1 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 1 Podstawowe wiadomości z hydrologii Werner Aeschbach-Hertig, Physics of Aquatic Systems II, Institute of Environmental Physics, University of Heidelberg http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/studium/lehre/AquaPhys/docPAS2 Wstęp do hydrologii Definicja hydrologii Globalny cykl hydrologiczny Systemy hydrologiczne, bilans wodny Wstęp do fizyki systemów wodnych Właściwości wody i stratyfikacja Transport w przepływach turbulentnych (jeziora, oceany) Podstawy hydrogeologii: wysokość hydrauliczna, rodzaje warstw wodonośnych Prawo Darcy’ego Przepływy wód podziemnych i równania transportu

2 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 2 Co to jest hydrologia? Nauka o wodzie... Woda na kontynentach: nad powierzchnią na powierzchni pod powierzchnią Fizyka: Bilans wodny, strumienie Przemieszczanie się wody (w przestrzeni i w czasie) Aspekty chemiczne, biologiczne, techniczne i socjologiczne Inżynieria: Zaopatrzenie w wodę Zabezpieczenie przed powodziami, itd. Klasyczne systemy hydrologiczne: zlewnie rzek warstwy wodonośne Dyscypliny pokrewne Hydrogeologia i fizyka gleby Meteorologia, (paleo)klimatologia

3 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 3 Hydrosfera Objętość w tys. km 3 % całości wody słodkiej Strumień w tys. km 3 /rok czas obiegu w latach Woda słona Oceany1 350 000425 3 000 Woda słodka Lód27 80069 2.412 000 Wody podziemne8 00030 15 500 Jeziora220 0.5 Wilgoć glebowa70 0.2 90 0.8 Atmosfera15 0.038496 0.03 Zbiorniki wodne5 0.013 Rzeki2 0.005 40 0.05 Biomasa2 0.005 RAZEM40 114 Mook, 2001

4 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 4 Globalny bilans wodny

5 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 5 Globalny cykl hydrologiczny

6 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 6 Globalny cykl hydrologiczny

7 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 7 Globalny cykl hydrologiczny

8 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 8 Zużycie wody http://wwdrii.sr.unh.edu/download.html http://www.infoforhealth.org/pr/m14/m14figs.shtml Interesująca kolekcja danych hydrologicznych

9 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 9 Niedostatek wody Mapa pokazuje siatkę 30’. W każdym polu siatki obliczono współczynnik względnego niedostatku wody DIA/Q gdzie DIA jest całkowitym zapotrzebowaniem na wodę (Domestic, Industrial, Agricultural), a Q jest całkowitym odpływem. Mapa ilustruje wielkość populacji żyjących w niedostatku i w obfitości wody http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/289/5477/284

10 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 10 Współczynnik RWSI w Afryce

11 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 11 Wpływ człowieka na cykl hydrologiczny Wysychanie Morza Aralskiego Całkowite potrzebne nawodnienie dostępnego strumienia słodkiej wody

12 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 12 http://www.ies.wisc.edu/research/wrm00/educhydro.htm Podstawowa jednostka hydrologiczna – dorzecze (zlewnia) Zlewnia - jest to całość obszaru, z którego wody spływają do danej rzeki (jeziora, bagna itp.) lub jej fragmentu. Zlewnia dotyczy zarówno wód powierzchniowych, jak i podziemnych. Częścią zlewni może być dorzecze danej rzeki. Dorzecze - obszar, z którego wody powierzchniowe spływają do jednej rzeki, zwanej rzeką główną. Rzeki wpadające do rzeki głównej noszą nazwę dopływów 1 rzędu. Granicą dorzecza jest dział wodny. evaporation - parowanie transpiration - transpiracja (parowanie roślin) runoff - spływ, odpływ well - studnia groundwater - wody gruntowe saturated zone - strefa nasycona (saturacji) unsaturated zone- strefa nienasycona (aeracji) water table - poziom wód gruntowych (zwierciadło swobodne) precipitation - opad infiltration - infiltracja percolation - percolacja (przesiąkanie) lake - jezioro http://www.dict.pl/

13 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 13 Bilans zbiornika wodnego System hydrologiczny: zbiornik napływ - opad (precipitation) odpływ - spływ (runoff) odpływ - ewapotranspiracja (evapotranspiration) retencja - retencja (storage) Prawo zachowania masy: Proste równanie, ale poszczególne wyrazy mogą być trudne do oszacowania W wyznaczaniu wielkości składników pomagają badania izotopowe http://piru.alexandria.ucsb.edu/lecture?page=genlect3

14 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 14 Input - Output To podejście polega na modelowaniu funkcjonalnego związku między krzywą opadu i hydrogramem Hydrogram przepływu

15 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 15 Właściwości wody WłaściwośćPorównanieZnaczenie Ciepło właściwe 4180 J kg –1 K –1 Największe spośród wszystkich cieczy i ciał stałych z wyjątkiem NH 3 Transport ciepła związany z przemieszczaniem się wody. Gromadzenie energii cieplnej Ciepło kondensacji 3.34 10 5 J kg –1 Największe z wyjątkiem NH 3 Efekt termostatyczny w temperaturze krzepnięcia Ciepło parowania 2.25 10 6 J kg –1 Największe ze wszystkich substancji Transport ciepła i wody w atmosferze  max przy T≈4 o C powyżej temp. zamarzania AnomalneStratyfikacja gęstości w jeziorach, sprzyja zamarzaniu na powierzchni  solid <  liquid AnomalneLód pływa po wodzie, zamarzanie głównie na powierzchni, erozja Napięcie powierzchnioweNajwiększe ze wszystkich cieczyTworzenie się kropel, siły kapilarne, retencja wody w glebie, fizjologia komórek Zdolność rozpuszczaniaBardzo dużaTransport rozpuszczonych substancji Stała dielektrycznaNajwiększa ze wszystkich cieczy z wyjątkiem H 2 O 2 i HCN Duża dysocjacja rozpuszczonych soli

16 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 16 Temperatura w jeziorze Jeziora mają wyraźną stratyfikację temperatury w zimie i w lecie. Wtedy może wystąpić silny spadek koncentracji tlenu z głębokością (przyducha). natomiast na wiosnę i w jesieni ulegają pionowemu mieszaniu. Jeziora tropikalne mają wyraźną stratyfikację przez cały rok http://jan.ucc.nau.edu/~doetqp-p/courses/env470/Lectures/lec32/lec32.htm

17 Wstęp do Fizyki Środowiska W9 17 Temperatura i zasolenie w oceanie Haloklina http://www.geo.arizona.edu/Antevs/ecol438/lect15.html http://oceanworld.tamu.edu/resources/ocng_textbook/contents.html