Генетическая гидрология Генетическая гидрология наука о

Генетическая гидрология

Генетическая гидрология – наука о происхождении веществ в водных объектах, влиянии природных условий и антропогенных нагрузок на геосток и гидрологические процессы

Предмет исследований науки n формирование составляющих геостока n формирование водных масс озер и водохранилищ n генезис природных изменений гидрологических процессов n антропогенные изменения гидрологических процессов

Общие принципы изучения генезиса составляющих речного стока n использование наиболее общих законов природы n анализ составляющих речного стока за период проявления всех влияющих факторов n приведение к безразмерному виду генетических уравнений

Балансовые идеи в генетической гидрологии

Виды уравнения баланса вещества воды n наносов n химических веществ n биологических субстанций n

Использование физических законов для открытых природных систем n закона сохранения вещества n закона сохранения энергии n закона сохранения момента количества движения

Учет отличий закрытых и открытых систем n закрытые системы не имеют массо- и энергообмена с окружающей средой (физические законы) n открытые системы могут обмениваться веществом и энергией с окружающей средой (гидрологические закономерности)

Уравнение баланса вещества и его применение в гидрологии М 1 – М 2 = m m < 0 m – уменьшается m > 0 m возрастает m = 0 m – не изменяется М 2 m М 1 m - изменение количества вещества в системе

Универсальность и специфика уравнения баланса вещества n уравнение баланса вещества универсально. Структура уравнения не зависит от вида вещества, типа водного объекта или его размера n водные объекты могут отличаться по знаку результирующей баланса dm n они могут отличаться также по набору причин появления результирующей баланса

Причины изменения количества воды n выпадение дождей n n n n таяние снега и (или) льда накопление снега и льда конденсация влаги фильтрация вод разгрузка подземных водозабор водоотведение

Упрощенное уравнение водного баланса для речного бассейна X - (Y +Z) = u Х- осадки, X Y Z –испарение Z Y - сток воды u – изменение запасов подземных вод

Составляющие водного баланса n n n приходные – Х расходные – Z, Y при Y +Z > X u < 0 Запасы воды истощаются u > 0 n если Y+Z < X Запасы воды увеличиваются

Уравнение водного баланса за многолетний период X - (У +Z) = 0

Генетическая структура уравнения водного баланса Х - (Y+Z) =0 n + = Y/X + Z/X = 1 n = Y/X – коэффициент стока ( < 1) n = Z/X – индекс сухости ( 1) n

Генетическое уравнение стока воды n. Х - (Y+Z) =0 n Y= Х –Z n 1 = Х/Y-Z/Y = kx – kz n kx и kz - коэффициенты генетической значимости осадков и испарения n kx = 1– kz

Применение балансового метода к анализу изменения уровня водоема М 2 – М 1 = m > 0 m = V = F H= FH 2 - FH 1 = F (H 2 –H 1) > 0 М 2 -М 1 = m < 0 m =- d. V = - F H= F(H 2 – H 1 )<0 Повышение Н H 2 М 2 H 1 F m>0 М 1 m<0 H 2 V Понижение Н

Полезная литература n Михайлов В. Н. , Добровольский А. Д. Общая гидрология. 1991. n Догановский А. М. , Малинин В. Н. Гидросфера Земли. 2004.

Уравнение баланса речных наносов на участке реки W 2 - W 1 = W W 1 – объем поступления наносов на участок реки , W 2 – объем их удаления с участка; W – результирующая баланса W = - W 0 – изменение объема речных отложений

Генетическое уравнение изменения стока наносов Wп, j , Wв, i – частные вклады j-х внешних и i-х местных процессов изменения стока наносов, W – изменение стока речных наносов

Причины изменения стока наносов n эрозия почв русловые процессы береговые процессы и заиление водоемов осыпи, обвалы, оползни, крип сели эоловый перенос вещества n природопользование n n n

Эрозия почв и сток наносов

Осыпи и изменение стока наносов

Изменение стока наносов на участках размыва берегов

Аккумуляция наносов на островной пойме и в руслах рек

Генетическая структура стока взвешенных наносов WR = WR 1 + WR 2 +…. . + WRj 1= a 1+ a 2 +…. . + aj aj = WRj /WR - генетические коэффициенты влияния j–го процесса на сток наносов WR – 1 aj

Области применения информации о генезисе речных наносов расчеты вертикальных деформаций n оценка современной интенсивности смыва n транзит загрязняющих веществ на тонких фракциях взвесей n

К учету расхода русловых наносов при расчете вертикальных деформаций Rp-расход русловых наносов, G- расход влекомых наносов, - плотность отложений, В – ширина русла, z – отметка дна

Исследование соотношения транзитных и русловых частиц в составе взвешенных наносов (Дедков, Мозжерин, 1984) Река-пункт F, тыс. км 2 Мq л/(с км 2) МR т/(год км 2) р, % тр, % Кама. Волосницкое 9, 75 4, 6 17, 0 26 74 Кама-Гайны 27, 4 7, 9 9, 6 95 5 Кама. Тюлькино 81, 8 12, 0 3, 0 99 1 Ик. Нагайбаково 12, 3 3, 7 17, 0 20 80 Дема. Бочкарева 12, 5 2, 6 8, 3 6 94

Вклад эрозии почв (1), осыпей (2), размыва берегов (3), оползней (4), крипа (5), аккумуляции наносов (6) в сток наносов ручья Шронвейлербах (Голландия)

Перспективы исследования генетических составляющих стока наносов n n исследование региональных и общих закономерностей изменения вклада конкретных процессов в изменение стока наносов масштабы переотложения продуктов смыва и площадь бассейна размыв берегов и порядки рек …. .

Полезная литература n Сток наносов: его изучение и географическое распределение. 1979. n Дедков А. П. , Мозжерин В. И. Эрозия и сток на Земле. 1984. n Алексеевский Н. И. Формирование и движение речных наносов. 1998.

Уравнение баланса химических веществ на участке реки и его применение в гидрологии М 2 - М 1 = M =- m m < 0 (опреснение) m > 0 (осолонение) m = 0 М 2 m М 1 m - изменение объема химических веществ в водоеме

Структура стока растворенных веществ СХ = СИ +СК+СБ+СО+СМ 1 = 1+ 2+…. . + n CХ – сток растворенных веществ, СИ – сток главных ионов, СК – сток коллоидов, СБ – сток неорганических биогенных веществ, СО – сток органических веществ, СМ – сток микроэлементов n – вклад n-го вида стока растворенных веществ

Структура расхода (кг/с) растворенных веществ р. Сок 1 – вклад главных ионов, 2 - органики, 3 - коллоидов, 4 - биогенных веществ, 5 - микроэлементов

Генетическая структура стока растворенных веществ n СХ = СХпод+СХпов n СХ = СХест+СХант

Генетическая структура расхода растворенных веществ р. Сок n СХ = СХпод+СХпов = n СХ = СХест+СХант 0, 70+ 0, 29 = 1 = 0, 91 + 0, 09 = 1

Полезная литература Воронков П. П. Гидрохимия местного стока Европейской территории СССР. 1970. n Эдельштейн К. К. Водные массы водохранилищ. 1991. n Мозжерин В. И. , Шарифуллин А. Н. Химическая денудация гумидных равнин умеренного пояса. 1988. n

Уравнение теплового баланса и его применение в гидрологии Ф 2 - Ф 1 = - ф ф < 0 ф – уменьшается ф > 0 ф – возрастает ф = 0 ф – не изменяется Ф 2 ф Ф 1 ф - изменение теплосодержания (Дж)

Причины изменения теплосодержания n n n n адвекция тепла дисперсия тепла поглощение солнечной радиации теплообмен с атмосферой теплообмен с дном диссипация гидравлической энергии внутренние источники теплоты

Применение метода к задачам изменения теплосодержания n ф >0 содержание тепла возрастает ф = -VC T ф2 V – объем воды, м 3 С – теплоемкость, Дж/(кг 0 C) T – изменение температуры ( 0 C) Ф 2 ф1 Ф 1 ф 0 ф, Дж ф < 0 содержание тепла уменьшается

Полезная литература n Пехович А. И. Основы гидроледотермики. 1983. n Михайлов В. Н. , Добровольский А. Д. Общая гидрология. 1991.

Закон сохранения энергии и его трансформация применительно к условиям рек и водоемов Е 2 – Е 1 = Е Е = Ек +Еп Ек - кинетическая энергия (m. V 2/2) Еп – потенциальная энергия (mg. Z) Е – изменение энергии Е, Дж 0 Ek Eп E Z, м для закрытых систем E= const, E = 0 для открытых систем Е const, E 0

Затраты энергии турбулентности (%) на перенос взвешенных (А), влекомых (Б) наносов и преодоление гидравлических сопротивлений (В) Река-пункт Норма cтока, м 3/c А Б В Пинега. Кулогоры 370 8, 6 6, 9 84, 5 Клязьма. Городище 280 4, 4 2, 4 93, 2 Сура. Княжий Яр 253 2, 1 33, 4 64, 5 Днестр. Дубоссары 210 13, 8 1, 7 84, 5 Кубань. Краснодар 428 9, 7 41, 0 49, 3

Закон изменения момента количества движения и специфика движения водной массы и примесей F 21 F 2 i и F 1 j – cилы (Н), F 11 способствующие и m препятствующие перемещению водной массы m в направлении F 11 уклона поверхности со скоростью V F 22

Виды движения водных потоков n n равномерное неравномерное установившееся неустановившееся

К выводу уравнения для определения неразмывающих скоростей vн = 4, 6 d 1/3 h 1/6.

Полезная литература n Караушев А. В. Теория и методы расчета речных наносов. 1977. Шеренков И. А. Прикладные плановые задачи гидравлики спокойных потоков. 1978. n Гришанин К. В. Динамика русловых потоков. 1979. n Грушевский М. С. Неустановившееся движение воды в реках и каналах. 1982.

Генетические составляющие уровня воды

Флуктуации уровня воды

Генетические составляющие уровней воды H = Hq + Hn + Hs + Hd Hq - стоковая Hn - подпорная Hs - заторная Hd – русловая нагонная другие n n n

Коэффициенты генетической значимости изменений уровня воды H = kq Hq + kз Hз + kп Hп +kp Hp ki - коэффициенты генетической значимости i – го процесса 0 ki 1 -1 < kp 1 kq+ kп + kз +kp =1

Стоковые изменения уровней воды

Причины подпорного повышения уровней воды повышение уровня приемного водоема n взаимодействие сливающихся рек n заторы и зажоры n зарастание русла n приливы n нагоны n

К выделению подпорной составляющей уровня воды

К выделению заторной составляющей уровня воды

Влияние направленных (а) и циклических (б) деформаций на изменение отметок дна а б

Соотношение стоковой и заторной составляющих уровня воды в устье р. Сухона в некоторые годы Год Вклад изменения расходов воды kq Вклад заторного повышения уровней kз 1986 1, 000 0, 000 1997 0, 831 0, 169 1990 0, 700 0, 300 1985 0, 600 0, 400 1998 0, 500 1996 0, 464 0, 536

Генетические составляющие уровней воды ниже Краснодарского водохранилища (данные В. Н. Михайлова) Изменение уровня, см S, км от моря Причина Общее изменение уровня Нагон Тектоника Сток Русловые процессы Темрюк, 3 15 5 10 0 0 Слобо дка, 12 28 4 24 0 0 Тиховский, 130 – 73 0 – 23 20 – 70