Гидрологические процессы как объект МК моделирования

Предмет и объект гидрологии (Место гидрологических процессов и явлений в геосистеме)

Природные воды на Земле и гидрологические процессы изучает комплекс наук, объединяемых общим понятием гидрология. По направленности и методам исследований гидрологию подразделяют на крупные разделы:

общая гидрология, изучающая наиболее общие закономерности гидрологических процессов и явлений;

гидрография, занимающаяся изучением и описанием конкретных водных объектов;

прикладная (или инженерная) гидрология, разрабатывающая методы расчёта и прогноза различных гидрологических характеристик;

 гидрометрия, разрабатывающая методы измерений и наблюдений при изучении природных вод,

специальные разделы гидрологии, такие, как физика природных вод(или гидрофизика), химия природных вод (или гидрохимия), биология природных вод (или гидробиология).

Общая гидрология по объектам исследования подразделяется на три большие части: гидрологию морей, занимающуюся изучением океанов и морей; гидрологию суши, изучающую водные объекты суши, – реки, озёра, водохранилища, болота, ледники; гидрологию подземных вод, изучающую воды, находящиеся в свободном состоянии в верхней части земной коры [9].

Предметом общей гидрологии как науки являются природные воды Земли и процессы, в них происходящие при взаимодействии с атмосферой, литосферой и биосферой и с учётом влияния хозяйственной деятельности человека.

Задача общей гидрологии состоит в рассмотрении основных и наиболее общих закономерностей процессов в водных объектах, выявлении их взаимосвязей с процессами, протекающими в атмосфере, литосфере и биосфере [9].

Гидрология, изучающая природные воды, относится к наукам географическим и тесно связана с другими физико-географическими – метеорологией и климатологией, геоморфологией, гляциологией, картографией и т.д. Эта связь отражает объективно существующее единство природы, проявляющееся во взаимосвязи и взаимодействии всех компонентов природной среды. Но связь вод и других компонентов природной среды обоюдная, поэтому и соответствующие науки тесно взаимосвязаны [10].

Гидрологические процессы можно рассматривать с разных точек зрения, например, с позиции физической географии, чем, в основном, занимается наука общая гидрология. Это качественный подход к гидрологии, который необходим при изучении этой науки. Также важно изучение этих процессов с точки зрения количественного оценивания гидрологических явлений. Отсюда неизбежно следует использование формул (моделей) и вообще (если смотреть широко) математических методов. При таком подходе не только не закрывается путь к качественному (физическому) анализу гидрологических процессов, скорее наоборот - открывается широкая возможность проникать в глубь явлений, но на качественно более высоком (более абстрактном) уровне. В известном смысле можно делать гидрологические «открытия», контактируя непосредственно не с природным объектом (речным водосбором, озером и т.д.), а с его математической моделью [10].

В общем случае объектом исследования гидрологии является речной бассейн или, если на нем имеются инженерные объекты (например, ГЭС, водохранилища и т.п.), – водохозяйственный комплекс (ВХК), подверженный внешнему воздействию геологических (например, изменение базиса эрозии) и метеорологических факторов (осадки, температура воздуха и т.д.) [10].

Первая задача, решаемая в гидрологии, – оценить текущее состояние ВХК, т.е. определить пространственно-временное изменение гидрологических характеристик речного бассейна (уровни, расходы воды и т.д.). Оценивать можно либо путем непосредственных измерений (гидрометрия), либо с помощью гидрологических карт, полученных путем обобщения данных наблюдений, либо путем расчетов по различным математическим моделям. Использование того или иного способа зависит от того, что мы понимаем под текущим состоянием речного бассейна. Гидрологические карты используются при значительном временном интервале осреднения характеристик (лимитирующий сезон, год). По мере уменьшения интервала осреднения (сутки, часы) и по мере нарастания зарегулированности стока (т.е. превращения речного бассейна в ВХК), географические методы оценки состояния заменяются расчетными (по моделям) и измерительными.

Вторая задача, решаемая в гидрологии, - по наличию сведений в текущем состоянии ВХК сделать, прогноз его будущего состояния. При прогнозе информация о текущем состоянии применяется в качестве начальных условий.

Третья задача, решаемая в гидрологии, – с помощью прогнозной информации управлять состоянием ВХК, например, осуществлять сезонное или многолетнее регулирование речного стока. При решении задач оптимального управления, так или иначе, используют математические модели гидрологических процессов, в которые управляющие воздействия входят в виде варьируемых задаваемых функций или параметров.

Таким образом, во все три задачи входят математические модели, что довольно красноречиво говорит об их месте в ряду дисциплин гидрологического цикла.

Также возможно рассматривать моделирование в гидрологии, с философской точки зрения. Известно выражение о путях познания, сформулированное В. И. Лениным: «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике, таков диалектический путь познания истины, путь познания объективной реальности». Таким образом, все гидрологические дисциплины можно поместить на ту или иную ступеньку познания (например, гидрометрию – на ступеньку живого созерцания). Моделированию гидрологических процессов соответствует ступенька абстрактного мышления, когда реальный, неисчерпаемый по своей сложности гидрологический объект (процесс) сопоставлен с его моделью (не обязательно математической, хотя чаще всего именно с ней). И эта модель будет отражать наиболее важные стокоформирующие факторы независимо от второстепенных (с точки зрения конкретной гидрологической задачи) обстоятельств [10].

Использование гидрологической информации в практической деятельности

Неотъемлемой частью жизни человека является вода. Она используется как для пищевых нужд, так и для промышленности, сельского хозяйства, в транспортных целях и т.д. Этим и обусловлена необходимость использования информации о водных объектах в практической деятельности человека. Ниже будут перечислены примеры использования гидрологических характеристик в различных отраслях народного хозяйства.

Характеристики среднего годового стока: для водоснабжения определяют водообеспеченность отдельных районов; в гидроэнергетике используются для оценки выработки электроэнергии; в речном транспорте определяют класс судоходности рек, также они учитываются при расчёте грузоподъёмности судов; в рыбном хозяйстве определяют показатели рыбопродуктивности водохранилищ.

Характеристики минимального (летнего, зимнего) стока: для водоснабжения определяют гарантированную отдачу систем водоснабжения; в гидроэнергетике используется в расчётах объёма водохранилищ при сезонном регулировании; в речном транспорте определяют затраты на обеспечение судоходности рек; для охраны вод – это основа планирования водоохранных мероприятий и очистных сооружений; в мелиорации же их используют в расчётах оросительной сети.

Характеристики весеннего половодья: в гидроэнергетики используются в расчётах условий пропуска половодий через гидротехнические сооружения; для сельского хозяйства они определяют защитные мероприятия от затопления и подтопления сельхоз угодий; в строительном проектировании используются для оценки капитальных затрат и ущербов; для мелиорации характеристики необходимы в расчётах осушительной сети; в рыбном хозяйстве регулируют уровенный режим в период нереста.

Характеристики дождевых паводков определяют расположение зон водоопасности в строительном проектировании, а даты вскрытия и замерзания рек определяют сроки навигации речного транспорта.

Основные гидрологические характеристики, используемые при моделировании

Любой водный объект и его режим могут быть описаны с помощью определённого набора гидрологических характеристик, которые можно разделить на несколько групп.

1.   Характеристики водного режима: уровень воды (H, м в Балтийской системе высот (БС) или см над 0 поста), скорость течения (v, м/с), расход воды (Q, м3/с), сток воды за интервал времени ∆t (W, м3, км3), уклон водной поверхности (I, величина безразмерная) и т.д.

2.  Характеристики теплового режима: температура воды, снега, льда (T, оC), теплосодержание водного объекта или тепловой сток за интервал времени ∆t (Θ, Дж) и т.д.

3.  Характеристики ледового режима: сроки наступления и окончания различных фаз ледового режима (замерзания, ледостава, таяния, вскрытия, очищения ото льда), толщина ледяного покрова, сплочённость льдов и т.д.

4.  Характеристики режима наносов: содержание в воде взвешенных наносов или мутность воды (s, кг/м3), расход наносов (R, кг/с), распределение наносов по фракциям (крупности) и т.д.

5.  Характеристики формы и размера водного объекта: его длина (L, м, км), ширина (B, м, км), глубина (h, м) и т.д.

Кроме того, к числу гидрологических обычно относят такие очень важные для описания любого водного объекта характеристики, как:

 гидрохимические —минерализацию воды (M, мг/л) или её солёность (S, ‰), содержание отдельных ионов солей, газов, загрязняющих веществ и др.;

гидрофизические — плотность воды (ρ, кг/м3), вязкость воды и др.;

гидробиологические — состав и численность водных организмов (экз/м2) и величину биомассы (г/м3, г/м2) и др.

Совокупность гидрологических характеристик данного водного объекта в данном месте и в данный момент времени определяет гидрологическое состояние водного объекта [9].