Hydrologia - notatki z wykładów PDF

Preview

Summary

notatki z wykładów...

Description

WYKŁAD 1 - Woda – podmiot hydrologii Zagadnienia: 1) o przedmiocie 2) woda i jej znaczenie dla człowieka KOLORADO – ciekawostka. Dorzecze rzeki Kolorado jest dotknięte suszą już od 10 lat. Jezioro Mead – obniżone o 35 m (najniższy poziom w historii) Najważniejszy zbiornik retencyjny na świecie – system zbiorników, na którym polega 30 mln ludzi, w roku 2000 był wypełniony wodą w 95%, obecnie jest jeszcze tylko w 59% gdzieś tam w Afryce, ale co mnie to? - Przyczyny braku wody: * fizyczne – opady, ludzie * ekonomiczne – brak hajsu na studnie – znowu Afryka.

WYKŁAD 2 – Woda – podmiot hydrologii Zagadnienia: 1. Hydrologia jako nauka 2. Pochodzenie wody na Ziemi 3. Procesy utrzymujące wodę na Ziemi. 1. Hydrologia jako nauka. Słowo hydrologia pochodzi od greckiego słowa hydor – woda i legos – nauka Hydrologia – nauka opisująca ogół zjawisk związanych z obiegiem wody w przyrodzie, wodach powierzchniowych oraz wody zawartej w litosferze i atmosferze Dział geografii fizycznej zajmujący się badaniem wody (pod każdą postacią), występującej w środowisku przyrodniczym. Podstawowe działy powiązane z hydrologią: glacjologia – zajmuje się lodowcami i lądolodami, kriologia – zajmuje się wodą pod postacią lodu, krenologia – zajmuje się źródłami wody, potamologia – bada linijne wody powierzchniowe – rzeki i potoki, paludologia – zajmuje się bagnami, limnologia – bada jeziora i inne zbiorniki wodne, oceanografia – zajmuje się wodami morskimi i oceanicznymi, hydrogeologia – zajmuje się wodami podziemnymi, ekohydrologia – bada oddziaływania między organizmami żywymi a cyklem hydrologicznym.

2

Obecnie hydrologię określa się jako naukę koncentrującą się na zagadnieniach globalnego cyklu hydrologicznego oraz procesach związanych z lądową fazą tego cyklu. Hydrologia należy do nauk o Ziemi, która opisuje oraz przewiduje: - przestrzenną i czasową zmienność wody w różnych postaciach na lądzie, w oceanie i atmosferze - przemieszczanie się wody na i nad powierzchnie lądów, fizyczne i chemiczne procesy towarzyszące temu ruchowi i biologiczne procesy, które powodują oraz wpływają na ten ruch. Podział hydrologii: - w zależności od miejsca występowania wody – hydrometeorologia, potamologia, limnologia, oceanologia, agrohydrologia (pedologia), hydrogeologia, glacjologia, paludologia - w zależności od rodzaju badań – hydrologia właściwa (krążenie) hydrobiologiczne, hydrofizyczne, hydrochemiczne - w zależności od czynności wykonywanych w czasie badań – hydrometria, hydrografia (hydrologia opisowa), hydronomia (hydrologia pragmatyczna) Gałęzie (dziedziny) hydrologii: - Hydrochemia (hydrologia chemiczna) – zajmuje się badaniem składu chemicznego wód naturalnych oraz dynamiką procesów chemicznych zachodzących w hydrosferze - Ekohydrologia (hydrobiologia) – zajmuje się badaniem wzajemnych oddziaływań między organizmami żywymi a cyklem hydrologicznym - Hydrogeologia – zajmuje się występowaniem i przepływem wód w warstwach wodonośnych (wody podziemne) - Hydroinformatyka – zajmuje się adaptacją technologii informacyjnej (IT) w hydrologii i gospodarce wodnej - Hydrometeorologia – zajmuje się badaniem transferu wody i energii pomiędzy lądem, zbiornikami wodnymi i dolną atmosferą - Hydrologia izotopowa – zajmuje się wykorzystaniem izotopów naturalnych i sztucznych w analizie krążenia wód - hydrologia powierzchniowa – zajmuje się procesami hydrologicznymi na powierzchni Główne problemy hydrologii: - ekstremalna pogoda i opady - przepływy rzeczne i przewidywanie odpływu - biegi rzek i warunki hydrauliczne - ogólny bilans wody – w skali lokalnej i globalnej - kontrola powodzi i ocena wielkości suszy - zaopatrzenie w wodę dla wzrastającej populacji ludności - zarządzanie w zlewni dla rozwoju rolniczego/ miejskiego Podstawowym źródłem poznania procesów zachodzących w przyrodzie są obserwacje dokonywane na stacjach meteorologicznych i posterunkach wodowskazowych. Polską sieć meteorologiczną tworzą 3 rodzaje stacji pracujących w ramach instytutu meteorologii i gospodarki wodnej: - stacje meteorologiczne – ok 60 - wykonuje się pomiary: temperatury powietrza na wysokości 2 m nad poziomem gruntu, temperatury powietrza na wys. 5 cm npg., wilgotności powietrza na 3

wysokości 2 m npg., ciśnienia powietrza, wysokości opadu atmosferycznego, czasu usłonecznienia, widzialności meteorologiczne. Podstawowy zestaw przyrządów to klatka meteorologiczna z kompletem termometrów, wiatromierz, deszczomierze, termometry gruntowe, heliograf, ewentualnie przyrządy do pomiarów promieniowania słonecznego. - posterunki meteorologiczne – ok 260 – - posterunki opadowe – ok 500 – mierzy się raz na dobę ilość wody opadowej, która zebrała się w deszczomierzu. W tego typu miejscach zwykle jest obecna także klatka meteorologiczna, która chroni termometry i inne przyrządy meteorologiczne przed bezpośrednim działaniem promieniowania słonecznego, opadów i osadów atmosferycznych oraz podmuchów wiatrów - posterunki wodowskazowe – ok 500 – pomiar stanu raz w ciągu doby - inne. 2. Pochodzenie wody na Ziemi. Dwie hipotezy pochodzenia wody: - solarna - ziemska Solarna – zakłada się, że woda powstała w wyniku wiązania się z tlenem w atmosferze wodoru docierającego do ziemi wraz z wiatrem słonecznym – może powstać 1,5 t wody na rok. Z geologicznej skali czasu, uzyskujemy wystarczającą ilość wody do wypełnienia oceanów. Ziemska – woda jest pochodzenia ziemskiego, powstaje z dopasowania wody zawartej w skałach płaszcza ziemi. Opiera się na obecności wody w magmie (1-8%) – woda skrapla się i tworzy roztwory hydrotermalne Inne hipotezy: - zderzenie Ziemi z kometami zawierającymi wodę - chemiczna – reakcja wodoru z pierwotnej atmosfery z tlenkami obecnymi w skorupie ziemskiej. Powstawanie oceanów: obniżenie się chmur i po zderzeniach z Ziemią stworzyły deszcz i ocean Woda istnieje od około 4,3 mld lat 3. Procesy utrzymujące wodę na Ziemi/ - podgrzewanie Ziemi przez Słońce - -18°C - efekt cieplarniany – 33 °C - temperatura globalna - 15°C Średni czas obiegu cząstek CO2 sięga 1 000 000 000 lat CO2 rozpada się w kroplach deszczu

Obieg CO2 – Subdukcja, wietrzenie skał, sedymentacja, temperatura, ciśnienie, metamorfizm węglowy, uwolnienie CO2, subdukcja, wietrzenie skał… itd….

4

Przy obecnym systemie obiegu CO2 Ziemia jest w stanie utrzymać łagodny klimat (ciekła woda, biosfera) w ciągu wielu miliardów lat przy oświetleniu od 1,1 do 0,44 obecnego strumienia energii słonecznej, co odpowiada zakresowi odległości orbitalnych od 0,95 do 1,37 j.a. Strefa taka nazywana jest zamieszkiwaną. Proces powstawania oceanów przebiegał prawdopodobnie jednakowo na Wenus i na marsie. Wenus posiadała za duże nasłonecznienie. Temperatura na jej powierzchni wzrosła do około 100°C. Zawartość pary wodnej w atmosferze wyparowała w tych warunkach w ponad 20%, a kondensacja wody następowała na wysokości 100 km. Za 1,5 miliarda lat Słońce pojaśnieje o 10%. Strefa zamieszkiwana przesunie się wówczas poza 1 j.a. (na Ziemi będzie jak na Wenus, a Mars będzie strefą zamieszkiwania). Istnienie wody umożliwia naturalny efekt cieplarniany CO2. PODSUMOWANIE: - Woda jest, najprostszym związkiem dwóch najbardziej rozpowszechnionych reaktywnych pierwiastków we Wszechświecie; drugą (po H2) najczęściej występującą cząsteczką we Wszechświecie; jedyną substancją występującą na Ziemi w 3 stanach skupienia - Hydrologia to nauka koncentrującą się na zagadnieniach globalnego cyklu hydrologicznego oraz procesach związanych z lądową fazą tego cyklu. - Dwie główne hipotezy dotyczące pochodzenia wody na Ziemi: solarna i bardziej popularna – ziemska – pochodzenie z odgazowania wody zawartej w skałach płaszcza Ziemi - Istnienie wody w stanie ciekłym na Ziemi umożliwia naturalny efekt cieplarniany podnoszący średnią temperaturę planety z -18°C do +15°C

5

WYKŁAD 3 – Właściwości wody i ich wpływ na środowisko przyrodnicze Ziemi. Zagadnienia: (właściwości wody) 1. Budowa wody 2. Gęstość wody 3. Ciepło utajone 4. Ciepło właściwe 5. Napięcie powierzchniowe 1. Budowa wody. Do XVIII wieku woda była uważana za pierwiastek. Lavoisier 1783 i Cavendisch 1784, udowodnili, że woda jest związkiem chemicznym składającym się z 2 atomów wodoru i atomu tlenu. Struktura cząsteczki wody: - jest najmniejszą 3-atmową cząsteczką - cząsteczki nie ma budowy liniowej tylko kątową. Jest to spowodowane obecnością na atomie tlenu 2 wodnych par elektronowych - w samej cząsteczce występuje przesunięcie elektronów ku atomowi tlenu. Konsekwencją przesunięcia elektronów ku atomowi tlenu jest powstanie dipola, gdzie na atomach wodoru mamy zaznaczyć znak +, a na tlenie znak -. Wiązania wodorowe – w H2O atom wodoru jest kowalencyjnym związkiem z atomem tlenu w swojej cząsteczce (energia około 492 kJ/mol), ale równocześnie jest dodatkowo przyciągany przez inny atom tlenu – z sąsiedniej cząsteczki (23,3 kJ/mol). Wiązanie wodorowe pojawia się kiedy dodatnio naładowany atom wodoru jest przyciągany przez stosunkowo duże siły dwóch ujemnie naładowanych atomów z różnych cząsteczek. Wiązania wodorowe są odpowiedzialne za łączenie się cząsteczek wody w asocjaty i za powstawanie struktury lodu. Lód – atomy H starają się być jak najbliżej atomu O (występuje przyciąganie), a jednocześnie chcą być jak najdalej od siebie (odpychanie). Konsekwencją takiego łączenia się cząsteczek wody jest powstanie w lodzie sieci krystalicznej o ażurowej strukturze przypominającej tunele. W strukturze lodu każda cząsteczka ma czterech tetraedrycznie skoordynowanych sąsiadów, połączonych wiązaniami wodorowymi. Woda – w temperaturze pokojowej tylko 20% cząsteczek wody nadal uczestniczy w tetraedrycznie koordynowanych czterech wiązaniach wodorowych. 80% cząsteczek wody tworzy jedno silne wiązanie wodorowe z grupą –OH oraz jedno słabsze wiązanie wodorowe z grupą – OH z innej cząsteczki co prowadzi do powstania pentamerów. Woda w fazie ciekłej zawiera dużo więcej wiązań wodorowych niż jakakolwiek inna ciecz. Koncentracja tych wiązań jest niemal równa koncentracji wiązań kowalencyjnych. Wiele zagadkowych właściwości wody wynika z faktu, że cząsteczki tworzą nieskończoną sieć połączoną wiązaniami wodorowymi zawierająca klastery o dobrze określonej strukturze. Temperatura topnienia i wrzenia: Temperatura topnienia i wrzenia zależą od położenia pierwiastków wchodzących w skład danej substancji w periodycznym układzie Mendelejewa. 6

Związki mające analogiczny skład chemiczny jak woda, np. H2S, H2Se, H2Te, znajdują się w temperaturze pokojowej w stanie gazowym. Woda powinna: - wrzeć przy – 70 st. C - przekształcać się w lód przy – 90 st. C Odpowiadałoby to istnieniu wody w przedziale temperatury od -70 do -90 st. C, co nie sprzyjałoby rozwojowi życia na Ziemi. 2. Gęstość wody. Przechodząc ze stanu ciekłego w stały, substancje na ogół kurczą się, ulegając niejako zagęszczeniu, czyli gęstość cieczy jest mniejsza od ciał stałych, podczas topnienia toną one w powstałej cieczy. W związku z tym, ciecze krzepną od dołu – pod warstwą cieczy tworzy się stopniowo warstwa stała. Kiedy woda zamarza w 0 st. C, gęstość maleje o 9%. Struktura lodu (Ih) jest otwarta, ma niski współczynnik upakowania. Podczas topnienia część wiązań wodorowych pęka i struktura ulega częściowemu kolapsowi. Dzięki tej właściwości lód pływa po wodzie. Gdyby woda nie wykazywała tej ważnej właściwości, wszystkie naturalne zbiorniki zamarzałyby do dna i żadne życie biologiczne nie mogłoby w nim powstać, a następnie przetrwać. Opadanie lodu na dno powodowałoby stopniowe wypełnienie się mórz, rzek i jezior bryłami lodu. Wraz ze wzrostem temperatury gęstość cieczy zazwyczaj maleje. Czysta woda jest wyjątkiem od tej reguły. Woda ma bowiem największą gęstość przy temperaturze bliskiej 4 st. C Maksimum gęstości jest spowodowane przez dwa przeciwstawne efekty, wynikające z rosnącej temperatury: - zapadanie się struktury spowodowane zanikiem wiązań wodorowych – wzrost gęstości - rozszerzalność termiczna – spadek gęstości Woda w rzekach i jeziorach zamarza tylko na powierzchni tworząc warstwę ochronną do umożliwienia istnienia życia biologicznego w głębi wody. - woda morska krzepnie przy -1,9 st. C - gęstość jej maleje ze wzrostem temperatury. 3. Ciepło utajone. Ciepło utajone – jest to ilość ciepła potrzebna do zmiany stanu skupienia substancji bez zmiany jej temperatury. - ciepło utajone kondensacji/ skraplania – odnosi się do ciepła wydzielonego/pobranego do/z powietrza w procesie kondensacji/ skraplania. Wynosi ono 2260 J/g wody (600 cal/g) - ciepło utajone zamarzania/ topnienia – odnosi się do ciepła uzyskanego/ straconego przez powierzchnię, kiedy woda przechodzi w lód lub na odwrót. Wynosi ono 330 J/g wody (80 cal/g) Duże ciepło topnienia chroni nasza planetę przed powodzią. Nawet przy wysokich temperaturach powietrza proces ten przebiega stopniowo i utworzona woda odpływa powoli. Duże ciepło parowania uniemożliwia wyparowanie wody z jezior czy oceanów w piękny, słoneczny dzień.

7

Duże wartości ciepła topnienia lodu i ciepła parowania wody sprzyjają stopniowemu przejściu temperaturowemu od lata do jesieni i od zimy do wiosny, warunkując w istocie przebieg wszystkich 4 pór roku z charakterystycznymi dla każdej pory zmianami temperatury. 4. Ciepło właściwe. Woda ciekła posiada najwyższe ciepło właściwe 4,18 J/g/ stopień C = 1 cal/ g st. C Plasujący się na drugiej pozycji alkohol etylowy ma tylko 2,84 J/ g st C. Lód i para wodna mają 2 razy mniejszą wartość ciepła właściwego od wody, mimo że dla wszystkich innych substancji topnienie prawie nie zmienia wartości pojemności cieplnej. Dzięki tej właściwości morza i oceany stają się gigantycznym „akumulatorem” ciepła łagodzącym wahania temperatury powietrza. Ziemia ani się za bardzo nie przegrzewa, ani nadmiernie nie wychładza co stwarza możliwość rozwoju organizmów żywych. Prąd północnoatlantycki – w niektórych regionach podnosi temperaturę o 10 st C Dla większości substancji ciepło właściwe rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Wyjątkiem jest tu woda. 5. Napięcie powierzchniowe. Właściwością wody odróżniającą ją od innych cieczy jest jej również wysokie napięcie powierzchniowe. Wyższe wartości napięcia powierzchniowego osiągają tylko metale. Jest ono związane z oddziaływaniami międzycząsteczkowymi (zależnymi od temperatury) poprzez wiązania wodorowe łączącymi cząsteczki wody w duże asocjaty. Warunek unoszenia się ciał na powierzchni wody: mg morza, oceany wody śródlądowe (głownie słodkie) -> powierzchniowe, podziemne Wody powierzchniowe: - płynące = ciek - stojące Płynące (ciek): - koryta naturalne: rzeki, strumienie potoki - koryta sztuczne: kanały otwarte, rowy Stojące: - stawy - jeziora 1. Charakterystyka cieku. Ciek – jest pojęciem ogólnym, odnoszącym się do wszystkich wód płynących. Ciekiem nazywa się wody znajdujące się w ruchu pod wpływem sił ciężkości i płynące korytem stale lub w ciągu dłuższych okresów. Pojęcie cieku łączy się zatem zarówno z płynącą wodą, jak i z korytem przez nią wyżłobionym lub z korytem sztucznym. Cieki tworzą się też w miejscach, gdzie wody gruntowe wydostają się na powierzchnię tworząc źródła. Rzeki tworzą się na ogół przy opadach rocznych powyżej: 200 – 250 mm w strefie klimatu umiarkowanej 400 – 500 mm w strefie podzwrotnikowej 700 – 1000 mm w strefie równikowej Przy stanach niskich i średnich rzeka płynie korytem. Koryto z obszarem zalewowym określane jest jako łożysko rzeki. 46

Łożysko rzeczne, łożysko rzeki – część dna doliny rzecznej: koryto rzeki i teras rzeczny zalewowy, zajmowana przez wodę w czasie wysokich stanów wody (wezbranie). Łożysko ciągle się zmienia na skutek meandrowania, przemieszczania osadów, podcinania progów i powodzi. W części potoków górskich łożysko jest praktycznie tożsame z korytem. W profilu podłużnym dużych rzek wydziela się charakterystyczne odcinki (biegi):   

Górny – duży spadek i prędkość wody, intensywna erozja wgłębna (kraina pstrąga i lipienia) Środkowy – spadek i prędkość wody zmniejsza się, maleje erozja denna na rzecz erozji bocznej, dolina rozszerza się (kraina brzany) Dolny – spadek niewielki, ruch wody powolny, rzeka akumuluje transportowany materiał (kraina leszcza)

Bieg rzeki kończy się z nielicznymi wyjątkami (obszary bezodpływowe), jej ujściem do innej rzeki, jeziora lub morza. W biegu dolnym rzek uchodzących do morza wydziela się dodatkowo ODCINEK UJŚCIOWY (delta, estuarium), znajdujący się pod wpływem cofki morskiej. (kraina jazgarza) Odcinek źródłowy rzek (195 m2 przy ujściu)      

Wielkość przepływu Długość Wysokość nad poziomem morza Morfologię terenu Profil podłużny i ukształtowanie koryta, przepływ specyficzny dorzecza oraz jego aktywność Cechy demograficzne i tradycje utrwalone w historii czy kulturze regionu

Długość: Odra 854,3 km - do ujścia Warty 617,6 km - od ujścia Warty 236,7 km Warta 808,2 km Powierzchnia dorzecza: - Odry – 118 861 km2 - Warty – 54 529 km2 (45,9%) Klasyfikacje rzek i systemów rzecznych:   

47

Zlewisko – obszar lądowy, z którego wszystkie wody powierzchniowe i podziemne spływają do jednego morza, oceanu bądź też innego zbiornika wodnego. Dorzecze – jest obszarem, z którego wody spływają do jednego systemu rzecznego. System rzeczny – określenie rzeki głównej wraz ze wszystkimi jej dopływami (bezpośrednimi i pośrednimi), a także zbiornikami wodnymi znajdującymi się w jej dorzeczu).

 

Rzeka główna – to rzeka, której wody uchodzą do morza lub oceanu. Dopływy – to rzeki, które uchodzą do inne, zazwyczaj większej rzeki.

Głównym celem działania Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej jest zarządzanie wodami na obszarze nadzorowanych zlewni dla zapewnienia ludności wody pitnej odpowiedniej ilości i jakości, ochrony wód przed zanieczyszczeniem, ochrony przed powodzią i suszą, zapewnienia wody dla przemysłu, żeglugi i energetyki wodnej oraz administrowanie rzekami i kanałami w imieniu Skarbu Państwa. Uwzględniając ciągłość zasilania rozróżnia się rzeki:    

Stale płynące – czyli prowadzące wodę przez cały rok Sporadycznie wysychające – zanikają sporadycznie w czasie długotrwałej suszy Okresowe – regularnie prowadzące wodę w porze wilgotnej Epizodyczne – sporadycznie i nieregularnie prowadzące wodę

W zależności od długości rzeki i wielkości wyróżnia się:    

Rzeki małe – długość 100 – 200 km, dorzecze 1000 – 10 000 km2 Rzeki średnie – długość 200 – 500 km, dorzecze 10 000 – 100 000 km2 Rzeki duże – długość 500 – 25 000 km, dorzecze 0,1 – 1 mln km2 Rzeki wielkie 0 długość powyżej 2 500 km, dorzecze powyżej 1 mln km2

Rzek najdłuższe:     

Nil – 6671 km Amazonka - 6437 km Jangcy - 6300 km Missisipi – 5991 km La Plata – 4876 km

Największe rzeki według powierzchni dorzecza:     

Amazonka – 7,2 mln km2 Kongo - 3,8 mln km2 Missisipi – 3,3 mln km2 La Plata – 3,1 mln km2 Nil 2,9 mln km2

Największe rzeki według średniego przepływu rocznego:    

Amazonka – 120 tys. m3/s Kongo – 42 tys. m3/s Jangcy – 35 tys. m3/s La Plata – 20 tys. m3/s

Gęstość, układ i struktura sieci rzecznej na jakimś obszarze zależą od jego klimatu, budowy geologicznej, ukształtowania powierzchni i pokrycia szatą roślinną, stadia rozwoju. Klasyfikacja sieci rzecznej ze względu na jej symetrię: - symetryczna – zarówno prawa jak i lewa strona dorzecza posiada zbliżoną powierzchnię i podobna ilość cieków - niesymetryczna 48

Klasyfikacja sieci rzecznej w nawiązaniu do układu sieci: - równoległa – młode systemy rzeczne na jednorodnym podłożu - dendrytyczny - kratowy – obszary o rzeźbie krawędziowej i obszary młodoglacjalne, gdzie sieć rzeczna wykorzystuje odcinki pradolin - widlasty – obszary zrębowe o asymetrycznych stokach - pierzasty – obszary z wąskimi, długimi dolinami - wachlarzowy – stożki napływowe u podnóża gór Pod względem hydrograficznym rozróżnia się cieki: I rzędu – uchodzące bezpośrednio do morza II rzędu – uchodzące do cieku I rzędu III rzędu – uchodzące do cieku II rzędu Na potrzeby badań struktury hydrograficznej prowadzi się hierarchizowanie odwrotne. W Polsce popularna jest METODA HORTONA – STRAHLERA: Hierarchizację należy rozpocząć od cieków 1 rzędu, którymi są cieki inicjalne. Przy określaniu coraz to wyższych rzędów należy się kierować zasadą, że ciek rzędu r+1 powstaje z połącze...