Физика вод суши by Винников С.Д., Викторова Н.В. (z-lib.org)

М и н и с т е р с т в о о б р а зо в а н и я и н а у к и Р о с с и й с к о й Ф ед е р ац и и

_________________Ф ед е р ал ь н о е а ге н т ств о п о о б р а зо в а н и ю _________________

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

С . Д . В и н н и к о в , Н . В . В и к т о р о в а

ФИ ЗИ К А В О Д СУШ И

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области гидромет еорологии в качестве учебника

для студент ов высш их учебны х заведений, обучающ ихся по специальности «Гидрология»

РГГМЫ

С а н к т -П е т е р б у р г

2 0 0 9

УДК 556.113(075) ББК 22.3

В и н н и к о в С .Д ., В и к т о р о в а Н .В . Ф и зи к а вод с у ш и . И зд . 2 -е , и сп р . и

д о п . У ч е б н и к . - С П б .: и зд . Р Г Г М У , 2 0 0 9 . - 4 3 0 с.

ISBN 978-5-86813-242-1

Рассматриваются наиболее важные аспекты молекулярной физики во­ ды в трех ее агрегатных состояниях, основные физические свойства воды,

льда, снега, основные положения теплообмена применительно к задачам гид­ рологии, а также различные физические процессы и явления, протекающие в воде, льде, снеге и почвогрунте. Излагаются методы теплотехнических рас­ четов водоемов и водотоков.

Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности «Гидрология». Также он может быть полезен специалистам, работающим в областях, связанных с изучением, проектирова­ нием и эксплуатацией водных объектов и гидротехнических сооружений.

Рецензенты: В .И . Бабкин, д-р геогр. наук, проф. (Г У Государственный гид­ рологический институт).

В .М . М иш он, д-р геогр. наук, проф. (Воронежский государст­ венный университет).

V inn iko v, S.D ., Victorova, N .V . Physics o f land water. A textbook. 2nd edition, revised and enlarged. - St. Petersburg, R S H U Publishers, 2009. - 430 pp.

The most vital aspects o f molecular physics o f water in its solid, liquid and gaseous states are considered including basic physical properties o f water, ice and snow, as well as conceptual issues o f heat exchange with reference to hydrology problems, various physical processes and phenomena occurring in water, ice, snow and soil. Methods o f thermotechnical calculation o f waterbodies and watercourses are presented.

The textbook is addressed to university students specializing in Hydrology, and it can also be useful to the experts dealing with research, design and operation o f waterbodies and hydraulic engineering constructions.

ISBN 978-5-86813-242-1

Винников С.Д., Викторова Н.В., 2009

Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМ У), 2009

л

Российский государственный гидрвиетродарический универеитет

Б И Б Л И О Т Е К А

118&Ш, СШ, Малш>*т1тпикй т qo

П Р Е Д И С Л О В И Е

П р е д л а га е м ы й у ч е б н и к « Ф и з и к а во д с у ш и » я в л я е тся п о с у т и

в то р ы м и зд а н и е м у ч е б н и к а « Г и д р о ф и зи к а » , и зд а н н ы м Г и д р о м е -

те о и зд а то м в 19 88 г . А в т о р ы : Б .В . П р о с к у р я к о в , С .Д . В и н н и к о в .

Е с л и р а сс м а тр и в а т ь ста н о в л е н и е д и сц и п л и н ы « Г и д р о ф и зи к а »

н а ги д р о л о ги ч е с к о м ф а к у л ь те те с и ст о р и ч е с к о й т о ч к и зр е н и я , то

о сн о в о п о л о ж н и к а м и ее я в л я л и сь п р о ф е ссо р Б .В . П р о с к у р я к о в

(1 9 0 1 - 1 9 9 3 ) и д о ц е н т В .А . Б е р г (1 8 9 4 - 1 9 6 7 ), ч и т а в ш и е л е к ц и и н а

ги д р о л о ги ч е с к о м ф а к у л ь те те ещ е Л е н и н гр а д ск о го ги д р о м е те о р о ­ л о ги ч е с к о го и н с т и т у т а .

Н о в о е н а зв а н и е « Ф и з и к а а тм о сф е р ы , о ке а н а и во д с у ш и » д и с ­

ц и п л и н а п о л у ч и л а с в ве д ен и е м н о в о го о б р а зо в а те л ь н о го ста н д а р та

2 0 0 0 г. у ж е в Р о с с и й с к о м го с у д а р ств е н н о м ги д р о м е те о р о л о ги ч е ­

ск о м у н и в е р с и т е т е . Р а зд е л « Ф и з и к а во д с у ш и » п р е в р а ти л ся в с а ­

м о сто я те л ь н у ю д и сц и п л и н у сп е ц и а л ь н о ст и « Г и д р о л о ги я » . В о сн о ­

в у со д е р ж а н и я у ч е б н и к а « Ф и з и к а во д с у ш и » п о л о ж е н ы л е кц и и ,

в о гр у н то в , п р о н и к н у т в с у щ н о с т ь п р о те к а ю щ и х ф и з и ч е с к и х п р о ­

в р е к а х и о зе р а х , в о д о х р а н и л и щ а х , л е д я н о м и сн е ж н о м п о к р о в а х ,

п о ч в о гр у н т а х , б у д у т у м е ть р е ш а т ь р а зл и ч н ы е ги д р о ф и зи ч е ск и е

3

зад ачи и о су щ е ств л я ть о б е сп ечен и е н е о б хо д и м ы м и р а сч е тн ы м и д ан ­ н ы м и отд ельны е о тр асл и эко н о м и ки и п реж д е всего те п л о - и ги д ро ­

эн е р ге ти ку , ги д р о м ели о р ац и ю , газо в у ю п р о м ы ш л е н н о сть и др.

У ч и т ы в а я и н ж е н е р н ы й х а р а к те р сп е ц и а л ь н о ст и , д ля к о т о р о й

П о ср а в н е н и ю с п е р в ы м и зд ан и е м , н а сто я щ и й у ч е б н и к с у щ е с т ­ в ен н о д о п о л н е н . Н е к о то р ы е в о п р о сы в д ан н о й д и сц и п л и н е р а сс м о т ­ р е н ы в п е р вы е : н ал ед о о б р азо ван и е , сн е го та я н и е , к о н в е к ти в н ы й в о ­

д о о б м е н в у сть е р е ки , д в и ж е н и е н е у ста н о в и в ш е го ся п о то к а и др.

А в то р а м и у ч е б н и к а за тр о н у то о че н ь м н о го в о п р о со в , к а са ю ­

п о л у ч е н и я р е ш е н и я зад ачи , св я за н н о й с э ти м явл ен и ем .

4

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ (ОСНОВНЫЕ)

А- ал ьб ед о

а- к о э ф ф и ц и е н т те м п е р а ту р о п р о в о д н о ст и , м 2/с

Ъ- ш и р и н а ст р у и , м

к - к о э ф ф и ц и е н т т у р б у л е н т н о го о б м е н а

ч- к о э ф ф и ц и е н т ф и л ь тр а ц и и , м /с

L - у д е л ь н а я те п л о та , Д ж /к г

а- р а сх о д в о д ы , м 3/с

Т- а б со л ю тн а я те м п е р а ту р а , К

5

ф- п о те н ц и а л п о ч в е н н о й в л а ги

0- те м п е р а ту р а в о зд у х а , ° С

р- п л о т н о с т ь , к г /м 3

6

В В Е Д Е Н И Е

Ф и з и к а в о д с у ш и (ги д р о ф и зи к а ) я в л я е тся р азд е л о м ге о ф и зи ­

к и . О н а и ссл е д у е т п р о ц е ссы , п р о те к а ю щ и е в р е к а х , о зе р а х , в о д о ­ х р а н и л и щ а х , п о д зе м н ы х в о д а х , в зо н е аэр ац и и и д р у ги х в о д н ы х

о б ъ е к та х н а м а те р и к а х , а та к ж е те р м и ч е с к и е и д и н а м и ч е ск и е п р о ­ ц е сс ы , о б у сл о в л и в а ю щ и е и зм е н е н и я за п а со в в л а ги в р е ч н ы х б а с ­ се й н а х .

К о б щ и м в о п р о са м , и зу ч а е м ы м ф и зи к о й во д с у ш и , о т н о с я т ­

ся : м о л е к у л я р н о е стр о е н и е в о д ы во в с е х ее с о с т о я н и я х (ж и д к о м ,

тв е р д о м , га зо о б р а зн о м ); ф и зи ч е ск и е св о й с т в а в о д ы , сн е га , л ьд а

(те п л о в ы е , р а д и а ц и о н н ы е , э л е к тр и ч е ск и е , р а д и о а к ти в н ы е , а к у с т и ­

ч е с к и е , м е х а н и ч е с к и е ), п р о ц е ссы , п р о и сх о д я щ и е в в о д о ё м а х - д и ­

н а м и ч е ск и е (т е ч е н и я , в о л н ы ), те р м и ч е с к и е (н а гр е в а н и е и о х л а ж д е ­ н и е в о д о е м о в , и сп а р е н и е в о д ы , л ьд а , сн е га и к о н д е н са ц и я в о д я н о ­ го п а р а , о б р а зо в а н и е и та я н и е л ьд а и с н е га ), а та к ж е о п ти ч е ск и е ,

св я за н н ы е с р а сп р о ст р а н е н и е м , п о гл о щ е н и е м и р а сс е я н и е м св е т а в

н а и б о л ь ш и й п р а к т и ч е с к и й и н те р е с д ля и н ж е н е р а -ги д р о л о га . И с ­

к л ю ч е н и е м я в л я е тся р азд ел « О п т и ч е с к и е м е то д ы и ссл е д о в а н и я » ,

со д е р ж а н и е к о то р о го н о с и т п р о б л е м н ы й ха р а к т е р . О д н а к о а в то р ы

п о л я ), п р о те к а ю щ и е в п о ч в а х , г р у н т а х , в о д о е м а х , в о д о то к а х , л е д я ­ н о м и сн е ж н о м п о к р о в а х и д р у ги х о б ъ е к та х . В за д а ч у ги д р о те р м и -

7

Д а л ь н е й ш е е р а зв и ти е х о зя й с т в е н н о й д е я те л ь н о сти в Р о с с и й ­

с к о й Ф ед е р ац и и н а о сн о в е р а зр а б о т к и и со в е р ш е н ств о в а н и я н о в о й

з и к и в о д с у ш и в ст р о и т е л ь ст в е , э н е р ге ти к е , м е л и о р а ти в н о й п р а к ­

ти к е и д р у ги х о т р а сл я х и ее д а л ь н е й ш е е р а зв и ти е п р е д ста в л я е тся д е л о м б о л ь ш о й го с у д а р ств е н н о й в а ж н о сти .

9

М О Л Е К У Л Я Р Н А Я Ф И З И К А В О Д Ы В Т Р Е Х Е Е А Г Р Е Г А Т Н Ы Х С О С Т О Я Н И Я Х

1.1. Общие сведения

З е м н о й ш а р со д е р ж и т о ко л о 16 м л р д к м 3 в о д ы , ч т о со с та в л я ­ е т 0 ,2 5 % м а ссы в се й н а ш е й п л а н е ты . И з э то го к о л и ч е с тв а н а д о л ю

ги д р о сф е р ы З е м л и (о к е а н ы , м о р я , о зе р а , р е к и , л е д н и к и и п о д зе м ­

н ы е в о д ы ) п р и х о д и т ся 1 ,3 8 6 м л р д к м 3. П р е с н ы е п о в е р х н о стн ы е

в о д ы (о зе р а и р е к и ) со с та в л я ю т в се го л и ш ь 0 ,2 м л н к м 3, а в о д я н о й п ар а тм о сф е р ы - 13 т ы с . к м 3.

В о д а в стр е ч а е тся в п р и р о д н ы х у с л о в и я х в т р е х с о с то я н и я х :

тв е р д о м - в ви д е л ьд а и сн е га , ж и д к о м - в ви д е со б с тв е н н о во д ы ,

га зо о б р а зн о м - в ви д е в о д я н о го п ар а . Э т и со с то я н и я в о д ы н а з ы в а ­

10