книги из ГПНТБ / Богословский, Б. Б. Основы гидрологии суши. Реки, озера, водохранилища

Б. Б. БОГОСЛОВСКИЙ

ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИИ СУШИ

РЕКИ, ОЗЕРА, ВОДОХРАНИЛИЩА

Издательство БГУ им. В. И. Ленина Минск 1974

АН

W ^o s

„ 0297—056 Ь М 317-74 10—74

© Издательство БГУ им. В. И. Ленина, 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга предназначается в качестве учебного посо­ бия по курсу общей гидрологии для географических факульте­ тов университетов. В ней рассматриваются водные объекты су­ ши — реки, озера и водохранилища.

Рациональное использование, охрана и целенаправленное пре­ образование водных ресурсов является одной из актуальных проблем современности. Эксплуатация и охрана вод нашей стра­ ны регламентируется «Основами водного законодательства Со­ юза ССР и союзных республик», принятыми Верховным Сове­ том СССР в декабре 1970 г. Конкретные меры по упорядочению использования и охраны водных ресурсов предусмотрены поста­ новлением Верховного Совета СССР 1972 г. «О мерах по даль­ нейшему улучшению охраны природы и рациональному исполь­ зованию природных ресурсов» и последующим постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР «Об усилении охраны при­ роды и улучшении использования природных ресурсов».

Для осуществления мероприятий по эксплуатации и охране водных ресурсов необходимо всестороннее изучение режима вод­ ных объектов, их роли в народном хозяйстве, оценка влияния деятельности человека на природные воды. В связи с этим разра­ ботка теоретических положений гидрологии и исследование вод суши приобретают первостепенное значение.

Понимание процессов, происходящих в природных водах, не­ возможно без четкого представления о взаимосвязи вод суши с окружающей средой и хорошей ориентировки в задачах совре­ менной гидрологии и методах гидрологических исследований. Исходя из этого во вводной части книги рассмотрены задачи и методы гидрологии, круговорот воды на земном шаре, водообмен водных объектов, некоторые физические и химические свойства воды и ее роль в географических процессах, а также дана крат­ кая характеристика изданий водного кадастра СССР, содержа­ щих сведения о водах нашей страны.

В задачи курса гидрологии входит изучение процессов и яв­ лений, происходящих в гидросфере, и освоение ряда методов полевых исследований и расчетов, с помощью которых можно по­ лучить количественные характеристики морфологии и режима водных объектов. Соответственно этим задачам строение и ре-

а

ВВЕДЕНИЕ

Вода чрезвычайно широко распространена на земном шаре и играет первостепенную роль во всех процессах, происходящих на его поверхности, в земной коре, в атмосфере.

Скопления природных вод образуют водные объекты. По рас­

екты суши' (реки, озера, водохранилища, болота, подземные

проникает в литосферу вместе Сподземными водами, связанны­ ми обменом вод с поверхностными водными объектами.

1. Гидрология, ее задачи, отрасли и методы

Изучение водных объектов и происходящих в них процессов является задачей г и д р о л о г и и . Соответственно подразделе­ нию водных объектов гидрология делится на гидрологию океана, или о к е а н о л о г и ю , и г и д р о л о г и ю суши. Гидрология суши в свою очередь подразделяется по изучаемым водным объ­ ектам на гидрологию рек, озер и водохранилищ, болот, подзем­ ных вод, ледников. Следует заметить, что учения о водных объ­ ектах, включающие исследования не только водного режима, но и геологических, геоморфологических, биологических и других особенностей водных объектов, соответственно называются потамологией (греч. poiamos — река), или учением о реках, лимно­

туре эти группы терминов часто объединяются, что, строго гово­ ря, неверно.

В практике исследований гидрогеология относится к геологи­ ческим наукам, а гляциология — к физической географии и гео­

ча которой — исследование конкретных водных объектов, их рас-

5

пределения по территории, изменений режима, и г и д р о м е т - р и я, занимающаяся практическим измерением размеров и эле­ ментов режима водных объектов, разработкой методов и прибо­ ров для полевых исследований. Так, например, изучение законо­ мерностей режима скоростей течения, изменений количества воды, формирования русла и т. п., свойственных всем рекам,— за­ дача общей гидрологии, изучение рек Европейской части СССР, их распределения по этой территории и закономерностей измене­ ний режима — гидрографии, а измерение скоростей течения, глу­ бин и т. п. непосредственно на реках — гидрометрии.

Изучение водных объектов невозможно без знания свойств воды как вещества, закономерностей ее движения, биологических процессов, происходящих в ней, взаимодействия ее с окружаю­ щей средой. Поэтому гидрология тесно соприкасается и взаимо­ действует с гидрофизикой, 'гидрохимией, гидродинамикой и гид­ равликой, гидробиологией, физической географией, климатологи­ ей, геоморфологией, геологией.

Данные о морфологии и режиме водных объектов необходи­ мы для решения ряда водохозяйственных проблем: судоходства, водоснабжения, гидроэнергетики, орошения и осушения, терри­ торий, поэтому гидрология тесно связана с гидротехникой и эко­ номикой.

Решение водохозяйственных проблем невозможно 'без г и д ­ р о л о г и ч е с к и х и в о д о х о з я й с т в е н н ы х ра сче т ов , с помощью которых обосновываются проектирование и эксплуата­

С т а ц и о н а р н ы й метод заключается в непрерывных на­ блюдениях за режимом водных объектов (колебаниями уровней, водности, замерзанием и вскрытием и т. п.) в течение длитель­ ного времени (годы — десятки лет) в одних и тех же пунктах. В результате таких наблюдений накапливаются ряды гидроло­ гических данных, по которым можно судить о колебаниях водно­ го режима во времени. В нашей стране стационарные наблюде­ ния ведутся на опорной сети гидрологических станций и постов Гидрометеорологической службы СССР, расположенных на ре­ ках, озерах, водохранилищах, болотах.

Гидрометеорологическая сеть на какой-либо территории рас­ полагается таким образом, чтобы охватить наблюдениями вод­ ные объекты, характерные для определенного района. Это позво­ ляет применять метод аналогов, т. е. по данным о режиме иссле­ дуемых водных объектов, получаемым с помощью сравнительно редкой гидрометеосети, судить о режиме неизученных объектов, находящихся в тех же географических условиях.

6

Э к с п е д и ц и о н н ы е исследования проводятся с целью получить общую характеристику водных объектов некоторой тер­ ритории и данные о их режиме за короткое время (от сезона до одного-двух лет). Особенно эффективен экспедиционный метод в сочетании со стационарным.

Стационарные и экспедиционные исследования позволяют фиксировать режим водных объектов за те или иные промежут­ ки времени, производить статистическую обработку данных и вы­ полнять ряд гидрологических расчетов. Но по полученным дан­ ным не всегда удается выявить главные факторы, определяющие водный режим. Кроме того, особенно важно бывает проследить

рии можно изменить силу действия исследуемого фактора (на­ пример, количество поступающей воды, уклон русла, скорость течения) и изучить последствия этих изменений. В лабораториях моделируются не только естественные водные объекты, но и гид­ ротехнические сооружения.

Сочетание различных методов позволяет наиболее полно изучить объект и дать расчеты и прогнозы его режима.

Выявление закономерностей формирования гидрологическо­ го режима водных объектов, связей его элементов с действую­ щими факторами, выработка теоретических основ гидрологии и методов расчетов, необходимых для практики использования вод в народном хозяйстве, возможны только на основе обобщения данных, полученных путем полевых и экспериментальных иссле­ дований.

При обобщении гидрологических данных применяются гене­ тические и статистические методы. С помощью генетических ме­ тодов анализируется' физическая сущность процессов, происхо­ дящих в водных объектах, раскрываются связи элементов режи­ ма с действующими факторами, взаимосвязь водных объектов с географической средой, закономерности пространственного рас­ пределения, выявляется доминирующее воздействие тех или иных факторов на водные объекты в конкретных географических ус­ ловиях. Статистические методы позволяют рассчитывать вероят­ ные экстремальные и средйие значения элементов режима, веро­ ятность наступления и повторяемость их, математически выра­ жать зависимости гидрологического режима водных объектов от действующих факторов.

Вполне очевидно, что гидрология, относящаяся к циклу наук о земле, развивается и совершенствуется только на основе широ­ кого совместного использования географических, геофизических, математических и других методов исследований.

7

2. Круговорот воды на Земном шаре.

Водообмен водных объектов

Общий объем воды, содержащийся в водных объектах, вклю­ чая водяные пары атмосферы, около 1,386 млрд. км3. Распределе­ ние ее по водным объектам приведено в табл. 1.

Таблица 1

Объем воды и водообмен водных объектов Земного шара (по монографии «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли». Л., 1974)

Основная масса вод—1,338 млрд, км3, или 96,5%, заключена в Мировом океане, покрывающем 71% поверхности Земного ша­ ра. В объем подземных вод (60 млн. км3) включены только сво­ бодные воды, не входящие .в состав минералов. Общий же объем воды в земной коре, по расчетам В. И. Вернадского, достигает 13—15 млрд, км3, т. е. примерно в 10—12 раз превышает объем Мирового океана. Кроме 24 млн. км3 объема воды, заключенных в ледниках, около 300 тыс. км3 грунтового льда залегает в рай­ онах вечной мерзлоты.

На Земном шаре непрерывно происходит единый процесс об­ мена вод (влагооборот, круговорот воды), охватывающий гидро­ сферу, атмосферу, литосферу и биосферу. Движущими силами его являются солнечная радиация и сила тяжести. В этот обмен включаются все водные объекты.

Под воздействием тепла солнечной радиации с поверхности Мирового океана, рек, озер, болот, ледников, почвы и раститель­ ности испаряется огромное количество воды. Водяные пары, по­ ступившие в атмосферу, перемещаются с воздушными массами, конденсируются и дают атмосферные осадки.

Большая часть воды, испарившейся с океана, вновь поступа­ ет на его поверхность в виде атмосферных осадков, завершая,

8

Другая часть водяных паров перемещается с воздушными массами над сушей и дает осадки на материки. В'оды атмосфер­ ных осадков, выпавшие на поверхность суши, частично испаря­ ются е нее и вновь попадают в атмосферу, частично просачива­ ются в почвы и грунты, образуя подземные воды. Оставшаяся часть вод стекает по поверхности суши под уклон местности и дает начало водным потокам — рекам и ручьям.

Около 80% общей поверхности суши имеет уклон к океанам. Реки этой периферийной области суши дают сток в океан, завер­ шая мировой, или ' боль шой , к р у г о в о р о т воды Земного шара, в котором участвуют океаны, атмосфера и воды суши. Зна­ чительная часть движущихся подземных вод также поступает в океан подземным или поверхностным (через реки, в которые они стекают) стоком.

На суше существуют и территории, имеющие уклон внутрь материков, в замкнутые котловины, часто к крупным бессточным озерам. Это области внутреннего стока, бессточные по отноше­ нию к океанам. Сток их аккумулируется внутри материков, обыч­ но в крупных озерах или группах озер, и испаряется с их поверх­ ности. Наиболее значительные из таких областей Арало-Каспий­ ский бассейн и бессточные области Средней Азии на территории

СССР, бассейн озера Чад в Африке, многие районы Централь­ ной Азии, Большой бассейн в Северной Америке и другие.

В пределах современной геологической эпохи можно считать, что объем воды на Земном шаре постоянен и количество ее, уча­ ствующее ежегодно в круговороте, практически неизменно. Ина­ че говоря, составляющие круговорота (атмосферные осадки, испарение и сток) находятся в некотором равновесном соотноше­ нии, которое может быть представлено в виде уравнения водно­ го баланса, учитывающего приход и потери воды океаном и су­ шей.

Сложив уравнения (1), (2) и (3), получим уравнение водно­ го баланса Земного шара:

(4)

(5)

9