Гидрология

Гидрология, часть физической географии, изучающая жидкую оболочку земли— гидросферу и круговорот воды в природе, заключающийся в непрерывн. обмене влаги между атмосферой, сушей и океаном. Г. делится на следующие отделы: океанография, изучающая океаны и моря, лимнология— озера, потамология—реки, гидрогеология— грунтовые воды, гидрометеорология—атмосферные воды, глясиология—ледники. Гидрологические явления вызываются целым рядом факторов — метеорологических, географических, почвенных, ботанических и других. Такая сложность явлений не позволяет пользоваться дедуктивным методом, а заставляет для гидрологических обобщений использовать наблюдения над отдельными явлениями, сводящиеся к измерению и описанию последних. Вспомогательными для Г. науками являются: 1) гидрография (смотрите)— описание расположения на земной поверхности водных источников и 2) гидрометрия (смотрите), учитывающая запасы и изменения водных источников во времени. В то время как одни элементы (рельеф местности, русло реки) стационарны и не изменяются во времени, а потому могут быть раз навсегда измерены, описаны и нанесены на карту, другие (горизонты воды, осадки)

подвержены постоянным циклическим колебаниям, и их изучение возможно только при помощи массового наблюдения над этими элементами, позволяющего путем применения закона больших чисел установить нек-рые обобщающие характеристики, указывающие на характерные и длительные соотношения отдельных частей явления. Гидрологии приходится, поэтому, иметь дело с материалом и источниками двоякого рода: картами топографических, геологии. и гео-ботанич. съемок и исследований и таблицами метеорологии., водомерных и гидрометрии, наблюдений. Карты показывают распределение воды на земле и позволяют изучать отдельные водные бассейны и их основные орографии, элементы, а также водную сеть бассейна. Таблицы дают представление о круговороте воды, его основных элементах (испарение, атмосф. осадки, их стоки: надземный и подземный) и об их изменении во времени.

Вода принадлежит к наиболее распространенным в природе телам. Площадь, занятая океанами и морями, составляет около 72% всей земной поверхности; средняя глубина океанов—3 500 .и; слой воды, равномерно распределенный по земному шару, достиг бы глубины в 2 500 .и. В атмосфере также постоянно находится определенное количество водяного пара, причем это количество меняется в зависимости от темп-ры воздуха. Так, при t° —20° достаточно 0,94 а водяных паров для насыщения ими 1 .и³ воздуха, а при t° +30° требуется 31,51 а тех же паров. Вода земной поверхности и атмосферы не находится в неизменном состоянии, а постоянно перемещается из одного положения в другое, совершая полный цикл: испаряясь под влиянием теплоты с земной и водной поверхностей, поднимаясь в верхние холодные слои атмосферы, конденсируясь там в капельно-жидкое состояние и собираясь в тучи, переносимые ветром, вода ниспадает обратно на земную поверхность в виде твердых или жидких атмосферных осадков— снега и дождя. Часть этих осадков стекает но наклонным поверхностям земли и, собираясь в пониженных местах ее, образует ручейки и реки, стекающие в конечном счете обратно в моря. Другая часть осадков просачивается в почву, проникая до водонепроницаемого слоя, по которому затем стекает и вместе с ним выходит на поверхность земли; эта просачивающаяся в землю вода питает растительный покров земли. Наконец, последняя часть атмосферных осадков снова испаряется с земной поверхности. Осадки, выпадающие па высокие горные вершины, покрытые вечным снегом, остаются там и, накапливаясь, своей тяжестью приводят в движение нижние слои, которые, опускаясь в более теплые зоны, тают и стекают с гор. Т. о., в природе замечается постоянный круговорот воды, регулируемый и приводимый в движение теплотой солнца. Различают два вида круговорота: малый—когда испарившаяся с поверхности морей вода выпадает обратно в виде осадков в море же, и большой—когда осадки выпадают на сушу и возвращаются в море через реки. Области суши, с которых имеется сток в моря, называются периферическими.

Полный баланс круговорота воды представляется, по Брикнеру, в следующем виде. 1) Океаны и моря: поверхность 366 млн. км¹, испарение 384 000 км³, осадки в море 359 000 км³ количество водяных паров, переходящих с моря на сушу, 25 000 км³.

2) Периферической площади суши: поверхность 114 млн. км³, поступление паров с моря 25 000 ic.it³, испарение с периферической площади 76 500 км³, осадки 101 500 км³.

3) Области, не имеющие стока: поверхность 30 млн. км², испарение 10 500 ic.it³, осадки 10 500ioit³. Со всего земного шара, при поверхности в 510 млн. к.и² (72% моря и 28% суши) испаряется 471 000 ic.it³ (82% с моря и 18% с суши) и выпадает такое лее количество осадков, из к-рых, однако, на море приходится 76% и на сушу 24%. Таким обр., в периферических областях суши количество выпадающих осадков па треть больше испаряющейся влаги.

Частным круговоротом воды называются процессы питания и стока определенной реки. Работы Воейкова и Брикнера показали, что «реки молено рассматривать как продукт климата» и что сток воды в реках подвержен тем же циклическим колебаниям, что и климат. Батане частного круговорота может быть выражен ф-лой: поверхностный сток вместе с подземным питанием из запасов грунтовых вод равен количеству выпавших в речном бассейне осадков за вычетом потерь на испарение и накопление запасов грунтовых вод.

Если бы все количество выпадающих на сушу осадков было распределено равномерно, то оно составило бы за год слой воды в 844 лип, однако, распределение осадков крайне неравномерно: наибольшей величины осадки достигают у экватора, наименьшей— у полюсов. До ²/з всех осадков выпадает между 30° север, широты и 30° южн. широты, как видно из кривой (фигура 1), дающей изменение средних годовых количеств осадков

Фигура i.

по широтам (по данным Кернера). Па количество выпадающих осадков какой-нибудь местности влияет, кроме того, ее отдаленность от моря, высота над уровнем моря и, в особенности, расположение относительно гор, пересекающих преобладающее направление ветров. Годовые и месячные количества осадков колеблются в значительных пределах, причем амплитуда колебаний тем больше, чем больше абсолютные величины выпадающих осадков, как видно из фшг. 2, характеризующей зависимость сред-

ией изменчивости годовых количеств осадков Лот нормальных годовых количеств их R.

На питание рек существенное влияние оказывают количества выпадающего за зиму снега, а также частота и продолжительность дождей и ливней (последних, особенно, для небольших речных бассейнов). Зависимость между количеством выпадающих в бассейне осадков и стоком воды в реке

характеризуют следующие величины: 1) ко-зффициент стока к, равный отношению количества воды Q м³, протекшего через данное живое сечение реки за 7 дней, к количеству выпавших за то яш время в бассейне реки атмосферных осадков Им³, то есть к— ^ ;

2) высоту слоя стока А миллиметров, равномерно распределенного па площади бассейна F км- и дающего за время Т дней сток в (>.и^ч, то есть

А=0,001 у миллиметров; 3) модуль стока ул/ск, или количество воды в л, стекающей в 1 сек. с 1 к.ч² бассейна, то есть у=¹ ”"^0<г [_кц?._ск], где qM³/cK секундный расход воды в реке. Так как (> 86 400 7<7, то между А и у существует следующая зависимость: у1=0,08647’у. Эти три величины (Л, А и у) не являются постоянными для одной и той же реки, а подвержены колебаниям—месячным, годовым и многолетним. Целый ряд попыток вывести аналитически зависимость между стоком и определяющими его факторами не получил еще окончательного разрешения. Однако, предложенные многими исследователями формулы, в которых сток представлен в виде функции атмосферных осадков, дают результаты, могущие служить ориентировочными данными, особенно для небольших бассейнов. Так, Пенк предложил для рек средней Европы следующую формулу высоты годового слоя стока:

А=0,73 (г — 420) миллиметров,

где г—высота годового слоя осадков в миллиметров. Ф-ла Ишковского для модуля стока имеет следующий вид:

у=31,70« л/ск.,

где С—коэфф-т, характеризующий рельеф местности, a h—средний годовой слой осадков в μ. Для коэфф-та С Ишковский дает следующие величины: для болот и низин 0,20, для плоских низменностей 0,25, для холмистых низменностей 0,30, для волнистого рельефа при пологих склонах холмов 0,35, для рельефа частью гор истого, частью волнистого или крутых склонов холмов —0,40. Величина стока зависит от величины и ре льефа бассейна. Чем больше бассейн, тем больше потери на испарение и поглощение почвой и тем больше замедление стока, так как в реку одновременно стекает не все количество выпавшей в бассейн влаги, а только влага с ближайших частей бассейна. С другой стороны, чем гористей участок, тем бблыная часть осадков стекает по поверхности его.

Гидрологическая роль болот и лесов не так ясна, и до последнего времени в этом вопросе господствовал ошибочный взгляд, что они задерживают в многоводные периоды (весной) влагу и равномерно распределяют ее затем в сухие времена года. Однако, ряд позднейших исследований показа^-:, что болота во время дождей быстро насыщаются водой и делаются водонепроницаемыми для дальнейшего дождя; в сухое же время болота, высыхая, не только не отдают излишков влаги рекам, но сами перехватывают приток грунтовых вод; торф обладает способностью сильно поглощать воду и испарять ее, но водопроводящая способность его крайне низка. Таким образом болота не только не играют роли резервуаров воды, регулирующих питание рек, но и нарушают правильный сток последних. Точно так же и леса способствуют понижению уровня грунтовых вод и, по выводам из многочисленных и тщательных наблюдений Отоцко-го, не только не накапливают запасов подпочвенной влаги, но, растратив на испарение воду, полученную непосредственно из атмосферы, они (леса), повидимому, склонны позаимствовать нек-рое количество влаги у прилегающих открытых мест. Поло-жителыюе значение леса для питания рек заключается только в его способности задерживать на некоторое время таяние снегов и тем содействовать более равномерному расходованию снежных запасов.

Часть атмосферных осадков, просачиваясь в почву до водонепроницаемых слоев, образует определенные запасы грунтовых вод (смотрите), которые питают реки, особенно в сухое время года, путем т. н. внутреннего стока. Водопроницаемые слон речных долин пропитаны грунтовыми водами, которые и находятся в тесной связи с уровнем воды в реках. Опытами на особых аппаратах, лизиметрах (смотрите) определяют коэффициент инфильтрации, или процентное отношение просачивающейся в грунт воды к количеству осадков. Этот коэфф-т изменяется во времени и определяется по формуле где ζ и у—коэффициенты, зависящие от рода грунта и почвенного покрова, 1{—количество осадков, а—недостаток насыщения водоиоглотительной способности почвы и (—температура. По данным различных исследований, коэффициент β колеблется в значительных пределах, причем наибольшего своего значения достигает обычно весной, когда бывает полное насыщение водопоглотительной способности почвы (α= 0); летом лее попадающая в почву влага в большей степени поглощается более сухой почвой, и процесс насыщения последней в связи с усиленным поглощением и испарением влаги растительностью задерживается,

вследствие чего β сводится к.незначительной величине в несколько процентов. На фигуре 3 изображена средняя кривая месячных колебаний β, построенная на основании многолетних наблюдений в средней Европе.

Величина внутреннего стока, отнесенная к единице длины реки, м. б. определена путем гидрометрическ. измерений. Определив в двух пунктах реки А и В, находящихся на расстоянии L один от другого, количество протекшей за время Т воды Q_A и Q_B, а также количество впадающей на этом участке за то иге время воды от притоков реки 2q, получим внутренний сток на единицу длины в единицу времени по

, _v Qb - Q. ~ -Q г. формуле: t,=---¹ · Определение расхода воды в пункте В должно при этом производиться позже, чем в пункте А, на время Т=^, где v—средняя скорость течения реки. До сих пор наблюдения над внутренним стоком еще немногочисленны, все они, однако, говорят о значительном

Фпг. з. участии в общем стоке рек подземного питания или внутреннего стока. Оппоков считает внутренний сток для Днепра в 33%, Гравелиус для верховьев Неккара—в 04%.

Особенное значение для практических целей имеет изучение паводков, или подъемов воды в реке, проходящих в виде волны сверху вниз по течению под влиянием таяния снегов или дождей. Высота и время паводков зависят от условий питания реки и расположения ее водосборного бассейна. Горные реки, берущие свое начало в районах вечного снега, имеют обычно более поздние и интенсивные паводки, чем равнинные реки.

По рекам, кроме воды, стекают также и твердые вещества во взвешенном состоянии или в виде раствора. Постоянно размывая дно в одних местах и откладывая наносы в других, подмывая берега, меняя свои изгибы, реки существенно влияют на конфигурацию суши. О количестве проносимых реками наносов можно судить хотя бы по наблюдениям над Миссисипи, которая ежегодно проносит до 113 млн. m наносов, то есть такое количество их, которое, будучи равномерно распределено на весь бассейн реки, понизило бы его на 1 .и в 75 000 лет.

В вопросах образования речных долин и русла Г. тесно соприкасается с геологией. Фауна же и флора вод соприкасает Г. с биологией и ботаникой. Гидрология стала развиваться, как особая наука, позднее других отраслей геофизики. Однако, ее крупное значение для правильной постановки водного хозяйства (смотрите) заставляет обращать на нее все большее внимание. В настоящее время во всех цивилизованных странах ги-дрологическ. проблемы систематически изучаются правительственными организациями, ведающими одновременно гидрометрией и гидрографией. В СССР общее руководство гидрологии. работами сосредоточено в Российском гидрологии. ин-те, издающем свои «Известия» и ряд научных трудов.

Лит.: Великанов М., Гидрологии суши, Москва, 1925; Труфанов А. А., Речная гидрология, Москва, 1923; Бриннер Э. А., Баланс круговорота воды на земле, пер, с нем., «Почвоведение», СПБ, 1905, 3; Гейнц Е. А., Водоносность верховьев Оки в связи с осадками, СПБ, 1903; К у в и с ц о в, Влияние леса на водный режим страны, М., 1920; О п и о к о в Е. В., К вопросу о многолетних колебаниях стока на больших речных GaccefHiax в связи с колебаниями мстеорологмческ. элементов, СПБ, 1906; О т о ц к и и П. В., Грунтовые воды, их происхождение, жизнь и распределение. СПБ, 1 905;Вопросы речного Сыта, СПБ, 1908; llandbuch der Ingenie urwlssen-scbaften, T. Ill—Der Wasserbau, В. 1—Die Gewiisscr-kunde, 5 Auflage, Lpz., 1923; Engels II., liand-buch des Wasserbaues, В. 1, 3 Auflage, Leipzig, 1923; Penck A., Untersuchungen iibcr Verdunstung und Abfluss von gr6sseren Landflachen (Geographiscbe Ab-handlungen, ii.5, Η. V) Wien, 189G; Gnvelius H„ Grundriss der gesainten Uewdsserkunde, В. 1—Floss-knnde, Berlin, 1914. А. Эссон.