Тема:  ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

 

       Гидрологические процессы протекают в соответствии с фундаментальными законами физики, поэтому гидро­логия широко использует сформулированные в класси­ческой физике (при скоростях движения, намного уступа­ющих скорости света) законы сохранения вещества, теп­ловой и механической энергии, количества движения.

 

1.ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ФИЗИКИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

√ Закон сохранения вещества (массы) означает неизменность мас­сы в замкнутой (изолированной) системе. Применительно к откры­тым природным системам, какими являются водные объекты, за­кон сохранения вещества определяет равновесие между приходом, расходом вещества и изменением его массы в пределах объекта. Это относится не только к воде, но и к находящимся в ней нано­сам (взвесям), солям, газам и другим веществам.

    Количественным выражением закона сохранения вещества для водных объектов служат уравнения баланса воды, наносов (взвесей) и растворенных веществ (солей, газов). Применительно к водному объекту (или его части) и к любому замкнутому контуру на поверх­ности суши уравнение баланса вещества за некоторый интервал времени   ∆ t можно записать в виде

                                                             ∆т = т⁺-т-,                                   

где т ⁺ — масса вещества, поступающего к данному объекту (конту­ру) извне и образующегося из других веществ в пределах объекта (контура); т-,                                     — масса вещества, удаляемого за пределы объекта (контура) и затрачиваемого при его преобразовании в другие веще­ства в пределах объекта (контура); ∆m — изменение за время ∆ t массы вещества в пределах объекта (контура), равное разнице мас­сы вещества в конечный и начальный моменты времени: т_кон –т_нач. Уравнения баланса вещества в гидрологии нередко выражают также и в единицах объема (воды, наносов, солей). Но это возможно лишь при неизменной или мало изменяю­щейся плотности вещества. Замена единиц массы на единицы объема возможна, например, при анализе водного баланса пресноводных водных объектов, где плотность воды мало отличается от 1000 кг/м³.

√ Закон сохранения тепловой энергии характеризует неизменность энергии в замкнутой (изолированной) системе с учетом возможно­го перехода одного вида энергии в другой. Применительно к от­крытым природным системам, какими являются водные объекты, закон сохранения тепловой энергии определяет условие баланса прихода и расхода теплоты и изменения теплосодержания объекта.

Количественным выражением закона сохранения тепловой энер­гии применительно к любому объему воды (водному объекту) или замкнутому контуру суши служит уравнение теплового баланса, которое для интервала времени ∆ t можно записать в виде   ∆O = O⁺ - O^-   , где O⁺ - теплота, поступающая к данному объекту (контуру) извне и выделяющаяся в пределах объекта (контура) при переходе части механической энергии в тепловую, а также при ледообразовании, конденсации водяного пара, разложении некоторых веществ; O^-  — теплота, удаляемая за пределы объекта (контура), затрачиваемая в пределах объекта (контура) на испарение воды, плавление льда, химические и биохимические процессы; ∆O — изменение за вре­мя ∆t . √ Закон сохранения механической энергии означает, что полная энергия какой-либо механической системы складывается из потен­циальной (Е_пот) и кинетической (Е_кин) энергии и остается всегда постоянной с учетом потерь энергии на трение:     Е=Е_пот + Е_кин + Е _дис,    где Е_дис — диссипация энергии (переход части механической энер­гии в тепловую в результате трения).

Закон сохранения механической энергии применительно к вод­ным объектам определяет характер перехода потенциальной энергии (энергии покоящейся воды) в кинетическую энергию движущегося водного потока Единицы измерения  энергии (Дж).

√ Закон сохранения количества движения (импульса) гласит, что в пределах замкнутой (изолированной) механической системы количество движения остается неизменным: Закон изменения количества движения (импульса) лежит в основе изучения законо­мерностей динамики вод во всех водных объектах. Количественным выражением закона изменения количества движения (импульса) служит уравнение движения, которое применительно к любому объему воды может быть записано в виде

 

где т — масса выделенного объема;  изменение средней скорости движения этого объема;  сумма действующих на этот объем внешних объемных (массовых) и поверхностных сил. Объем­ные (массовые) силы действуют на весь объем воды, поверхност­ные действуют лишь на его грани.

    Все процессы, протекающие в водных объектах и состоящие в изменении массы или объема воды, ее минерализации, химиче­ского состава, температуры, характеристик ледового режима, пара­метров движения водного потока и т. д., представляют собой реак­цию водных объектов на изменение составляющих баланса веще­ства, тепловой и механической энергии и действующих сил под влиянием внешних и внутренних факторов.

 

 2. ВОДНЫЙ БАЛАНС

 

a Водный баланс – соотношение за какой–либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т.д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды для речного бассейна или участка территории, для озера, болота или другого исследуемого объекта. В общем случае учету подлежат атмосферные осадки, конденсация влаги, горизонтальный перенос и отложение снега, поверхностный и подземный приток, испарение, поверхностный и подземный сток, изменение запаса влаги в почво–грунтах и др. В отдельных, частных случаях нет необходимости в детальном учете всех составляющих баланса. Например, если воднобалансовые расчеты ведутся применительно к достаточно большим объектам воды, можно не учитывать конденсацию в силу ее относительно небольших величин. Со всей территории суши земного шара (в пределах среднего многолетнего годового водного баланса) испаряется количество воды, равное количеству выпадающих осадков минус речной сток. Для отдельных водных объектов и для более коротких периодов времени при составлении водных балансов возникает необходимость учета составляющих прихода – расхода влаги более детально, применительно к конкретным условиям поступления и расходования влаги.

Например, в водном балансе водохранилищ, помимо притока, осадков и испарения, существенное значение могут иметь сбросы воды через сооружения гидротехнического узла (ГЭС, шлюзы, плотины), водозабор из водохранилища, фильтрация в нижний бьеф в створе гидротехнического сооружения; объем воды, заключенный во льду и снеге, оседающих в мелководных частях водохранилища при его сработке зимой и всплывающих весной при наполнении водохранилища; временные потери на фильтрацию воды в берега водохранилища и возврат этих вод обратно при изменяющихся уровнях воды в водохранилище. В годовом периоде такие составляющие баланса как потери на ледообразование и фильтрацию в берега водохранилища, компенсируются противоположно направленными процессами и поэтому в годовом балансе не отражаются. Техническим средством анализа воднобалансовых соотношений является уравнение водного баланса.

 

 

 

Рис.1. Водный баланс земли