Гидрология суши

Процессы и  факторы, влияющие на температуру воды в реках. Нагревание и охлаждение воды в реках и озерах происходит под влиянием теплообмена, совершающегося между массой воды и окружающей ее средой, выражением чего является тепловой баланс участка реки. Процесс обмена теплом водной массы с окружающей средой происходит по границе раздела воды с атмосферой и грунтами.

Перенос тепла от поверхности  раздела в толщу водной массы  осуществляется в результате турбулентного  перемешивания.

Некоторую роль в распространении  тепла вглубь, помимо перемешивания, особенно в озерах и застойных  участках рек, играет непосредственное проникновение солнечной энергии в воду. Таким путем в зависимости от мутности и цвета воды на глубину 1 м проникает от 1 до 30%, а на глубину 5 м —от 0 до 5"% падающей да поверхность воды лучистой энергии.

Процесс теплообмена существенно  изменяется в течение суток я  по времени года с изменением метеорологических  условий и высоты солнца.

В соответствии с изменением теплового потока и ход температуры  воды имеет периодический характер. Днем, весной и летом преобладает  возрастание температуры, ночью, осенью и зимой — уменьшение.

Особенно существенные изменения  в процесс теплообмена вносит появление ледяного и снежного покрова. С его возйикновением теплообмен с атмосферой резко уменьшается: прекращается турбулентный теплообмен и влагообмен с атмосферой и проникновение в воду лучистой энергии. В это время непосредственный обмен теплом между водной массой и атмосферой осуществляется только путем теплопроводности сквозь лед и снег.

3.2. Распределение температуры по живому сечению реки, длине и по времени

Распределение температуры  по живому сечению реки. Турбулентный характер течения в реках, обусловливающий непрерывное перемешивание водных масс, создает условия для выравнивания температуры по живому сечению реки. В летнее время днем вода на поверхности несколько теплее, чем у дна, ночью же температура у дна несколько выше.

При установлении ледяного покрова более низкие температуры (0° С) наблюдаются у поверхности  воды. При образовании ледяного покрова  и появлении на нем снега толщиной 10—20 см практически прекращается доступ к воде лучистой энергии и исключается  встречное излучение воды. При  отсутствии же лучистого теплообмена  тепловой режим воды будет целиком  определяться потоком тепла от дна  и берегов реки, что" приводит к возникновению теплового потока, направленного от придонных слоев  воды к ее поверхности. Различия в  температурах воды отдельных точек  живого сечения обычно невелики: они  находятся в пределах десятых  и сотых долей градуса, редко  достигая 2—3° С. В условиях сложного очертания русла при наличии заводей и зон с малыми скоростями течения распределение температуры по живому сечению и по глубине может быть более сложным. Но эти случаи являются исключениями из общей картины распределения температур по живому сечению.

Изменение температуры  воды во времени. Изменение интенсивности теплового потока, поступающего в воду, и расходования полученною тепла в течение суток и года, вызывает соответствующие колебания температуры воды.

Суточный ход температуры  воды наиболее четко выражен в  теплую часть года. Основным фактором, определяющим амплитуду суточных колебаний  температуры воды, является водность реки: чем больше водность реки, тем меньше суточная амплитуда. Кроме водности, амплитуда колебаний температуры воды зависит также от широты места. Меньшая амплитуда на северных реках является следствием того, что в этих районах в весенне-летний период ночь коротка и, следовательно, нет условий для большого ночного охлаждения. Суточные амплитуды колебания температуры воды в значительной степени зависят от условий погоды: при ясной погоде они больше, при пасмурной - меньше.

Годовой ход температуры  воды характеризуется следующими особенностями. В течение зимних месяцев температура  воды весьма мало отличается от 0° С и практически принимается равной 0° С.

Изменение температуры  по длине реки. Температура воды рек, особенно имеющих достаточно большую длину, изменяется и вдоль по течению в соответствии с изменением прежде всего климатических условий и характера водного питания.

Изменение температуры воды равнинных рек, текущих в меридиональном направлении (с юга на север или  с севера на юг), зависит от многих причин: времени года, источника  питания, приточности, наличия в бассейне реки озер, а также от смены ландшафтных зон, через которые протекает река.

По мере удаления от истока вода в реке нагревается. Достигнув  наиболее высокого для данной реки значения, далее на некотором участке  вниз по течению температура воды существенно не меняется. Длина участка  с относительно более высокими температурами  зависит, в частности, от длины самой  реки: чем меньше река, тем короче этот участок.

В период охлаждения происходит выравнивание температуры воды по длине  реки, в некоторые моменты времени  и в нижнем ее течении температуры  могут быть выше, чем в верхнем. Это объясняется более высокой  водностью реки в нижнем течении  и, следовательно, большей тепловой инерцией.

Температура воды рек, текущих  с севера на юг, обычно повышается до самого устья, но это повышение различно и зависит от ряда указанных выше причин.

3.3. Зимний режим рек. Фазы зимнего режима – замерзание, ледостав, вскрытие рек

Ледовый режим рек. При  охлаждении воды до 0⁰С и продолжающейся после этого отдаче тепла с водой поверхности на реках возникают ледовые образования- реки вступают в фазу зимнего режима. За начало зимнего периода условно принимают установление отрицательных температур воздуха, сопровождающихся возникновения на реке ледовых образований. Концом зимнего периода считают момент очищения реки ото льда. Для многих рек отождествление конца зимнего периода с моментом очищение их ото льда зачастую может оказаться нецелесообразным, так как часто даже максимум весеннего половодья сопровождается ледоходом или значительная часть паводка проходит поверх льда. Поэтому правильнее с точки зрения выделения зимней фазы стока за момент окончания зимнего режима принимать момент начало первой интенсивной прибыли весенней воды.

Период жизни реки, связаны  с ледовыми явлениями, может быть разделен на 3 характерные части: замерзание реки, включающее время осеннего ледохода, ледостав и вскрытие реки.

В зимний период реки бывшего  СССР живут исключительно за счет питания грунтовыми водами. Только на юге и в период сравнительно кратковременных оттепелей в  северных районах может наблюдаться  более или менее значительный поверхностный сток. В огромном же большинстве случаев расходы  рек в зимний период резко уменьшаются (на некоторых реках до полного  прекращения стока) за счет промерзания  грунтов и иссякания запасов грунтовых вод.

Ледостав. С увеличением числа льдин и их размеров скорость движения ледяных полей уменьшается и в местах сужения русла, на мелких участках, у островков и у искусственных сооружений происходят временные задержки, приводящие в условиях отрицательных температур воздуха к быстрому смерзанию ледяных полей и образованию сплошного ледяного покрова, или ледостава. Описанный процесс замерзания рек является наиболее типичным, однако на малых реках и даже на отдельных участках больших рек с очень спокойным течением ледостав может установиться в течение короткого периода времени с низкими температурами без осеннего ледохода.

Вскрытие рек. С наступлением периода положительных температур начинается таяние льда и поступление воды в реки за счет поверхностного стока. Вследствие таяния снега появляется вода поверх льда сначала у берегов, затем снег на всем ледяном покрове пропитывается постепенно скапливающейся водой. Таяние льда наиболее интенсивно происходит вдоль берегов как за счет поступления талых вод с бассейна, так и в результате того, что почва нагревается быстрее. Вследствие подъема уровня воды лед несколько вспучивается. Вдоль берегов образуется понижение, по которому течет вода и размывает ледяной покров. Образующиеся при этом полосы воды, свободные ото льда, называются закраинами.

4.Испарение и его роль в балансе влаги. Испаряемость и суммарное испарение

Характеристика  процесса испарения с водной поверхности. Процесс испарения состоит в том, что вода из жидкого или твердого состояния превращается в газ (пар). Молекулы воды, находясь в непрерывном движении, преодолевают силу взаимного молекулярного притяжения и вылетают в воздух, находящийся над поверхностью воды. Чем выше температура воды, тем больше скорость движения молекул и тем, следовательно, большее количество молекул воды отрывается от ее поверхности и переходит в атмосферу — испаряется. Поэтому интенсивность испарения зависит, прежде всего, от температуры испаряющей поверхности. Кроме того, часть молекул, оторвавшихся от поверхности воды и находящихся в воздухе, в процессе движения может снова попасть в воду.

Если количество молекул, переходящих из воздуха в жидкость, окажется больше, чем количество молекул, вылетающих из жидкости в воздух, происходит процесс, обратный испарению. Такой  процесс называется конденсацией. Испарение зависит от разности между упругостью водяного пара, насыщающего пространство при температуре испаряющей поверхности, и упругостью водяного пара, фактически находящегося в воздухе. Интенсивность испарения возрастает, если в прилегающем к испаряющей поверхности слое воздуха существуют восходящие и нисходящие токи, называемые конвекционными. Они возникают в том случае, когда температура воздуха, непосредственно прилегающего к испаряющей поверхности, выше, чем температура вышележащих слоев.

Над большими водными пространствами, где испарение происходит одновременно с большой площади, горизонтальное перемещение воздуха не может  обеспечить сколько-нибудь значительный горизонтальный приток более сухих  масс воздуха. Однако с увеличением  горизонтальной скорости ветра увеличиваются  и вертикальные составляющие, вызывающие вертикальное перемещение масс воздуха, проходящих над поверхностью водоема. Это вертикальное перемещение воздуха  и является основным для процесса испарения над обширными водными  пространствами (океаны, моря, крупные  озера). Испарение с поверхности  почвы и испарение растительным покровом протекает значительно  сложнее. Испарение с поверхности  почвы определяется не только разностью  упругости водяного пара и коэффициентом  обмена, но и количеством влаги, находящейся  в почве, и особенностями строения почвы. Суммарное испарение с поверхности почвы и растительным покровом (транспирация). С участков суши, покрытых растительностью, суммарное испарение формируется из трех составляющих: испарение непосредственно с почвы, испарение растительностью в процессе ее жизнедеятельности (транспирация), испарение осадков, задержанных растительной массой.

Для определения испарения  могут быть использованы следующие  методы: а) испарителей, б) водного баланса, в) турбулентной диффузии, г) теплового  баланса.

5. Подземные воды и гипотезы их происхождения

Характеристика  залегания. Применительно к задачам анализа процесса формирования режима поверхностных вод можно различить: а) почвенные воды,.. б) почвенно-грунтовые, в) грунтовые (безнапорные, или с местным напором, подземные воды), г) артезианские воды.

Слой почво-грунта, содержащий воду, полностью заполняющую его поры, называется водоносным, а водонепроницаемый слой, подстилающий водоносный горизонт, — водоупором.

Толщина слоя грунта, заполненного водой, называется мощностью водоносного слоя.

Поверхность подземных вод, образующих общий уровень, называется зеркалом этих вод.

Почвенные воды представляют собой подземные воды, заключенные  в почвенной толще гидравлически  не связанные с нижележащими грунтовыми водами. Эти воды обычно находятся  в гигроскопическом состоянии, пленочном  и парообразном, реже — гравитационном (в периоды полного насыщения  почвы за счет просачивания поверхностных  вод). Изучение их режима необходимо для  оценки расхода воды на фильтрацию, хода процесса испарения с почвы, транспирации и решения других задач  гидрологии суши.

Почвенно-грунтовые  воды — подземные воды, водоупор которых залегает в грунтовой толще, а зеркало постоянно или периодически находится в почве. В этом случае в почвенной толще может возникать движение подземных вод в направлении уклона. Такое движение воды в почвенном слое иногда называют внутри-почвенным стоком.

Грунтовые воды. К этой разновидности подземных вод относятся все безнапорные (или с местным напором) подземные воды, расположённые ниже почвенной толщи, которые дренируются реками или вскрываются эрозионной сетью и понижениями рельефе.

Межпластовые безнапорные  воды приурочены к проницаемым грунтам, перекрытым сверху водонепроницаемыми слоями. Межпластовые воды не будут напорными, если вода полностью не заполняет пустоты проницаемого слоя или поверхность водоносного слоя не соприкасается с водоупорной кровлей. В том случае, когда водоносный пласт, ограниченный сверху и снизу водоупорными слоями, оказывается полностью заполненным водой, грунтовые воды могут обладать напором.

Гипотезы происхождения  подземных вод. Наиболее ранние гипотезы объясняли происхождение подземных  вод процессом просачивания в  землю атм. Осадков. Они подтверждены наблюдениями Мариотта.В 1877 г. Фольгер сделал попытку объяснить обр. подземных вод конденсацией водяных паров, проникающих в почву. Сторонники утверждали, что даже после обильных дождей грунт увлажняется лишь в самом верхнем, сравнительно тонком слое. Далее же, на большой глубине, он остается сухим, а водоносный слой располагается значительно ниже. След. Грунт, насыщенный водой, оказывается разобщенным с поверхностным, влажным и как будто бы не имеет связи с атм. Осадками.

5.1. Виды подземных вод. Виды воды в почво-грунтах.

Виды воды в почво-грунтах. Вода в почво-грунтах может находиться в следующих состояниях: парообразном, гигроскопическом, пленочном, капиллярном, капельно-струйчатом и, наконец, в твердом,

Парообразная вода содержится в воздухе, заполняющем поры и  промежутки между частицами грунта. .Упругость водяного пара зависит от влажности и температуры почвы. В ночные часы упругость водяного пара в атмосфере часто бывает больше, чем в воздухе, заполняющем поры грунта! Вследствие этого происходит перемещение парообразной воды из атмосферы в подземный воздух, где с понижением температуры происходит конденсация водяного пара и переход в капельно-жидкую воду. Наоборот, если температура грунта повышается, часть жидкой воды, находящейся в нем, перейдет в парообразное состояние.