Гідрологічні процеси

Відповіді на питання до завдань

Навести характеристики гідрологічного стану водного об’єкту. Дати визначення гідрологічного режиму, розкрити його сутність. Дати визначення терміну «гідрологічні процеси».

Загальна гідрологія вивчає закономірності руху як вод суші, так і вод морів та океанів. Предметом нашого вивчення є гідрологія суші. Однак на певному етапі розвитку цієї науки від неї відокремились в самостійні науки – гляціологія, болотознавство і гідрогеологія. Тому закономірності поведінки цих вод або зовсім не будуть розглядатись, або будуть розглянуті лише в контексті їх зв’язку за поверхневим стоком.

виходячи з методів вивчення поверхневих вод і етапів розвитку гідрології як науки, в ній можна відмітити п’ять складових частин.

Гідрографія – загальний опис водних об’єктів.

Гідрометрія – дає відомості про методики вивчення різних характеристик водних об’єктів, а також первинні результати цих визначень.

Безпосередньо гідрологія, яка, узагальнюючи дані гідрометричних спостережень, вивчає шляхи і закономірності гідрологічних явищ.

Інженерна гідрологія – розробляє методику гідрологічних розрахунків і прогнозів кількісних величин стоку для різних галузей народного господарства.

Гідроекологія займається не тільки кількісною оцінкою, але і якісною оцінкою води, а також впливом змін у водному режимі на флору і фауну як у водних об’єктах, так і на прилеглих територіях.

загальна гідрологія ставала наукою пройшовши поступово чотири етапи.

Гідросфера або водна оболонка Землі – це її моря та океани, крижані шапки полярних районів, річки, озера й підземні води. Запаси води на Землі величезні – 1,46Ч109 км3. Але це переважно гірко-солона морська вода, непридатна для пиття та технологічного використання. Прісна вода становить усього 2% від її загальної кількості на планеті, причому 85% її зосереджено у льодовикових щитах Гренландії та Антарктиди, в айсбергах і гірських льодовиках. І лише 1% прісної води містять річки, озера і підземні води; саме ці джерела й використовує людство для своїх потреб.

Вода виконує дуже важливі екологічні функції:

вода – це головна складова частина всіх живих організмів (тіло людини, наприклад, на 70% складається з води, а деякі організми, такі як медуза, на 98–99%);

за участю води здійснюються числені процеси в екосистемах (наприклад, обмін речовин, тепла);

води Світового океану – основний кліматоутворювальний чинник, головний акумулятор сонячної енергії й “кухня” погоди для всієї планети;

вода – один з найважливіших видів мінеральної сировини, основний природний ресурс, що споживається людством.

Велику роль відіграє гідросфера у формуванні поверхні Землі, її ландшафтів, розвитку екзогенних процесів (ерозія, карст тощо), а також перенесення хімічних речовин, у тому числі й забруднюючих речовин довкілля.

Перший етап, в основному, носив описовий і частково гідрометричний характер. Тому його можна назвати гідрографічним. Цей період продовжувався декілька тисяч років і закінчився в ХІХ столітті. Описувався стан річок і водойм (глибина, ширина, швидкість течії, можливість судноплавства, строки замерзання і скресання). Такі відомості можна одержати з російських літописів XV і XVI століть. В цей період мали свій початок і інженерні дослідження, які виконувались за вказівкою царя Петра І. В Україні такі дослідження вела експедиція генерала Жилинського у 1873–1898 роках. Всі роботи виконувались, в основному, для потреб водного транспорту.

Другий етап почався у 20-і роки ХХ століття. Його можна назвати гідроенергетичним, тобто, роботи, в основному, гідрометричні виконувались в цілях гідроенергетики. Спостереження велись за витратами і рівнями води, термічним і льодовим режимами, твердим стоком. Об’єктами вивчення були річки, озера, водосховища і частково водозбірні площі. Починає розвиватись і інженерна гідрологія.

Третій етап – середина ХХ століття характеризується в суспільстві значним розвитком промисловості, ростом міст, на великих площах виконується меліоративні роботи. Виникла проблема щодо забезпеченості цих водокористувачів питною і технічною водою, від якої залежить їх розвиток. Треба було давати науково-обґрунтовану оцінку водних ресурсів з прогнозуванням на перспективу. Тому в цей період не тільки виконуються спостереження на водотоках і водоймах, але й вивчаються фізико-географічні, кліматичні і метеорологічні чинники, які обумовлюють величину стоку. Встановлюються розрахункові залежності, за якими можна визначити параметри стоку в недостатньо вивчених басейнах річок і водойм. Виконується багато інженерно-гідрологічних розрахунків, особливо в зрошувальних меліораціях.

Під кінець ХХ століття розвиток промисловості і сільського господарства, гідро- і теплоенергетики, приріст населення зумовили значне антропогенне навантаження на природу і, в тому числі, на водні екосистеми. Багато річок і водойм опинились в забрудненому стані, що, в свою чергу, призвело до зміни їх природного режиму, порушення екологічної рівноваги.

Якщо на перших етапах свого розвитку гідрологія не могла перетворюватись в гідроекологію через недостатність даних спостережень і відсутність одержаних закономірностей гідрологічних явищ, слабкий розвиток таких природознавчих наук як гідрологія, гідрохімія, географія, то екологія водних об’єктів була самостійною біологічною наукою.

На даному етапі розвитку суспільства життєдіяльність людини і водних джерел опинились у взаємозалежності. Погіршення стану і взаємозв’язку з одного боку неминуче впливає на стан іншої сторони. Тобто вода стала основою існування людства в багатьох регіонах землі і, в тому числі, в Україні.

Тому четвертий етап – це етап перетворення всіх складових частин загальної гідрології в гідроекологію, завдання якої є інженерні розрахунки заходів щодо забезпечення людства водою відповідної кількості і якості, що, в свою чергу, пов’язано з охороною водних ресурсів від забруднення, засмічування і вичерпування.

Охарактеризувати вплив господарської діяльності людини на гідрологічний режим річок та поверхневий стік

Стік – це вода, яка після приходу опадів до землі і часткового випаровування, залишається і рухається поверхневим або підземним шляхами.

Стік ділиться на дві складові частини: поверхневу і підземну. Як загальна величина стоку, так і його складові частини визначаються комплексом різноманітних чинників.

Вода рухається по поверхні землі або під нею у вигляді потоків: річка, струмок. Кожний потік характеризується витратою.

Витрата – це кількість води, яка проходить крізь поперечний (живий) переріз потоку за одиницю часу і має розмірність м3/с або л/с.

Кількість води, яка проходить крізь поперечний переріз за деякий відрізок часу (рік, місяць, доба, година) є об’єм стоку (). Він має розмірність м3 або км3 і визначається за формулою:

, (25)

де – витрата, м3/с;

– час, с.

При визначенні кількості води, яка стікає з одиниці площі (км2, га) в одиницю часу (с) як характеристика стоку виступає модуль стоку (), який має розмірність л/с. км2 або л/с. га і визначається за формулою:

, (26)

де – водозбірна площа, км2.

Для порівняння стоку з іншими елементами водного балансу: опадами, випаровуванням, вологозапасами, він може бути виражений у вигляді шару стоку з розмірністю мм. Шар стоку визначається за формулою:

. (27)

Усі параметри стоку можуть визначатись як середні величини, (крім об’єму) за різні періоди спостережень: рік, сезон, місяць, доба та інші. Крім того, в цих же розмірностях можуть визначатись короткотермінові, а також миттєві характеристики стоку, як, наприклад, максимальний стік.

Величини стоку залежать від багатьох чинників, які можна об’єднати в 3 групи.

Кліматичні і метеорологічні: опади, температура, швидкість повітря.

Фізико-географічні – рельєф місцевості, водозбірна площа, грунти.

Антропогенні – меліорація, розораність земель, регулювання річкового стоку.

В різних кліматичних умовах стік змінюється від 0 (пустеля) до декількох тисяч мм за рік. Однак, і в одній місцевості, залежно від погодних умов, він може змінюватись в декілька разів. Наприклад, стік р. Дніпро в маловодні роки в 4 рази менший, ніж в багатоводні. Високі температури і низькі швидкості повітря збільшують стік, а низькі температури і високі швидкості повітря навпаки зменшують.

На плоскій малопересіченій рівнині стік менший, ніж в гірської, з великими похилами місцевості. Із зростанням водозбірної площі та більшим врізом долини річок в земну кору стік зростає. Ґрунти по- різному впливають на стік, що пов’язано з рельєфом місцевості. На ділянках місцевості з великим похилом, погановодопроникні ґрунти збільшують стік, а добреводопроникні – зменшують. На рівнинній місцевості стік збільшується на добреводопроникних ґрунтах і зменшується на поганопроникних.

При проведенні таких меліорацій, як осушення, стік може збільшуватись. Забір води на зрошення зменшує стік річки нижче водозбору. Утворення водосховищ при регулюванні річкового стоку обумовлює його зменшення через випаровування води зі значно більших водних поверхонь. В процесі сільськогосподарської діяльності людина може збільшувати або зменшувати стік шляхом проведення різних агротехнічних прийомів.

Збільшенню поверхневого стоку і, навпаки, зменшенню підземного, сприяють дощі великої інтенсивності, маловодопроникні ґрунти, великі похили місцевості, великі площі водозбору, мала розорюваність та осушення земель і ряд інших чинників.

Перша фаза при випаданні дощу характеризується відсутністю поверхневого стоку. Всі опади йдуть на заповнення поглиблень і нерівностей ґрунту і на просочування в ґрунт, частина опадів утримується на гілках, листях і стеблах рослин. Ця фаза називається безстічною, або фазою повного басейного утримання (τ1).

Друга фаза починається від початку появи перших струминок до моменту підходу їх до створу, який визначається розрахунковим. Це фаза τ2.

Третя фаза (τ3) – повний стік. Вода тече з усієї площі басейну. Поглинання води ґрунтом значно зменшується. Ця фаза закінчується під час закінчення дощу.

Четверта фаза (τ4) – це стік від закінчення дощу до кінця стоку.

Ця схема формування стоку справедлива при постійній інтенсивності дощу і рівномірному розподілу його по площі басейну. Однак, в натурі різні чинники метеорологічного, топографічного характеру, ґрунти, вологозапаси можуть коригувати цю схему. Наприклад, стік в Україні може формуватись лише при інтенсивності дощу більше 0,5 мм/хв при загальному шарі опадів, що випали, більше 15 мм. Тобто, влітку всі фази стоку можуть спостерігатися при довготривалих та інтенсивних дощах.

Процес формування стоку при таненні снігу аналогічний тому, що був розглянутий за деякими особливостями. Так, в перші моменти танення вся вода утримується безпосередньо у снігові, або в нерівностях і поглибленнях місцевості. Це безстічна фаза. Потім ідуть три інші фази стоку.

Наявність промерзлого шару ґрунту або льодової кірки значно зменшує просочування. Однак, під кінець формування талого стоку просочування стає значно більше, ніж спочатку.

Значний вплив на схему формування талого стоку здійснює нерівномірність снігового покриву, експозиція схилів, рослинність, температурний режим.

Сумарна величина втрат опадів при стіканні оцінюється коефіцієнтом стоку η. Він визначається за формулою:

, (28)

де – стік, мм;

– опади, мм.

До поверхневого стоку відносять стік річок. Залежно від місця формування цей стік ділиться на місцевий та транзитний. Місцевий стік формується на території даного регіону, транзитний – надходить в цей регіон з інших суміжних територій. Так місцевий стік в Україні в середні роки дорівнює 52 км3, а транзитний – 158 км3. Стік р. Дніпро на 37% формується в Україні (місцевий стік), на 32% – в Росії і на 31% – в Білорусії (транзитний стік). Незалежно від місця формування весь стік, крім санітарного, кожний регіон може витрачати на свої потреби.

Санітарний стік – це мінімальна величина стоку, яку заборонено забирати з водного джерела з метою виключення його вичерпання. Ця величина дорівнює мінімальному стоку повторюваністю 1 раз в 20 років (95% забезпеченість). Це дозволяє зберігати флору і фауну, здійснювати самоочищення води, підтримувати естетичний вигляд у водному об’єкті.

За часом спостереження стік ділиться на середній, максимальний і мінімальний. Середній може бути річний, сезонний, місячний, добовий та інші. Все залежить від періоду осереднення поточних даних спостережень. Максимальний і мінімальний стоки це, відповідно, найбільші і найменші величини, які спостерігаються протягом конкретного періоду часу, наприклад, року. На рис.1 зображено річний гідрограф стоку, особливістю якого є те, що він починає будуватись з початку гідрологічного року.

Рис. 1. Річний гідрограф стоку:

1 – повінь; 2 – літньо-осінній паводок; 3 – літня межень; 4 – зимова межень

На цьому гідрографі показано всі основні характеристики стоку, які спостерігаються протягом річного періоду.

Відповідно теорії ймовірності одна і та ж величина стоку може бути середньою і може нею не бути. Наприклад, якщо витрата стоку була знайдена за формулою

, (36)

то це – середня величина.

В формулі (36) – сума всіх поточних величин, а – кількість поточних вимірювань.

Якщо розмістити в ряду апологічних величин, які спостерігались в інший час, то ця величина набуває поточне значення, а середнє значення в багаторічному ряду даних спостережень буде знаходитись як:

, (37)

де – сума середніх значень за конкретний період;

n – кількість членів ряду.

найбільше споживання води (близько 4,5%) спостерігається в промисловості. Основна кількість води тут витрачається енергетикою, чорною металургією, хімічною і нафтохімічною промисловістю. Загальна кількість витраченої води 16 млрд.м3, в тому числі з Дніпра - 10, з Дністра - 0,5, з Сіверського Донця - 1,6, Південного Бугу - 1,8 млрд. м3.

Слід визначити високу водомісткість виробництва промислової продукції в Україні, яка вище навіть порівняно з країнами СНД. Так в горній металургії, споживається на 5% більше води на одиницю виробленої продукції, ніж в колишньому СРСР. Споживання свіжої води на одиницю виробленої продукції у Франції в 2,5 раза і Німеччині в 4,3 раза, Великобританії, Швеції у 1,2 раза менше, ніж в Україні. Атомні станції, які в Україні виробляють значну частину електроенергії, витрачають 1,5 раза більше води, ніж теплові станції.

Нині час водоспоживання води в промисловості в зв’язку зі спадом виробництва дещо зменшилось. Однак, прогнозується, що до 2010 року водоспоживання зрівняється з 1990 роком. В цей період у зв’язку з послабленням контролю за скидом стічних вод погіршилась якість очищення промислових стоків. На їх розбавлення для подальшого самоочищення водних джерел також потрібна значна кількість природних вод, що зменшує наявність водних ресурсів цього регіону.

Резервами збереження і поповнення водних ресурсів в даному випадку є такі заходи:

1. Перехід на водооборотне і повторне використання.

2. Застосування водозберігаючих технологій виготовлення продукції.

3. Використання солоних вод.

4. Досконало очищати промислові стоки перед скидом їх в міську каналізацію або у водні джерела.

Сільське господарство

на другому місці за кількістю води, що споживається (39 % від загального об’єму) знаходиться сільське господарство. Тут вода, в основному, витрачається на госппитне водопостачання і на зрощування сільськогосподарських культур. Перша стаття не дуже велика, бо лише 25% сільського населення охоплено централізованим водопостачанням з невеликою нормою водопостачання - 60 л/доб (в містах вона становить 200–300 л/доб). Деяка кількість також може витрачатись підприємствами харчової промисловості, розташованими в сільській місцевості. Однак, загрозу водним ресурсам тут здійснює не забір води, а стічні води сільських населених пунктів, які тут здебільшого не очищаються.

Друга стаття – зрошення, характерна, в основному, для південних областей України, де розміщується 2 млн. га зрошуваних земель. При середній нормі в 3850 м3/га потрібно до 8 млрд. м3 води. Правда, ця величина потрібна лише в посушливі роки. В середньо- і багатоводні роки потреба у воді різко зменшується. Основним водним джерелом тут також є р. Дніпро, з якої забирається на зрощення сільськогосподарських культур більше 6 млрд. м3, з Дунаю і південного Бугу по 0,5 млрд.м3, з Дністра 0,4 млрд.м3, Сіверського Донця 0,6 млрд.м3.

Заходами для збереження водних ресурсів тут можуть бути:

1. Перехід на водозберігаючі способи поливу: крапельне та імпульсне зрошування.

2. Застосування замість каналів трубопроводів великих діаметрів.

Госппитне водопостачання

сумарна потреба у воді на госппитне водопостачання становить в Україні близько 4,5 млрд. (16% від Vзаг.). Кількість споживаної води залежить від кількості жителів в місті або в селищі міського типу, також ступеня їх благоустрою. У великих містах норма водоспоживання сягає 500 л на душу населення. В той же час в селищах міського типу, де немає каналізації і газопостачання, норма споживання води становить 60–80 л/добу. У великих містах частина споживаної води йде на полив зелених насаджень і проїзних частин вулиць. Значна кількість споживаної води втрачається через витік крізь арматуру і пориви трубопроводів. В середньому в Україні норма водоспоживання становить 320–364 л/добу. Для порівняння відмітимо, що в більшості Європейських країн норми водоспоживання нижчі, наприклад, в Болгарії - 200 л/добу, в Польщі - 240 л/добу, в Румунії - 230 л/добу. Це свідчить про можливості більш економних витрат водних ресурсів завдяки:

1. Виключення витоків з водопровідних мереж. Для цього потрібен своєчасний ремонт і оновлення старих труб та арматури.

2. Встановлення лічильників води у кожного водокористувача.

Безповоротне та комплексне використання водних ресурсів

природні води після участі в технологічному процесі або в комунальному господарстві здебільшого повертаються в природні водні джерела. Однак, частина води витрачається на випаровування з відкритої водної поверхні, на фільтрацію з грунтових штучних водойм і каналів, витік крізь пошкоджену арматуру і поривів в трубопроводах. Структура повного і безповоротного водоспоживання наведена в табл. 2.

Таблиця 2 Повне та безповоротне витрачання води в різних галузях народного господарства України

Таким чином, безповоротне водоспоживання є найбільшим в сільському господарстві, де вода витрачається на випаровування з полів зрощення і на інфільтрацію з каналів.

Аналіз стану водних ресурсів в Україні показує, що при збереженні існуючого технологічного рівня в промисловості і в сільському господарстві водний дефіцит може охоплювати практично всі річки. Це свідчить про те, що в найближчому майбутньому головним лімітуючим чинником у розвитку продуктивних сил України виступатиме водний. Тому завдання керівних водогосподарських органів полягає в раціональному використанні і охороні водних ресурсів, жорсткій економії води, широкому впровадженні водооборотних систем, маломістких технологіях.

В першу чергу воду треба давати населенню, тваринництву і працюючим галузям народного господарства. Залишок водних ресурсів потрібно так розподілити, щоб вода могла принести найбільший економічний ефект за рахунок розвитку відповідної галузі. Наприклад, в післявоєнні п’ятирічки річний стік використовувався для вироблення електроенергії, в 1970–1990 роках значна кількість його ішла на зрощення сільськогосподарських культур, в даний час пріоритетним напрямком використання води є або промисловість, або рибне, або сільське господарство.

3. Дати визначення «забезпеченість стоку». Визначення річного стоку розрахункової забезпеченості

Стік змінюється як в просторі, так і в часі. В часі він змінюється як протягом року, що було розглянуто в 4-му розділі, так і в багатолітті. Тому в даному розділі буде розглянуто багаторічне коливання поверхневого стоку.

перша причина мінливості це – залежність стоку від метеочинників (опадів, температури та інших), які самі змінюються в часі.

Друга причина – в його формуванні. Ця причина дуже багатофакторна. Це і стан поверхні землі (тала або мерзла, розорена або нерозорена), рівень вологозапасів у ґрунті, кількість води у водних джерелах.

Третя причина – сонячна активність.

Таким чином, сукупність цих чинників формують величини стоку, які є випадковими величинами. А випадкові величини вивчають за теорією ймовірностей. Тому виникає необхідність в ознайомленні з деякими поняттями теорії ймовірностей. Наприклад, випадкова подія. Це така подія, яка при наявності відповідного комплексу умов може наступити, а може і не наступити. Випадкові події формуються великим комплексом чинників, які не можливо не спрогнозувати і не прорахувати.

Кількісно випадкові події можуть бути виражені у випадкових величинах. Однак, в деяких випадках ці величини можуть бути випадковими і невипадковими. Наприклад, протягом року в річці один раз спостерігається найбільша витрата води. Ця максимальна величина обов’язково повинна бути. Тому вона не випадкова. Але, якщо взяти всі максимальні величини за ряд років, то в цьому ряді ця величина випадкова.

В той же час випадкові гідрологічні величини підлягають деяким закономірностям. Наприклад, циклічності, коли протягом ряду років спостерігаються мінімальні витрати в річках, а потім, навпаки – максимальні.

Сукупність випадкових величин називається статистичним рядом. В свою чергу, статистичний ряд характеризує зміну випадкових величин у часі. Гідрологічні ряди, в основному, є статистичними рядами.

Кожний гідрологічний ряд характеризується такими параметрами:

Середня арифметична величина ;

Коефіцієнт варіації Сv;

Коефіцієнт асиметрії Сs.

Візьмемо для прикладу ряд гідрологічних величин і розглянемо його характеристики. Припустимо, є дані середньорічних витрат за “n” років. Позначимо витрати за кожен рік через X1;X2;…Xn

Для визначення інших характеристик ряду спочатку обчислюють ступінь розкидання ряду, тобто мінливості його, який можна одержати через різницю між будь-якими і-м значенням і середнім , тобто

Однак, для характеристики ряду важливо знати середнє відхилення, тому що окремі відхилення не дають повного уявлення про розкидання точок біля середини.

Оскільки відхилення мають різні знаки, то сума їх дорівнює нулю і середнє значення також дорівнює нулю. Тому не може бути характеристикою ряду.Щоб позбутись від впливу знаків при відхиленнях, усі відхилення підносять до квадрату, а суму квадратів усіх відхилень ділять на число членів ряду. З цього виразу добувають корінь квадратний. Одержана величина називається середнім квадратичним відхиленням і визначається за формулою:

Якщо число членів ряду менше ніж 30, середнє квадратичне відхилення треба визначати за формулою:

Середнє квадратичне відхилення – абсолютна характеристика мінливості даного ряду.

Для порівняння мінливості з іншими статистичними рядами необхідно виразити величину в частках від . Одержане значення називається коефіцієнтом варіації і визначається за формулою:

Для зручності і спрощення гідрологічних розрахунків статистичні ряди дуже часто виражають не в абсолютних величинах, а у відносних, тобто, застосовують безрозмірні ряди. Для цього кожний член розмірного ряду ділять на середнє арифметичне значення, одержуючи величини, які називаються модульними коефіцієнтами

Безрозмірний ряд має дві основні властивості:

Сума членів безрозмірного ряду дорівнює числу членів ряду

()

Середнє арифметичне значення безрозмірного ряду дорівнює одиниці

()

При заміні в формулах (40 і 41) величини на одержують значення коефіцієнта варіації для безрозмірного ряду

і

Третьою характеристикою статистичного ряду є коефіцієнт асиметрії (). Ряд називається симетричним, якщо додатні і від’ємні відхилення членів ряду повторюються однаково часто. Якщо цього немає, з’являється асиметричність ряду, що характеризується коефіцієнтом . Для розмірного ряду визначається так:

а для безрозмірного

Гістограма і