Гідрологія
ГІДРОЛОГІЯ, частина фізичної географії, що вивчає рідку оболонку землі - гідросферу і кругообіг води в природі, що полягає в безперервному обміні вологи між атмосферою, сушею та океаном. Гідрологія ділиться на такі відділи: океанографія, що вивчає океани та моря, лімнологія – озера, потамологія – річки, гідрогеологія – ґрунтові води, гідрометеорологія – атмосферні води, глясіологія – льодовики. Гідрологічні явища викликаються цілою низкою факторів – метеорологічних, географічних, ґрунтових, ботанічних та інших. Така складність явищ не дозволяє користуватися дедуктивним методом, а змушує для гідрологічних узагальнень використовувати спостереження над окремими явищами, що зводяться до вимірювання та опис останніх. Допоміжними для гідрології науками є: 1) гідрографія - опис розташування на земній поверхні водних джерел та 2) гідрометрія, що враховує запаси та зміни водних джерел у часі. У той час як одні елементи (рельєф місцевості, русло річки) стаціонарні і не змінюються в часі, а тому можуть бути раз і назавжди виміряні, описані та нанесені на карту, інші (горизонти води, опади) схильні до постійних циклічних коливань, та їх вивчення можливо лише за допомогою масового спостереження над цими елементами, що дозволяє шляхом застосування закону великих чисел встановити деякі узагальнюючі характеристики, що вказують на характерні та тривалі співвідношення окремих частин явища.
Гідрології доводиться, тому, мати справу з матеріалом та джерелами двоякого роду: картами топографічних, геологічних та геоботанічних зйомок та досліджень та таблицями метеорологічних, водомірних та гідрометричних спостережень. Карти показують розподіл води на землі та дозволяють вивчатиокремі водні басейни та їх основні орографічні елементи, а також водну мережу басейну. Таблиці дають уявлення про кругообіг води, його основні елементи (випаровування, атмосферні опади, їх стоки: надземний і підземний) та про їх зміну в часі.
Вода належить до найпоширеніших у природі тіл. Площа, зайнята океанами та морями, становить близько 72% усієї земної поверхні; середня глибина океанів – 3500 м; шар води, рівномірно розподілений по земній кулі, досяг би глибини в 2500 м. В атмосфері також постійно знаходиться певна кількість водяної пари, причому ця кількість змінюється в залежності від температури повітря. Так, при температурі -20 ° досить 0,94 г водяної пари для насичення ними 1 м 3 повітря, а при температурі +30 ° потрібно 31,51 г тієї ж пари. Вода земної поверхні та атмосфери не знаходиться в незмінному стані, а постійно переміщається з одного положення в інше, здійснюючи повний цикл: випаровуючись під впливом теплоти із земної та водної поверхонь, піднімаючись у верхні холодні шари атмосфери, конденсуючись там у краплинно-рідкий стан і збираючись у хмари, що переносяться вітром, вода спадає назад на земну поверхню у вигляді твердих або рідких атмосферних опадів - снігу та дощу. Частина цих опадів стікає по похилим поверхням землі і, збираючись у знижених місцях її, утворює струмки та річки, що стікають, зрештою, назад у моря. Інша частина опадів просочується в ґрунт, проникаючи до водонепроникного шару, яким потім стікає і разом з ним виходить на поверхню землі; ця вода, що просочується в землю, живить рослинний покрив землі. Нарешті, остання частина атмосферних опадів знову випаровується із земної поверхні. Опади, що випадають на високі гірські вершини, покритівічним снігом, залишаються там і, накопичуючись, своїм тягарем надають руху нижні шари, які, опускаючись в тепліші зони, тануть і стікають з гір. Т. о., в природі помічається постійний кругообіг води, що регулюється і приводиться в рух теплотою сонця. Розрізняють два види круговороту: малий - коли вода, що випарувалася з поверхні морів, випадає назад у вигляді опадів у морі ж, і великий - коли опади випадають на сушу і повертаються в море через річки. Області суші, з яких є стік у моря, називаються периферичними.
Повний баланс кругообігу води представляється, за Брікнером, у такому вигляді. 1) Океани і моря: поверхня 366 млн. км2, випаровування 384000 км3, опади в морі 359000 км3; кількість водяної пари, що переходить з моря на сушу, 25000 км 3 . 2) Периферичної площі суші: поверхня 114 млн. км 2 , надходження парів із моря 25000 км 3 , випаровування з периферичної площі 7650 км 3 , опади 101 500 км 3 . 3) Області, що не мають стоку: поверхня 30 млн. км2, випаровування 10500 км3, опади 10500 км3. З усієї земної кулі, при поверхні в 510 млн. км 2 (72% моря та 28% суші) випаровується 471000 км 3 (82% з моря та 18% з суші) і випадає така ж кількість опадів, з яких, однак, на море припадає на 76% і на сушу 24%. Таким чином, в периферичних областях суші кількість опадів, що випадають, на третину більше випаровується вологи.
Приватним кругообігом води називаються процеси живлення та стоку певної річки. Роботи Воєйкова і Брікнера показали, що «річки можна розглядати як продукт клімату» і що стік води в річках схильний до тих же циклічних коливань, що і клімат. Баланс приватного кругообігу може бути виражений формулою: поверхневий стік разом із підземним харчуванням із запасів ґрунтових вод дорівнює кількостіопадів, що випали в річковому басейні за вирахуванням втрат на випаровування і накопичення запасів ґрунтових вод.
Якби вся кількість опадів, що випадають на сушу, була розподілена рівномірно, то вона склала б за рік шар води в 844 мм, однак, розподіл опадів вкрай нерівномірний: найбільшої величини опади досягають у екватора, найменшої - у полюсів. До 2/3 всіх опадів випадає між 30 ° північної широти і 30 ° південної широти, як видно з кривої (фіг. 1), що дає зміну середніх річних кількостей опадів по широтах (за даними Кернера).
На кількість опадів, що випадають, якої-небудь місцевості впливає, крім того, її віддаленість від моря, висота над рівнем моря і, особливо, розташування щодо гір, що перетинають переважне напрям вітрів. Річні та місячні кількості опадів коливаються у значних межах, причому амплітуда коливань тим більше, чим більші абсолютні величини опадів, що випадають, як видно з фіг. 2, що характеризує залежність середньої мінливості річних кількостей опадів R від нормальних річних кількостей їх R.
На харчування річок істотно впливають кількості випадаючого за зиму снігу, і навіть частота і тривалість дощів і злив (останніх, особливо, для невеликих річкових басейнів). Залежність між кількістю опадів, що випадають у басейні, і стоком води в річці характеризують наступні величини: 1) коефіцієнт стоку k, рівний відношенню кількості води Q м 3 , що протік через даний живий переріз річки за Т днів, до кількості випалих за той же час в басейні річки атмосферних опадів R м 3 т. е. k = Q/R; 2) висоту шару стоку А мм, рівномірно розподіленого на площі басейну F км 2 і дає за час Т днів стік Q м 3 , тобто А = 0,001 Q / F мм; 3) модуль стоку γ л/сек,або кількість води в л, що стікає за 1 сек. з 1 км 2 басейну, тобто γ = 1000 q/F [л/км 2 сек], де q м 3 /сек секундна витрата води в річці. Так як Q = 86400·T·q, то між А і γ існує наступна залежність: А = 0,0864·Т·γ. Ці три величини (k, А і γ) не є постійними для однієї і тієї ж річки, а схильні до коливань - місячним, річним і багаторічним. Ціла низка спроб вивести аналітично залежність між стоком і визначальними його факторами не отримала ще остаточного дозволу. Однак, запропоновані багатьма дослідниками формули, в яких стік представлений у вигляді функції атмосферних опадів, дають результати, що можуть бути орієнтовними даними, особливо для невеликих басейнів. Так, Пенк запропонував для річок середньої Європи таку формулу висоти річного шару стоку:
де r - висота річного шару опадів мм. Формула Ішковського для модуля стоку має такий вигляд:
де С - коефіцієнт, що характеризує рельєф місцевості, a h - середній річний шар опадів у м. Для коефіцієнта (С) Ішковський дає наступні величини: для боліт і низин 0,20, для плоских низовин 0,25, для горбистих низовин 0,30, для хвилястого рельєфу при пологих схилах пагорбів 0,35; для рельєфу частиною гористого, частиною хвилястого або крутих схилів пагорбів - 0,40. Величина стоку залежить від величини та рельєфу басейну. Чим більше басейн, тим більше втрати на випаровування і поглинання грунтом і тим більше уповільнення стоку, так як в річку одночасно стікає не все кількість вологи, що випала в басейн, а тільки волога з найближчих частин басейну. З іншого боку, чим гористий ділянку, тим більша частина опадів стікає його поверхні.
Гідрологічна роль боліт і лісів не така ясна, і до останнього часу в цьому питанні панував помилковий погляд, щовони затримують у багатоводні періоди (навесні) вологу і рівномірно розподіляють її потім у сухі пори року. Однак низка пізніших досліджень показала, що болота під час дощів швидко насичуються водою і робляться водонепроникними для подальшого дощу; у сухий час болота, висихаючи, як не віддають надлишків вологи річкам, але самі перехоплюють приплив грунтових вод; торф має здатність сильно поглинати воду і випаровувати її, але водопровідна здатність його вкрай низька. Таким чином, болота не лише не відіграють ролі резервуарів води, що регулюють живлення річок, а й порушують правильний стік останніх. Так само і ліси сприяють зниженню рівня ґрунтових вод і, за висновками з численних і ретельних спостережень Отоцького, не тільки не накопичують запасів підґрунтової вологи, але, витративши на випаровування воду, отриману безпосередньо з атмосфери, вони (ліси), мабуть, схильні запозичити кілька вологи у прилеглих відкритих місць. Позитивне значення лісу для харчування річок полягає лише в його здатності затримувати на деякий час танення снігів і тим самим сприяти більш рівномірному витрачанню снігових запасів.
Частина атмосферних опадів, просочуючись у ґрунт до водонепроникних шарів, утворює певні запаси ґрунтових вод, які живлять річки, особливо в суху пору року, шляхом т.з. внутрішнього стоку. Водопроникні шари річкових долин просочені ґрунтовими водами, які й у тісному зв'язку з рівнем води у річках. Досвідами на спеціальних апаратах, лізиметрах визначають коефіцієнт інфільтрації, або відсоткове відношення води, що просочується в грунт, до кількості опадів. Цей коефіцієнт змінюється в часі і визначається за формулою β = ξ·η·(R–a)/t, де ξ і η - коефіцієнти, що залежать від роду ґрунту таґрунтового покриву, R - кількість опадів, а - недолік насичення водопоглинальної здатності ґрунту та t - температура. За даними різних досліджень, коефіцієнт β коливається у значних межах, причому найбільшого свого значення досягає зазвичай навесні, коли буває повне насичення водопоглинальної здатності ґрунту (а = 0); влітку ж волога, що потрапляє в грунт, більшою мірою поглинається більш сухим грунтом, і процес насичення останнього у зв'язку з посиленим поглинанням і випаром вологи рослинністю затримується, внаслідок чого β зводиться до незначної величини в кілька відсотків. На фіг. 3 зображено середню криву місячних коливань, побудовану на підставі багаторічних спостережень у середній Європі.
Розмір внутрішнього стоку, віднесена до одиниці довжини річки, м. б. визначено шляхом гідрометричних вимірів. Визначивши у двох пунктах річки А і В, що знаходяться на відстані L один від одного, кількість води QA і QB, що протекла за час Т, а також кількість води, що впадає на цій ділянці, за той же час води від приток річки ∑q отримаємо внутрішній стік на одиницю довжини в одиницю часу за формулою:
Визначення витрати води у пункті У повинне проводитися пізніше, ніж у пункті А, тимчасово Т' = L/v, де v - середня швидкість течії річки. Досі спостереження над внутрішнім стоком ще нечисленні, всі вони, проте, говорять про значну участь у загальному стоку річок підземного живлення чи внутрішнього стоку. Оппоков вважає внутрішній стік для Дніпра у 33%, Гравеліус для верхів'їв Неккара – у 64%.
Особливе значення для практичних цілей має вивчення паводків або підйомів води в річці, що проходять у вигляді хвилі зверху вниз за течією під впливом танення снігів або дощів. Висота та час паводків залежать відумов харчування річки та розташування її водозбірного басейну. Гірські річки, що беруть свій початок у районах вічного снігу, мають зазвичай пізніші та інтенсивніші паводки, ніж рівнинні річки.
Річками, крім води, стікають також і тверді речовини у зваженому стані або у вигляді розчину. Постійно розмиваючи дно в одних місцях та відкладаючи наноси в інших, підмиваючи береги, змінюючи свої вигини, річки суттєво впливають на конфігурацію суші. Про кількість наносів, що проносяться річками, можна судити хоча б за спостереженнями над Міссісіпі, яка щороку проносить до 113 млн. тонн наносів, тобто така кількість їх, яка, будучи рівномірно розподілена на весь басейн річки, знизила б його на 1 м в 75000 років.
У питаннях утворення річкових долин та русла гідрологія тісно стикається з геологією. Фауна ж і флора вод стикається з гідрологією з біологією і ботанікою. Гідрологія стала розвиватися, як особлива наука, пізніше за інші галузі геофізики. Однак її велике значення для правильної постановки водного господарства змушує звертати на неї все більшу увагу. В даний час у всіх цивілізованих країнах гідрологічні проблеми систематично вивчаються урядовими організаціями, які одночасно знають гідрометрію і гідрографію. У СРСР загальне керівництво гідрологічними роботами зосереджено в українському гідрологічному інституті, який видає свої «Известия» та низку наукових праць.
Джерело: Мартенс. Технічна енциклопедія. Том 5 – 1929 р.