Введение

Гидрология – это научное изучение движения, распределения и качества воды на Земле и других планетах.

Гидрология – это научное исследование движения, распределения и управления водой на Земле и других планетах, включая водный цикл, водные ресурсы и устойчивость водосборных бассейнов. Специалист, занимающийся гидрологией, называется гидрологом. Гидрологи – это ученые, изучающие науки о Земле или об окружающей среде, гражданское или экологическое строительство и физическую географию. Используя различные аналитические методы и научные приемы, они собирают и анализируют данные для решения проблем, связанных с водой, таких как охрана окружающей среды, стихийные бедствия и управление водными ресурсами. Города Месопотамии были защищены от наводнений высокими земляными валами. Аквадуки строили греки и римляне, а история показывает, что китайцы возводили ирригационные и противопаводковые сооружения. Древние сингалы использовали гидрологию для строительства сложных ирригационных систем на Шри-Ланке, также известные изобретением клапанной шахты, которая позволила строить крупные водохранилища, аникуты и каналы, функционирующие до сих пор. Марк Витрувий в первом веке до нашей эры описал философскую теорию гидрологического цикла, в которой осадки, выпадающие в горах, просачивались в земную поверхность и образовывали ручьи и родники в низинах. Приняв более научный подход, Леонардо да Винчи и Бернар Палисси независимо друг от друга пришли к точному представлению о гидрологическом цикле. Количественная оценка гидрологических переменных началась только в 17 веке. Пионерами современной гидрологии являются Пьер Перро, Эдме Мариотт и Эдмунд Галлей. Измеряя количество осадков, сток и площадь водосбора, Перро показал, что количества осадков достаточно для объяснения расхода воды в Сене. Мариотт объединил измерения скорости и площади поперечного сечения реки для получения значения расхода, также на Сене. Галлей показал, что испарения со Средиземного моря достаточно для объяснения стока рек, впадающих в море. Достижения 18 века включали пиезометр Бернулли и уравнение Бернулли, разработанные Даниэлем Бернулли, и трубку Пито, разработанную Анри Пито. В 19 веке наблюдалось развитие гидрологии подземных вод, включая закон Дарси, формулу скважины Дюпюи-Тьема и уравнение капиллярного потока Хагена-Пуазейля. В 20 веке рациональный анализ начал заменять эмпирические методы, а государственные учреждения начали собственные гидрологические исследовательские программы. Особое значение имели гидрограмма Лероя Шермана, теория инфильтрации Роберта Э. Хортона и уравнение/тест К.В. Тейса для описания гидравлики скважин. С 1950-х годов гидрология стала основываться на более теоретических принципах, чем раньше, что было облегчено прогрессом в физическом понимании гидрологических процессов и появлением компьютеров и особенно географических информационных систем (ГИС). (См. также ГИС и гидрология)

Темы

Центральная тема гидрологии заключается в том, что вода циркулирует по всей Земле различными путями и с разной скоростью. Наиболее наглядным примером этого является испарение воды из океана, формирующее облака. Эти облака перемещаются над сушей и вызывают дождь. Дождевая вода стекает в озера, реки или водоносные горизонты. Вода в озерах, реках и водоносных горизонтах затем либо испаряется обратно в атмосферу, либо в конечном итоге возвращается в океан, завершая цикл. В течение этого цикла вода несколько раз меняет свое агрегатное состояние. Направления исследований в гидрологии связаны с движением воды между ее различными состояниями, внутри одного и того же состояния, или с количественной оценкой объемов воды в этих состояниях в определенном регионе. Некоторые области гидрологии посвящены разработке методов непосредственного измерения этих потоков или объемов воды, а другие – моделированию этих процессов для получения научных знаний или для прогнозирования в практических приложениях.

Подземные воды

Подземные воды — это воды, находящиеся под поверхностью Земли, которые часто используются для питья. Сложности в описании насыщенной зоны заключаются в характеристике водоносных горизонтов с точки зрения направления потока, давления грунтовых вод и, как следствие, глубины залегания уровня грунтовых вод (см.: исследование водоносного горизонта). Измерения здесь можно проводить с помощью пьезометра. Водоносные горизонты также описываются по показателям гидравлической проводимости, водоносности и коэффициента фильтрации. Существует ряд геофизических методов.

Влажность почвы

Влажность почвы может измеряться различными способами: с помощью емкостного датчика, рефлектометра во временной области или тензиометра. Другие методы включают отбор проб растворенных веществ и геофизические методы.

Потоки поверхностных вод

Гидрология изучает количественное определение потока поверхностных вод и перенос растворенных веществ, хотя рассмотрение потоков в крупных реках иногда выделяют в отдельную область гидравлики или гидродинамики. Поверхностный сток может включать как течение в четко определенных руслах рек, так и другие формы. Методы измерения потока после того, как вода достигла реки, включают в себя гидропосты (см. Расход) и методы трассировки. Другие темы включают химический перенос с поверхностными водами, перенос наносов и эрозию. Важной областью гидрологии является взаимодействие между реками и грунтовыми водами. Взаимодействие между подземными и поверхностными водами в ручьях и водоносных горизонтах может быть сложным, и направление общего потока воды (в поверхностные воды или в водоносный горизонт) может меняться в пространстве вдоль русла и во времени в любой конкретной точке, в зависимости от соотношения между уровнем воды в реке и уровнем грунтовых вод.

Осадки и испарение

В некоторых подходах гидрологию рассматривают как начинающуюся на границе суша-атмосфера, поэтому важно иметь достаточные знания как об осадках, так и об испарении. Осадки можно измерять различными способами: дидрометр – для определения характеристик осадков с высоким временным разрешением; радар – для изучения свойств облаков, оценки интенсивности дождя, обнаружения града и снега; дождемер – для регулярных точных измерений дождя и снегопада; спутник – для определения зон осадков, оценки их интенсивности, анализа типов земной поверхности и влажности почвы, например. Испарение является важной частью круговорота воды в природе. На него частично влияет влажность, которую можно измерить с помощью психрометра. На испарение также влияют наличие снега, града и льда, а также роса, туман и дымка. Гидрология изучает испарение в различных формах: с поверхности воды; как транспирацию с поверхности растений в природных и сельскохозяйственных экосистемах. Прямые измерения испарения можно получить с помощью испарительной чаши Саймона. Детальные исследования испарения включают рассмотрение приземного слоя, а также импульса, теплового потока и энергетического баланса.

Далекое зондирование

Удаленное зондирование гидрологических процессов может предоставить информацию о местах, где установка in situ датчиков невозможна или они расположены недостаточно плотно. Оно также обеспечивает наблюдения на больших пространственных масштабах. Многие переменные, составляющие наземный водный баланс, такие как запасы поверхностных вод, влажность почвы, осадки, испароиспарение, снег и лед, могут быть измерены с помощью дистанционного зондирования с различным пространственно-временным разрешением и точностью. Источники дистанционного зондирования включают наземные, воздушные и спутниковые датчики, способные регистрировать микроволновое, тепловое и ближнее инфракрасное излучение, а также использовать лидар, например.

Качество воды

В гидрологии исследования качества воды охватывают органические и неорганические соединения, а также растворенные и донные отложения. Помимо этого, на качество воды влияет взаимодействие растворенного кислорода с органическими веществами и различные химические превращения, которые могут в ней происходить. Оценка качества воды может включать как полевые методы, при которых анализы проводятся непосредственно на месте, часто в автоматическом режиме, так и лабораторные исследования, в том числе микробиологический анализ.

Прогноз

Наблюдения за гидрологическими процессами используются для прогнозирования будущего поведения гидрологических систем (водный режим, качество воды). Одной из основных задач современных гидрологических исследований является "Прогнозирование в необследованных бассейнах" (PUB), то есть в бассейнах, где отсутствуют или имеется крайне мало данных.

Статистическая гидрология

Целью статистической гидрологии является предоставление адекватных статистических методов для анализа и моделирования различных звеньев гидрологического цикла. Анализируя статистические характеристики гидрологических данных, таких как количество осадков или расход реки, гидрологи могут оценивать будущие гидрологические явления. При оценке вероятности возникновения относительно редких событий анализ проводится на основе периода возврата этих событий. Другие важные показатели включают средний расход реки за год или по сезонам. Эти оценки необходимы инженерам и экономистам для проведения надлежащего анализа рисков, что позволяет принимать обоснованные инвестиционные решения в отношении будущей инфраструктуры и определять надежность водоснабжения. Статистические данные используются для разработки правил эксплуатации крупных водохранилищ, являющихся частью систем, обеспечивающих потребности сельского хозяйства, промышленности и населения.

Моделирование

Гидрологические модели – это упрощенные, концептуальные представления части гидрологического цикла. Они в основном используются для гидрологического прогнозирования и для понимания гидрологических процессов в рамках общей области научного моделирования. Можно выделить два основных типа гидрологических моделей: модели, основанные на данных, и модели, основанные на описании процессов. Модели, основанные на данных, представляют собой системы «черного ящика», использующие математические и статистические концепции для установления связи между определенным входом (например, осадками) и выходом модели (например, стоком). Наиболее часто используемые методы – регрессия, передаточные функции и идентификация систем. Самые простые из этих моделей могут быть линейными, но обычно используются нелинейные компоненты для представления некоторых общих аспектов реакции водосбора, не углубляясь в реальные физические процессы. Примером такого аспекта является хорошо известное поведение, при котором водосборный бассейн реагирует гораздо быстрее и сильнее, когда он уже насыщен влагой, чем когда он сухой. Модели, основанные на описании процессов, пытаются представить физические процессы, наблюдаемые в реальном мире. Обычно такие модели содержат представления о поверхностном стоке, подповерхностном потоке, испароиспарении и русловом стоке, но они могут быть гораздо сложнее. В рамках этой категории модели можно разделить на концептуальные и детерминированные. Концептуальные модели связывают упрощенные представления гидрологических процессов в определенной области, в то время как детерминированные модели стремятся максимально полно учесть физику системы. Эти модели можно подразделить на модели для единичного события и модели непрерывного моделирования. Современные исследования в области гидрологического моделирования направлены на более комплексный подход к пониманию поведения гидрологических систем, чтобы повысить точность прогнозов и решать основные задачи в области управления водными ресурсами.

Транспорт

Движение воды — важный механизм переноса других материалов, таких как почва, гравий, валуны или загрязняющие вещества, из одного места в другое. Первоначальное поступление в водные объекты может происходить от точечного источника, линейного источника или площадного источника, например, в виде поверхностного стока. С 1960-х годов были разработаны достаточно сложные математические модели, что стало возможным благодаря появлению высокоскоростных компьютеров. Наиболее часто анализируемыми классами загрязнителей являются питательные вещества, пестициды, общее содержание растворенных твердых веществ и осадочные породы.