25.03.05 – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 2 июля 2020 г. № 155
 

 

 

 Цели и задачи программы-минимум:

– формирование у соискателей необходимых знаний, позволяющих ориентироваться в теории и методологии изучения гидрологических процессов, водных ресурсов и химического состава поверхностных вод;

 – освоение соискателем знаний, отражающих основные закономерности формирования и функционирования водных объектов во времени и пространстве, включающих современный понятийный аппарат и арсенал методических приемов по обработке и анализу гидрологической и гидрохимической информации;

– углубление знаний в области глобальных и региональных проблем, связанных с воздействием человека на водные ресурсы, национального законодательства по вопросам использования и охраны водных ресурсов и международного сотрудничества.

 

Требования к уровню знаний соискателя

 

В результате изучения программы-минимума соискатель ученой степени должен знать:

  • объект и предмет изучения гидрологии и гидрохимии;
  • содержание основных понятий в гидрологии суши и гидрохимии;
  • принципы и методы сбора и обработки гидрологических и гидрохимических данных;
  • глобальный и внутриматериковый гидрологические циклы воды;
  • основные научные подходы к изучению водных ресурсов;
  • основные методы научных исследований гидрологических процессов и явлений;
  • закономерности турбулентного и ламинарного движения воды;
  • сущность и закономерности динамики русловых процессов; методологию изучения русловых процессов;
  • особенности скоростного режима воды в руслах рек;
  • условия формирования стока, пространственные и временные закономерности его распределения;
  • основные характеристики стока, методы и точность их определения при наличии и отсутствии данных гидрологических наблюдений;
  • методы определения расходов воды;
  • водные и водохозяйственные балансы водоемов и речных бассейнов и методы их оценки;
  • тепловой баланс и основные черты термического режима рек, озер и способы их расчета;
  • методы расчетов стока и составления гидрологических прогнозов при наличии и отсутствии данных гидрологических наблюдений;
  • современные методы математического моделирования речного стока;
  • закономерности формирования химического состава поверхностных вод;
  • принципы и экологические проблемы использования водных ресурсов;
  • методы оценки качества поверхностных вод и защиты водных объектов от загрязнения;
  • мониторинг поверхностных вод в структуре Национальной системы мониторинга окружающей среды Республики Беларусь;
  • структуру нормативной правовой базы в области рационального использования водных ресурсов.

 

Введение

Настоящая программа основана на следующих дисциплинах: гидрология рек, озероведение, гидрология искусственных водоемов, русловые процессы, речной сток и гидрологические расчеты, гидрохимия и контроль качества воды, использование и охрана водных ресурсов, гидрологические прогнозы.

Программа разработана Государственным научным учреждением «Институт природопользования Национальной академии наук» при участии Брестского государственного технического университета и Белорусского государственного университета.

 

Основы гидрологии суши

Предмет гидрологии. Структура и связь ее с другими науками о Земле. Значение воды в природе и в жизни человека. История развития гидрологии. Распределение воды на Земле. Понятие о гидросфере. Характеристика гидросферы. Гидрологические циклы вод земного шара. Влагооборот и баланс влаги в атмосфере. Основные черты водного баланса континентов. Водный баланс земного шара. Водообмен водных объектов. Классификация водных объектов по водообмену.

Возобновление природных вод в процессе гидрологического цикла воды. Природные воды и их значение в хозяйственной деятельности человека. Понятие о водных ресурсах. Водные ресурсы Республики Беларусь и их основные особенности. Зарегулированность речного и местного стока. Роль водных ресурсов в мелиорации, развитии гидроэнергетики и других видах хозяйственной деятельности. Современное водопотребление и перспективы водопотребления. Основные принципы рационального использования и охраны водных ресурсов. Водохозяйственные проблемы Республики Беларусь.

Методы и организация гидрологических наблюдений и исследований. Гидрометеорологическая служба Республики Беларусь, ее структура и роль в гидрологическом обеспечении субъектов хозяйствования. Типы водомерных постов. Графическая интерпретация результатов гидрологических наблюдений.

 

Основные физические свойства воды и их влияние на гидрологические процессы и явления

Вода, как вещество и ее молекулярная структура. Физические свойства воды. Плотность воды и ее аномалии. Теплоемкость. Теплопроводность. Тепловое расширение. Условия переохлаждения и свойства переохлажденной воды. Вязкость и внутреннее трение. Поверхностное натяжение. Агрегатные состояния воды и фазовые переходы. Удельная теплота плавления и парообразования льда. Физико-механические свойства льда. Факторы, обусловливающие структуру льда, его прочность, теплоемкость и теплопроводность. Физические свойства снега: структура, плотность, теплоемкость, теплопроводность, влагоемкость. Радиационные свойства снежного покрова.

 

Река и ее бассейн

Бассейн и водосбор реки, основные гидрографические характеристики. Элементы речной сети. Речная долина и ее элементы. Речное русло и его морфометрические характеристики. Структура и густота речной сети. Типы продольного профиля рек. Стадии его эволюции.

Понятие о режимах движения жидкости. Движение воды в реках. Формула Шези. Турбулентность и пульсирующий характер русловых потоков. Число Рейнольдса. Спокойные и бурные потоки. Число Фруда. Распределение осредненных скоростей течения по вертикали и по живому сечению. Циркуляционные течения в русловом потоке. Основные положения полуэмпирической теории турбулентности. Зависимость скорости течения от уклона и шероховатости русла. Связь расходов и уровней воды (кривые расхода). Изменение гидравлических элементов руслового потока в зависимости от уровня воды. Методы определения расходов воды. Понятие об установившемся и неустановившемся движении воды. Кривые подпора и спада, способы их построения.

Теория движения паводочной волны. Уравнения Сен-Венана. Способы приближенного расчета движения паводка по руслу. Колебание уровней воды. Краткосрочные прогнозы уровней и расходов воды на основе закономерностей движения речного потока. Понятие о соответственных уровнях.

Питание рек: дождевое, снеговое, подземное, ледниковое. Фазы водного режима. Половодье. Паводки. Межень. Взаимосвязь поверхностных и подземных вод. Осадки, как фактор формирования речного стока. Способы и точность измерения осадков. Расчетные характеристики осадков в речном бассейне и способы их определения. Снежный покров и его основные характеристики. Запас воды в снежном покрове на территории Республики Беларусь. Интенсивность снеготаяния и способы ее расчета. Водоотдача снежного покрова. Методы определения запасов воды в снежном покрове.

Гидрологический режим ледников. Ледники и их типы. Самолетная гамма-съемка снежного покрова. Влияние ледников на гидрологический режим рек.

Испарение как фактор формирования поверхностного стока. Испарение с водной поверхности, способы измерения и расчета. Испарение снега. Испарение с почвы. Транспирация растительного покрова. Суммарное испарение с поверхности бассейна и способы его расчета. Средняя многолетняя величина суммарного испарения на территории Республики Беларусь.

Инфильтрация дождевой воды в почву. Зона аэрации Эмпирические формулы для расчета скорости инфильтрации. Инфильтрация талой воды в мерзлую почву; роль льдистости и температуры почвы. Потери воды на инфильтрацию при формировании дождевых паводков и снегового половодья. Задержание воды на поверхности бассейна в бессточных углублениях и его роль в формировании паводков.

Виды воды в грунтах и ее движение. Влажность и влагоемкость почвы. Условия залегания подземных вод. Воды зоны аэрации и насыщения, грунтовые и артезианские воды. Подземное питание рек. Взаимосвязь поверхностных и подземных вод. Закономерности движения подземных вод. Коэффициент фильтрации. Закон Дарси. Условия взаимоперехода ламинарного и турбулентного движения воды. Факторы и типы подземного питания рек; способы его определения. Соотношение поверхностного и подземного стока в различных природных условиях Республики Беларусь в разные сезоны года.

Принципы гидрологического районирования. Гидрологическое районирование территории Республики Беларусь. Сравнительная характеристика гидрологических районов.

Классификации рек по источникам питания и водному режиму (классификации М.И. Львовича и Б.Д. Зайкова).

 

Водный баланс речного водосбора и реки

Уравнение водного и водохозяйственного балансов водосбора, речной системы и участка реки за многолетний период, гидрологический год, сезон и за периоды паводка и половодья. Русловые запасы воды и способы их расчета. Кривые истощения русловых запасов воды.

Влияние физико-географических условий (рельефа, почвенно-геологических условий, лесов, болот, озер) и хозяйственной деятельности человека на сток и составляющие водного баланса бассейна. Естественная и искусственная зарегулированность стока. Методы количественной оценки влияния хозяйственной деятельности на элементы водного баланса.

 

Речной сток. Методы его расчетов и прогнозов

Основные характеристики стока. Методы исследований речного стока. Цикличность в многолетних колебаниях годового стока и их причины. Пространственное и временное распределение стока. Зависимость его от климатических факторов и аккумуляции воды в бассейне реки. Основные черты сезонного распределения стока на территории Республики Беларусь. Средний многолетний годовой сток (норма стока). Методы и точность его определения при наличии данных гидрометрических наблюдений за стоком. Методы пространственно-временного обобщения и анализа данных наблюдений за количественными и качественными характеристиками стока и формирующими его факторами. Карты нормы стока. Влияние зональности и высотной поясности физико-географических факторов на распределение нормы стока; азональные факторы стока и их учет при определении нормы стока.

Применение теории вероятностей к анализу многолетних колебаний годового стока и к расчетам его величины различной обеспеченности. Используемые в этих расчетах типы кривых распределений, параметры кривых и точность их определения.

Внутригодовое распределение стока. Зависимость его от климатических факторов и аккумуляции воды в бассейне реки. Основные черты сезонного распределения стока на территории Республики Беларусь. Влияние леса, болот и озер на сток.

Методы прогнозов месячного и квартального стока рек по данным о запасах и распределении воды в русловой сети бассейна, а также притоке воды в нее.

Весеннее половодье на равнинных реках и факторы его формирования. Потери талой воды за время снеготаяния на инфильтрацию, испарение и поверхностное задержание. Основные характеристики весеннего половодья на реках Республики Беларусь. Влияние леса на половодье. Методы расчета максимального расхода воды половодья при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений за стоком. Проектирование расчетных гидрографов реки за период половодья при наличии и отсутствии многолетних наблюдений за стоком.

Долгосрочные прогнозы стока за период весеннего и весенне-летнего половодья равнинных и горных рек.

Дождевые паводки. Связь между продолжительностью, интенсивностью и повторяемостью ливней; связь между интенсивностью и площадью выпадения ливня. Способы расчета интенсивности ливней различной вероятности. Способы расчета потерь дождевых вод за время формирования паводка.

Современные методы математического моделирования процессов формирования речного стока. Концептуальные модели формирования стока на водосборе с сосредоточенными параметрами. Физико-математические модели формирования стока на водосборе с распределенными параметрами. Уравнения стекания воды по руслу и их численное решение. Уравнения влаго- и теплопереноса в зоне аэрации и их численное решение. Численное моделирование формирования снежного покрова и снеготаяния. Краткосрочные прогнозы гидрографов дождевых паводков и половодий на основе математических моделей формирования стока.

Меженный и минимальный сток и его факторы. Методы расчета стока рек в маловодный период года при наличии, недостаточности и отсутствии данных гидрологических наблюдений. Пересыхание и перемерзание рек. Экологический сток, основные подходы и методы его определения.

Влияние хозяйственной деятельности на речной сток. Статистический и балансовые методы его оценки. Метод учетного руслового баланса.

 

Речные наносы и русловые процессы

Склоновая и русловая эрозия. Образование и состав наносов, механизм взвешивания наносов. Гидравлическая крупность наносов. Теории движения взвешенных наносов; закономерность распределения наносов в речном потоке. Транспортирующая способность потока. Влекомые наносы и механизм их движения. Методы измерения расхода и стока наносов на гидрологических станциях.

Расход и сток взвешенных наносов и способы их определения. Сезонные и многолетние изменения стока и расхода наносов. Сток наносов в периоды паводков и половодья. Расход влекомых наносов, движение песчаных гряд. Влияние хозяйственной деятельности на сток наносов. Расчет занесения и заиления водохранилищ.

Русловой процесс. Макро-, мезо- и микроформы транспорта наносов и речного русла. Типы русловых процессов. Свободное и ограниченное меандрирование. Понятие о знакопеременных (обратимых) и направленных (необратимых) русловых деформациях. Русла прямолинейные, извилистые, разветвленные на рукава. Плесы и перекаты. Сезонные деформации перекатов. Пойма и ее гидравлические характеристики; типизация пойм.

Влияние на русловой процесс естественных и антропогенных изменений стока воды и наносов, изменение общего базиса эрозии.

Количественные характеристики руслового процесса разных типов. Гидролого-морфометрические зависимости; способы расчета русловых деформаций. Учет руслового процесса при строительном проектировании.

Устойчивость русла и ее количественные показатели. Устьевые области рек. Особенности водного и руслового режима устьев рек.

 

Термический и ледовый режим рек

Термический режим рек. Основные черты термического режима рек Республики Беларусь и его связь с климатом и источниками питания рек. Уравнение теплового баланса участка реки; основные составляющие баланса и способы их расчета. Фазы ледового режима рек: замерзание, установление ледостава и вскрытие рек. Термические условия появления плавучего льда. Образование внутриводного льда, шуги. Процесс установления ледостава. Нарастание ледяного покрова. Методика расчета толщины льда. Снежный лед. Наледи. Внутриводный лед, зажоры. Процессы таяния, разрушения ледяного покрова на реках, тепловой и механический факторы вскрытия рек. Ледоход. Особенности вскрытия рек Республики Беларусь. Заторы льда.

Краткосрочные прогнозы ледовых явлений на реках. Долгосрочные прогнозы сроков замерзания и вскрытия рек.

 

Озера, водохранилища и пруды

Озера и озерно-речные системы Республики Беларусь. Происхождение и типы озерных котловин. Крупнейшие сточные и бессточные озера мира. Типы водохранилищ, прудов, проектные и наблюденные их характеристики. Основные морфометрические характеристики водоемов и особенности их определения. Объемная и батиграфическая кривые озер и водохранилищ и их практическое применение.

Уравнение водного баланса водоема за многолетний период, год, месяц. Основные составляющие этого баланса и способы его расчета. Роль величины удельного водосбора и гидроклиматических условий в формировании структуры среднего годового водного баланса водоемов, их воднобалансовая классификация. Виды регулирования стока. Полное (глубокое) и неполное регулирование стока. Водообмен водоемов. Многолетние и сезонные колебания уровня воды в озерах. Типизация озер и водохранилищ по уровневому режиму, водообмену. Внешний и внутренний водообмен.

Уравнение теплового баланса водоема, основные его составляющие и способы их расчета. Термический режим озер в условиях умеренного климата. Особенности нагревания и охлаждения водных масс водоемов. Вертикальная и горизонтальная неоднородность водных масс. Циркуляции и стагнация воды в озере. Стратификация. Слой скачка, его колебания и устойчивость, влияние на развитие жизни в озере. Конвективное перемешивание водной толщи, упорядоченное перемешивание озер. Термические классификации озер. Замерзание и вскрытие озер и водохранилищ.

Течения в озерах и водохранилищах – градиентные и ветровые. Колебания водной поверхности и циркуляция воды при сгонах и нагонах. Расчет величины нагона. Сейши. Понятие о теории волн зыби, ветровое волнение и факторы, определяющие параметры ветровых волн на водоемах. Динамические перемешивания воды в водоемах.

Оптические свойства воды в водоемах и ослабление ее освещенности с глубиной. Зоны освещенности. Прозрачность, цвет и мутность воды. Прозрачность как фактор статуса озера. Озерная седиментация и седиментогенез. Баланс взвешенных веществ. Неполный гидрологический цикл органического вещества. Формирование донных отложений и их классификация. Формирование берегов и заиление водохранилищ.

Понятие о водных массах озер и водохранилищ. Круговорот биогенных и органических веществ в водоемах и роль в нем водных организмов. Газовый режим озер и водохранилищ. Особенности термического и газового режима озер с соленой водой, их донные отложения.

Влияние озер, водохранилищ и прудов на водный, тепловой, химический сток рек, сток наносов и природные условия побережий. Воздействие хозяйственной деятельности на гидрологический и химический режим озер, водохранилищ и прудов.

 

Гидрология болот

Образование болот и заболоченность территории. Понятие о болотном массиве. Типы болот. Образование болот. Строение торфяных болот, их типы. Водный баланс болот, их тепловой и водный режим. Движение воды в торфяном массиве. Особенности фильтрации в торфе. Стекание воды с болотного массива. Изменение водного режима болот при добыче торфа и осушительной мелиорации. Повторное заболачивание. Оценка, моделирование и прогноз антропогенных воздействий на водный и гидрохимический режим болот и их последствий.

 

Гидрохимия поверхностных вод

Вода как универсальный растворитель. Химический состав природных вод. Характеристика компонентов состава природных вод: главные ионы (макроэлементы), микроэлементы, биогенные элементы, растворенные газы, ионы водорода. Величина минерализации. Пресные и соленые воды. Основные факторы формирования химического состава природных вод. Гидрохимический фон.

Классификация поверхностных вод по величине минерализации и химическому составу. Способы графического изображения химического состава воды.

Гидрохимия местного стока. Гидрохимия рек. Пространственно-временная неоднородность химического состава речных вод. Сток растворенных веществ. Характеристики ионного стока и методы его расчета.

Химический состав воды озер, водохранилищ и прудов, баланс растворенных веществ. Особенности гидрохимии минеральных озер. Особенности формирования химического состава подземных вод.

 

Загрязнение и мониторинг качества поверхностных вод

Загрязнение водотоков и водоемов. Источники и возможные пути поступления загрязняющих веществ в водные объекты. Группы загрязняющих веществ и их показатели. Классификация загрязняющих веществ по виду воздействия на водную экосистему. Характеристика наиболее опасных поллютантов. Природное и антропогенное эвтрофирование водных объектов.

Химический состав сточных вод, образующихся от различных видов экономической деятельности.

Трансформация загрязняющих веществ в водоемах и водотоках. Моделирование самоочищения и кислородного режима водотоков. Имитационное моделирование круговорота веществ и биологической продуктивности водоемов. Гидрохимические исследования на водных объектах. Методы и организация гидрохимических наблюдений и исследований. Качество вод и методика их оценки. Стационарные, специальные и экспедиционные наблюдения. Мониторинг поверхностных вод в составе НСМОС. Основные принципы размещения пунктов наблюдения за качеством воды. Программа и сроки наблюдений. Методы химического анализа природных вод.

 

Рациональное использование и охрана водных ресурсов

Законодательство об охране и использовании вод Республики Беларусь. Основные положения водного кодекса Республики Беларусь. Использование водных ресурсов. Потребности отдельных отраслей экономики в воде с учетом ее количества и качества. Государственный учет вод и водный кадастр. Организация системы статистических наблюдений об использовании воды в Республике Беларусь. Методические основы расчета водохозяйственных балансов. Правовые основы охраны и использования поверхностных вод в Республике Беларусь.

Критерии и стандарты качества воды. Нормирование в области охраны и использования вод. Показатели качества воды поверхностных водных объектов. Методы, применяемые при оценке качества воды. Экологический статус поверхностных водных объектов. Оценка, моделирование и прогноз антропогенных воздействий на водный и гидрохимический режим водных объектов и их последствий.

Управление водными ресурсами. Научные основы обеспечения гидроэкологической безопасности территорий и хозяйственных объектов, экономически эффективного и экологически безопасного водопользования. Планирование хозяйственной деятельности в областях повышенного риска опасных гидрологических процессов, защиты водных объектов от истощения, загрязнения, деградации, оптимальных условий существования водных и наземных экосистем. Гидрометеорологическая безопасность Республики Беларусь.

Восстановление водных и околоводных экосистем. Методы управления гидроэкосистемами. Восстановление озер. Управление качеством воды. Очистка природных и сточных вод.

 

Основная литература

  1. Алексеевский Н. И. Гидрофизика: учебник для студ. вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 176 с.
  2. Волчек А. А., Лопух П. С., Волчек Ан. А. Гидрологические расчеты: учебное пособие. – Минск: БГУ, 2019. – 316 с.
  3. Барышников Н. Б. Динамики русловых потоков: учебник. – СПб: РГГМУ, 2016. – 342 с.
  4. Водные ресурсы Беларуси и их прогноз с учетом изменения климата / А. А. Волчек [и др.]; под общ. ред. А. А. Волчека, В. Н. Корнеева. – Брест: Альтернатива, 2017. – 239 с.
  5. Георгиевский Ю. М., Шаночкин С. В. Гидрологические прогнозы: учебник. – СПб: РГГМУ, 2007. – 436 с.
  6. Левкевич В. Е. Динамическая устойчивость берегов водохранилищ Беларуси. – Минск: Право и экономика, 2015. – 306 с.
  7. Логинов В. Ф. Управление гидрометеорологическими данными. – Минск: БГУ, 2002. – 174 с.
  8. Лопух П. С. Гідраграфія Беларусі. – Минск: БГУ, 2004. – 204 с.
  9. Лопух П. С. Гідралогія сушы. – Минск: БГУ, 2009. – 198 с.
  10. Лопух П. С., Якушко О. Ф. Общая лимнология: курс лекций. – Минск: БГУ, 2011. – 340 с. [Электронный ресурс].
  11. Михайлов В. Н., Добровольский А. Д., Добролюбов С. А. Гидрология. – М.: Высшая школа, 2007. – 463 с.
  12. Никаноров А. М. Гидрохимия: учебник. – СПб: Гидрометеоиздат, 2001. – 444 с.
  13. Расчетные гидрологические характеристики. Порядок определения. Технический кодекс установившейся практики ТКП 45-3.04-168-2009 (02250). – Минск: РУП «Стройтехнорм», 2010. – 55 с.
  14. Российский гидрометеорологический энциклопедический словарь: в 3 т.; под ред. А. И. Бедрицкого. – СПб; М.: Летний сад, 2009.

 

Дополнительная литература

  1. Алексеевский Н. И. Формирование и движение речных наносов. – М.: Изд-во МГУ, 1998. – 202 с.
  2. Гидрологический мониторинг Республики Беларусь; под общ. ред. А. И. Полищука, Г. С. Чекан. – Минск: Кнiгазбор, 2009. – 268 с.
  3. Власов Б. П. Антропогенная трансформация озер Беларуси: геоэкологическое состояние, изменения и прогноз. – Минск: БГУ, 2004. – 207 с.
  4. Волчек А. А., Шелест Т. А. Паводки на реках Беларуси: Монография. – Брест: Брест. гос. ун-т им. А. С. Пушкина, 2016. – 199 с.
  5. Волчек А. А., Грядунова О. И. Минимальный сток рек Беларуси: Монография. – Брест: Брест. гос. ун-т им. А.С. Пушкина, 2010. – 300 с.
  6. Кирвель И. И. Пруды Беларуси как антропогенные водные объекты, их обслуживание и режим. – Минск: БГПУ, 2005. – 234 с.
  7. Ландшафтные воды в условиях техногенеза / О. В. Кадацкая [и др.]. – Минск: Беларуская навука, 2005. – 345 с.
  8. Логинов В. Ф., Волчек А. А., Волчек Ан. А. Весенние половодья на реках Беларуси: пространственно-временные колебания и прогноз. – Минск: Беларуская навука, 2014. – 244 с.
  9. Логинов В. Ф., Волчек А. А. Водный баланс речных водосборов Беларуси. – Минск: Тонпик, 2006. – 160 с.
  10. Лопух П. С. Закономерности формирования природы водоемов замедленного водообмена, их использование и охрана. – Минск: БГУ, 2000. – 332 с.
  11. Максименко Ю. Л., Кудряшова Г. Н. Охрана водных ресурсов. – М.: АСВ, 2015. – 256 с.
  12. Яковлев С. В., Губий И. Г., Павлинова И. И. Комплексное использование водных ресурсов. – М.: Высшая школа, 2008. – 383 с.