переход в непрекращающемся круговороте воды в природе. Этот процесс происходит почти непрерывно в результате испарения со всех водных поверхностей и влажной почвы и транспирации растениями. Количественная оценка испарения обычно выполняется косвенным путем. При идеальных условиях испарение с поверхности озера можно определить путем измерения суммарного поступления в него воды, стока из него и аккумулировавшейся воды. При этом предполагается, что остаточная составляющая баланса, необходимая для сохранения равновесия системы, соответствует испарению. Такой метод обычно неудовлетворителен, так как невозможно точно оценить прочие элементы водного баланса, например просачивание воды в грунт. Близкий подход, называемый методом энергетического баланса, заключается в измерении поступающей тепловой энергии, отдаваемой озером и накопленной в нем. Надежность этого метода повышается благодаря огромному количеству тепловой энергии, затрачиваемой на испарение воды (скрытой теплоты парообразования). Транспирация пышной зеленой растительностью, образующей сплошной покров и в достатке получающей влагу, почти равна испарению с поверхности соседних озер. Если вода, извлеченная из почвы и затраченная на транспирацию, не восполняется за счет осадков или орошения, почва начинает иссушаться, скорость транспирации падает, и, наконец, растения увядают из-за дефицита воды. Таким образом, в годовом осреднении транспирация в районах с достаточным увлажнением несколько меньше, чем испарение с открытой водной поверхности, а в аридных районах она ограничена количеством осадков. Поверхностный сток формируется, когда дождь выпадает или снег тает со скоростью, превышающей скорость просачивания воды в грунт. Сначала вода заполняет небольшие углубления на поверхности земли, которые, переполнившись, сливаются вместе и образуют промоины и ручейки, продолжающие сливаться, расширяться и превращаться в ручьи и реки, на которых может быть измерен сток. Питание водотоков осуществляется двумя путями: дождевой или талой снеговой водой, которая стекает с поверхности, и водой, поступающей со дна русла и из бортов долины. Последний источник включает: 1 - воды, поступающие с ливнями на поверхность почвы неподалеку от русла, просачивающиеся в нее и быстро перемещающиеся на небольшой глубине в направлении русла, а при достижении его смешивающиеся с поверхностным стоком, и 2 - воды, просачивающиеся вглубь и достигающие уровня грунтовых вод, имеющих выход в глубокие долины, секущие такие водоносные горизонты. Первый из названных подтипов - внутрипочвенный ливневый сток - не может быть измерен отдельно от поверхностного стока. Второй подтип, называемый грунтовыми водами, поддерживает существование водотоков в периоды, когда осадки не выпадают.
Гидрографы. Графическое изображение изменений уровня воды в данном створе водотока за определенный промежуток времени называется гидрографом. Если подъем уровня воды приводит к затоплению берегов, такой гидрограф называют гидрографом паводка (рис. 2).
Рис. 2. ГИДРОГРАФ ПАВОДКА на р. Скайото около Чилликоте (шт. Огайо) 27 декабря 1936 - 5 февраля 1937. Сплошной линией показан уровень воды в реке (h, метров), выше прерывистой линии соответствующий режиму паводка. Каждый заштрихованный столбик обозначает среднюю интенсивность осадков за сутки на площади всего водосборного бассейна (Р, миллиметров).
Инфильтрация. Часть атмосферных осадков, которая просачивается в грунт, подчиняется воздействию двух сил: силы тяжести и силы молекулярного притяжения между частицами грунта и водой. В целом, эти силы противостоят друг другу. Вода, обволакивающая частицы грунта, т.н. гигроскопическая вода, или влажность почвы, играет важную роль в поддержании жизнедеятельности растений. Вода, прокладывающая себе путь вниз по порам между частицами почвы, в конце концов достигает наземных водотоков или уровня грунтовых вод. Если зеркало грунтовых вод располагается ниже русла потока, то на поверхность они могут быть выведены либо в результате откачивания насосами из скважин, либо через артезианские источники и родники, если создается достаточное гидростатическое давление.
Капиллярное поднятие воды. Если открытый конец трубки, заполненной сухим песком, погрузить в сосуд с водой, то вода в ней поднимется несколько выше уровня жидкости в сосуде. Если в трубку помещать разные грунты, высота, на которую поднимается вода, будет зависеть от их физических свойств (размерности частиц, пористости и пр.). Такой подъем уровня воды, противоположный направлению силы тяжести, является суммарным результатом действия трех сил: молекулярного притяжения между частицами грунта и водой, поверхностного натяжения воды и способности воды противостоять силам, стремящимся разъединить их. Таким образом, иссякшие запасы почвенной влаги компенсируются капиллярным поднятием воды из горизонтов, расположенных ниже корнеобитаемой зоны, которое зависит от размерности почвенно-грунтовых частиц и глубины залегания грунтовых вод.
Грунтовые воды. Их движение зависит от скорости фильтрации воды в рыхлых отложениях, сквозь которые они текут, и некоторых физических свойств этих отложений (в особенности гранулометрического состава, т.е. количественного соотношения частиц разного размера), перепада высот между вершиной и устьем водоносного горизонта и его протяженности. Эти взаимосвязи могут быть выражены простейшими математическими формулами.
Прикладное значение гидрологии. Гидрология как прикладная наука получила развитие в связи с насущными хозяйственными задачами. Она занимается рациональным использованием и охраной поверхностных и грунтовых вод, прогнозом паводков, оценкой водных ресурсов и другими проблемами.
ЛИТЕРАТУРА
Чеботарев Н.П. Учение о стоке. М., 1962 Великанов М.А. Гидрология суши. М., 1964 Железняков Г.В. Гидрология и гидрометрия. М., 1981