Гидроло́гия су́ши (гидрология поверхностных вод суши), раздел гидрологии, изучающий водные объекты суши – реки, озёра, водохранилища, болота, ледники.

Структура гидрологии суши

Подразделяется по объектам исследования на гидрологию рек (потамология), гидрологию озёр (лимнология, или озероведение), гидрологию водохранилищ, гидрологию болот и гидрологию ледников. Гидрология болот рассматривается также как раздел болотоведения, а гидрология ледников – гляциологии. В качестве самостоятельных разделов гидрологии суши выделяют гидрологию морских устьев рек, пограничную между гидрологией рек и океанологией.

Гидрология суши исследует гидрологический режим поверхностных вод суши и происходящие в них процессы при взаимодействии с атмосферой, литосферой, биосферой, а также с учётом влияния хозяйственной деятельности человека.

В гидрологии суши выделяются два направления – географическое и геофизическое. Первое изучает географическое положение водных объектов, закономерности изменения характеристик их вод по территории и во времени. Геофизическое направление акцентирует своё внимание на физических процессах, связанных с водой в гидросфере, литосфере и атмосфере.

К основным областям исследований и задачам гидрологии суши относятся:

• распределение вод суши и разных водных объектов суши на Земле, материках, в разных географических зонах и государствах;

• пространственно-временные закономерности гидрологического режима и гидрологических процессов в водах суши: в водных объектах разного типа (реки, озера, водохранилища, болота, ледники, подземные воды);

• процессы взаимодействия водных объектов разного типа;

• воздействия синоптических процессов, климата и его изменений на гидрологический режим и гидрологические процессы в водных объектах суши;

• оценка воздействия хозяйственной деятельности (искусственного преобразования поверхности речных бассейнов, мелиорации земель, сооружения гидроузлов и водохранилищ, водозабора) на поверхностные и подземные воды суши, на гидрологический режим рек, озёр, водохранилищ, подземных вод; на орошение земель и водообеспечение городского хозяйства, населения и промышленности;

• оценка современных количественных характеристик водных ресурсов и качества воды на разных уровнях: континентов, государств, речных бассейнов, административных образований;

• изучение естественных и антропогенных изменений водных ресурсов в прошлом, настоящем и их прогнозирование;

• разработка научных основ рационального использования и охраны водных ресурсов;

• разработка научных основ гидрологического мониторинга разных типов водных объектов.

Методы гидрологических исследований

Гидрология суши располагает большим количеством взаимодополняющих методов изучения гидрологических процессов, важнейшее место среди которых занимают полевые исследования, подразделяющиеся на экспедиционные и стационарные. Первые из них заключаются в проведении относительно кратковременных (от нескольких дней до нескольких лет) экспедиций на водные объекты, вторые – в проведении длительных (обычно многолетних) наблюдений на специальных гидрологических станциях и постах. Обычно при гидрологических исследованиях сочетают экспедиционный и стационарный методы. Широко применяются дистанционные методы наблюдения и измерений. Огромные возможности даёт использование космических методов изучения состояния водных объектов. Снимки со спутников позволяют вести наблюдения за замерзанием и вскрытием рек, разливами и наводнениями, ледяными заторами, состоянием ледников. Получают распространение полностью автономные (работающие без участия людей) гидрологические посты с автоматическими установками, осуществляющими наблюдение за режимом рек, озёр, ледников и передающими информацию в центры сбора и анализа данных.

Широко используются методы экспериментальных исследований. Различают эксперименты, проводимые в лабораториях и в природных условиях. В первом случае на специальных лабораторных установках проводят эксперименты, полностью контролируемые исследователем. Моделируют и изучают различные режимы движения воды и наносов, размывы речного русла, гидрохимические процессы и т. д. Во втором наблюдения осуществляют на небольших типовых участках природных объектов, специально выбранных для детальных исследований. Для изучения отдельных процессов проводят наблюдения на т. н. экспериментальных площадках на склонах речных бассейнов, «экспериментальных водосборах».

Установить связи между различными гидрологическими характеристиками или между ними и другими факторами (рельефом, высотой местности, осадками, скоростью ветра и др.) в конкретных природных условиях, а также оценить вероятность и время наступления того или иного гидрологического явления помогают статистические методы, использующие современные приёмы обработки данных наблюдений и математической статистики. Завершающим этапом исследований во многих случаях становятся теоретические обобщения и анализ. Теоретические методы в гидрологии суши базируются, с одной стороны, на законах физики, а с другой – на географических закономерностях пространственно-временны́х изменений гидрологических характеристик. Среди этих методов на первый план выходят методы математического моделирования, системного анализа, гидролого-географических обобщений, включая гидрологическое районирование и картографирование, геоинформационные технологии.

Как часть гидрологии, гидрология суши прежде всего взаимодействует с другими её разделами – гидрометрией, гидрографией, прикладной (инженерной) гидрологией и др. Она относится к географическим наукам и тесно связана с другими разделами географии – метеорологией и климатологией, геоморфологией, гляциологией, ландшафтоведением и т. д., а также с другими естественными науками – геологией, биологией и др. Многие общие законы гидрологии суши установлены с привлечением фундаментальных наук – физики, химии, математики.

Очерк развития науки

К числу первых известных гидрологических работ относятся гидрометрические наблюдения древних египтян за колебаниями уровня воды в Ниле на «ниломерах». Древнегреческий философ Фалес считал, что в основе всех явлений лежит «влажная природа», т. е. вода, всё возникает из воды и в неё превращается; Гераклит полагал, что в основе всего сущего лежит круговорот веществ (стихий) – огня, воздуха, воды и земли, ему принадлежит знаменитый образ реки, в которую нельзя войти дважды. Геродот провёл первые исследования Нила и Дуная (Истра). О происхождении рек и источников вод размышляли Платон и Аристотель. Витрувий занимался поиском подземных вод. Герон Александрийский первым предположил, что расход воды равен произведению площади поперечного сечения потока на скорость течения. О познаниях древних римлян в гидрологии и гидротехнике свидетельствуют римские акведуки. Леонардо да Винчи одним из первых дал правильное толкование происхождения рек, выделив роль дождевых и подземных вод, наблюдал за динамикой водного потока. Дальнейший прогресс в развитии гидрологических знаний приходится на 17 в. Впервые термин «гидрология» появился в конце 17 в. в книге Э. Мельхиора «Гидрология в трёх частях». Как научная дисциплина гидрология берёт свое начало в 1674 г., с появления книги Пьера Перро «О происхождении источников». Гидрологические исследования проводил Р. Декарт. Первые количественные оценки водных объектов принадлежат П. Перро (брату Ш. Перро), рассчитавшему, что дождевой воды вполне достаточно для поддержания стока рек, продолжил эти исследования Э. Мариотт. Роль испарения в гидрологических процессах впервые оценил Э. Галлей, он сформулировал представление о круговороте воды в природе и дал ему приближенную количественную оценку. 18–19 вв. ознаменовались быстрым развитием гидравлики, предопределившей в последующем прогресс в различных разделах гидрологии суши. Большой вклад в науку внесли французские инженеры А. Шези и А. Дарси, швейцарский учёный Д. Бернулли, ирландский учёный Р. Маннинг. В 20 – начале 21 вв. за рубежом преимущественно развиваются гидрологические прогнозы и расчёты, прикладные инженерные направления, связанные с гидростроительством, водоснабжением, транспортом, предупреждением природных катастроф и др.

Гидрологические наблюдения в России проводятся с 15 в.: в записях русских летописцев сохранились сведения о наводнениях, паводках, замерзании и вскрытии рек. Данные о реках и озёрах приведены в «Книге Большому ("Старому") чертежу» – приложении к «Большому чертежу всему государству Московскому», одной из первых карт России, составленной в 1600 или около 1598 гг. и уточнённой в 1627 г. В 1773 г. эти сведения были переизданы Н. И. Новиковым под названием «Древняя российская идрография, содержащая описание Московского государства рек, протоков, озёр, кладезей и какие по ним города и урочища и на каком они расстоянии». В 17 в. начались наблюдения за уровнем воды на реке Москва. При Петре I проводились первые гидрологические изыскания для судоходства на Дону, Оке, Волге. В 1715 г. были организованы постоянные наблюдения за режимом Невы у Петропавловской крепости.

В начале 18 в. в России был составлен целый ряд проектов по судоходному соединению отдельных рек, в том числе Волги и Дона, проводились изыскания по строительству ряда водных систем: Тихвинской, Вышневолоцкой. Во второй половине 18 в. был осуществлён ряд экспедиций по сбору данных о водных объектах России. В 1798 г. учреждается Департамент водных коммуникаций, организующий планомерное обследование водных путей.

Крупные гидрографические работы на реках провела созданная в 1875 г. при Министерстве путей сообщения навигационно-описная комиссия. В 1881 г. появилась первая сводка данных об уровнях воды на реках России. Ценные материалы по гидрографии дали экспедиции П. П. Семёнова-Тян-Шанского и Н. М. Пржевальского. В конце 19 в. в России были опубликованы крупные обобщающие работы известных естествоиспытателей В. М. Лохтина, Н. С. Лелявского, В. В. Докучаева, А. И. Воейкова, заложившие основы учения о реках. Широкое развитие гидрологических изысканий и исследований, направленных на комплексное использование водных ресурсов для судоходства, гидроэнергетики и орошения, началось в 1920-х гг. В 1919 г. был создан российский (с 1926 государственный) Гидрологический институт. В 1920 г. был принят план электрификации России (план ГОЭЛРО), выполнение которого потребовало проведения широких гидрологических исследований, осуществлённых с участием В. Г. Глушкова и Е. В. Близняка.

В 1929 г. создана Гидрометеорологическая служба СССР, на которую возлагалось проведение гидрологических наблюдений и исследований. В 1931 г. начались работы по составлению Водного кадастра СССР – систематизированных сведений о режиме рек, озёр, морей, ледников, подземных вод, которыми на первом этапе руководил Л. К. Давыдов. До Великой Отечественной войны усилиями Е. В. Близняка, М. А. Великанова, В. Г. Глушкова, Д. И. Кочерина, С. Д. Муравейского, Б. В. Полякова, Д. Л. Соколовского и др. были разработаны теоретические основы гидрологии суши как самостоятельной науки. В послевоенные годы для восстановления и дальнейшего развития народного хозяйства страны было необходимо значительно расширить гидрологические изыскания и исследования для крупного гидроэнергетического строительства на Днепре и Волге, провести мелиоративные мероприятия на юге Европейской части СССР и в Средней Азии, улучшить судоходные условия на Волге и сибирских реках, обеспечить водой промышленность, сельское хозяйство и население.

Существенный вклад в развитие гидрологии суши в эти годы внесли П. С. Кузин, Л. К. Давыдов, Б. Д. Зайков, Г. В. Лопатин, Б. А. Аполлов, Д. Л. Соколовский, А. В. Огиевский, А. Н. Бефани, А. В. Караушев, И. А. Шикломанов и многие другие.

Во 2-й половине 20 в. крупный вклад в развитие науки внесли: в области теплового и водного баланса – М. И. Будыко, М. И. Львович, Н. И. Коронкевич, В. А. Троицкий и др.; в гидрологические прогнозы – Б. А. Аполлов, Г. П. Калинин и др.; в изучение: речного стока, расчёта его параметров, гидрологического районирования – А. М. Владимиров, С. Н. Крицкий, М. Ф. Менкель и др.; внутригодового распределения и регулирования стока – А. В. Огиевский, Г. Г. Сванидзе и др.; водных ресурсов – К. П. Воскресенский, А. А. Соколов, А. И. Чеботарёв, И. А. Шикломанов и др.; стока наносов и русловых процессов – Г. В. Лопатин, Н. И. Маккавеев, Р. С. Чалов и др. Исследования озёр и водохранилищ проводили Л. С. Берг, Г. Ю. Верещагин, Л. Л. Россолимо, Б. Б. Богословский, С. Л. Вендров, А. Б. Авакян, Ю. М. Матарзин, А. И. Тихомиров, Н. В. Буторин, В. М. Широков, К. К. Эдельштейн и др.; ледников – Г. Н. Голубев, С. В. Калесник, Г. К. Тушинский, В. М. Котляков, и др.; устьев рек – В. Н. Михайлов; водного режима болот – А. Д. Дубах, К. Е. Иванов и др.; подземных вод – А. Ф. Лебедев, О. К. Ланге, О. В. Попов, Б. И. Куделин и др. В это время велись крупные гидрологические исследования по всей территории СССР.

Значительный импульс получило международное сотрудничество. Большой вклад в развитие гидрологии суши внесло Международное гидрологическое десятилетие (МГД), учреждённое ЮНЕСКО на 1965–1974 гг. С 1975 г. осуществляется постоянно действующая Международная гидрологическая программа (МГП) ЮНЕСКО, в которой активно участвуют гидрологи России из различных учреждений. Важным вкладом советских гидрологов в МГП стал капитальный труд «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли» (1974) с сопутствующим Атласом мировых водных ресурсов. Опубликованы такие крупнейшие гидрологические обобщения, как монографии Г. П. Калинина «Проблемы глобальной гидрологии» (1968) и М. И. Львовича «Мировые водные ресурсы и их будущее» (1974).

С 1978 г. проводятся работы по Государственному водному кадастру (ГВК), который представляет собой систематизированный, постоянно пополняемый и уточняемый свод сведений о водных объектах, составляющих единый государственный водный фонд, о режиме, качестве и использовании вод. ГВК состоит из трёх разделов: 1) поверхностные воды (реки и каналы, озёра и водохранилища, качество вод суши, селевые потоки, ледники, моря и морские устья рек), 2) подземные воды, 3) использование вод. Данные ГВК подразделяются на архивные материалы (книжки наблюдений, таблицы и др.), долговременные технические носители информации (микрофильмы, магнитные ленты), публикуемые материалы (каталоги водных и водохозяйственных объектов, ежегодные и многолетние данные о режиме и др.). «Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши» служат продолжением издававшихся до 1978 г. «Гидрологических ежегодников» и «Материалов наблюдений на озёрах и водохранилищах». В рамках ГВК создаются банк данных о водных ресурсах и автоматизированная информационная система (АИС ГВК). Заметными вехами в развитии гидрологии суши стали всесоюзные гидрологические съезды (1924, 1928, 1957, 1973, 1986) и всероссийские гидрологические съезды (2004, 2013).

В комплексе мер, осуществляемых в России по защите водных ресурсов от истощения и загрязнения, особая роль принадлежит введённой в 1970-х гг. системе мониторинга качества поверхностных вод, осуществляемой Государственной службой наблюдений и контроля за загрязнением объектов природной среды. В конце 20 – начале 21 вв. проводятся исследования реакции вод суши на крупномасштабные изменения климата и оценка изменений режима водных объектов суши под влиянием хозяйственной деятельности. В 2003 г. Государственный гидрологический институт опубликовал фундаментальный труд «Мировые водные ресурсы на рубеже XXI века».

Практическое значение

Эксплуатация водных ресурсов, оценка эффективности их использования невозможны без научного обоснования и соответствующих гидрологических исследований. Гидрология суши обеспечивает водопотребителей и водопользователей данными о гидрологическом режиме водных объектов (количестве и качестве воды, пространственно-временны́х изменениях гидрологических характеристик), представляет гидрологические прогнозы. Промышленность и коммунальное хозяйство заинтересованы в оценке количества и качества потребляемой воды, орошаемое земледелие – в данных о режиме источника, из которого осуществляется водозабор. При строительстве на берегах рек (набережных, причалов и др.), а также сооружении мостов, переходов трубопроводов и линий электропередачи (ЛЭП) через реки требуются знания об уровнях воды, ледовых явлениях, скоростях течения, русловых процессах (размыва или намыва дна и берегов). Речной водный транспорт использует сведения об уровнях воды, скоростях течения, ледовых явлениях, русловых процессах; гидроэнергетика – о современных и ожидаемых колебаниях стока воды; рыбное хозяйство – о физико-химических характеристиках воды (температуре, минерализации, содержании кислорода и т. д.). Велика роль гидрологических исследований и в решении такой проблемы, как защита населённых пунктов и земель от наводнений. Особую актуальность приобретают исследования и прогнозы наводнений на реках, вызванных дождевыми паводками или ледяными заторами, а в устьях рек – штормовыми нагонами. Большое значение имеет разработка кратко-, средне- и долгосрочных прогнозов состояния водных объектов.

Современная тенденция развития оперативной гидрологии в мире ориентируется на разработку и внедрение автоматизированных систем прогнозирования и предупреждения об опасных гидрологических явлениях на водоёмах суши. Принципиальной особенностью этих систем является автоматизация процессов сбора, доставки, первичной обработки информации, составления, обсуждения и доведения гидрологических прогнозов до потребителей.

Важна роль гидрологии суши в решении проблем охраны природы, при разработке мероприятий по защите водных объектов от истощения и загрязнения. Гидрологи ведут контроль за состоянием качества воды, разрабатывают приёмы прогноза распространения загрязняющих веществ.

При научном обосновании водохозяйственных мероприятий внимание уделяется гидрохимическим и гидробиологическим аспектам с целью обязательного поддержания благоприятного экологического состояния окружающей среды и биоразнообразия и уменьшения возможных отрицательных последствий хозяйственных мероприятий для природных условий и, в частности, качества вод.

Важнейшая задача гидрологии – текущая оценка водных ресурсов и долгосрочное прогнозирование водообеспеченности страны, разработка современных и перспективных водохозяйственных балансов речных бассейнов с учётом усиления антропогенного влияния на водные объекты в условиях возможного изменения климатической ситуации; дальнейшее развитие исследований по изучению компонентов глобального гидрологического цикла в условиях интенсивного использования водных ресурсов и глобальных изменений климата. Перспективной и актуальной темой гидрологических исследований является разработка технологий оценки характерных расходов воды для трансграничных и пограничных рек России в условиях дефицита или отсутствия данных гидрологического мониторинга.

Научные организации и периодические издания

В России исследованиями в области гидрологии суши и внедрением научных разработок в практику занимаются Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, (Росгидромет), которой подчинены региональные управления гидрометеослужбы (УГМС), а им – местные центры по гидрометеорологии (ЦГМС) и разветвлённая гидрометеорологическая сеть.

В систему Росгидромета входят крупные научно-исследовательские учреждения в области гидрометеорологии: Государственный гидрологический институт (ГГИ) в Санкт-Петербурге, Государственный океанографический институт имени Н. Н. Зубова (ГОИН) в Москве, Государственный гидрохимический институт (ГХИ) в Ростове-на-Дону, Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации (Гидрометцентр России) в Москве, Главная геофизическая обсерватория имени А. И. Воейкова (ГГО) в Санкт-Петербурге, Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных (ВНИИГМИ – МЦД) в Обнинске, Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ) в Санкт-Петербурге и др.

Научными исследованиями в области гидрологии суши занимаются научные учреждения РАН, в том числе Институт Географии РАН, Институт водных проблем РАН, Институт озероведения, Институт географии СО (с 1957; г. Иркутск), Институт водных и экологических проблем СО (с 1987; г. Барнаул), Лимнологический институт СО (г. Иркутск), Федеральное агентство водных ресурсов (с 2004), а также учебные заведения: Российский государственный гидрометеорологический университет (Санкт-Петербург), кафедры МГУ имени М. В. Ломоносова, Пермского, Томского, Иркутского, Башкирского, Дальневосточного (г. Владивосток) государственных университетов и др.

Гидрологические исследования в России проводит также ряд ведомственных институтов – Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов, Гидропроект, Гипроречтранс и др.

Отношения в области использования и охраны водных ресурсов России регулируются Водным кодексом. Управление использованием и охраной водных ресурсов нашей страны осуществляет Федеральное агентство водных ресурсов при Министерстве природных ресурсов Российской Федерации.

Исследования в области гидрологии суши координируют международные организации: ЮНЕСКО (UNESCO, Department of Water Sciences – координация действий в области науки и образования), Всемирная метеорологическая организация (WMO, Devision of Hydrometeorology – координация в области оперативной гидрологии), Международная ассоциация водных ресурсов (IWRA), Международная ассоциация гидрологических наук (IAHS), Международная ассоциация гидравлических исследований (IAHR) и др.

Российские периодические издания, публикующие материалы в области гидрологии суши: «Метеорология и гидрология» (с 1935); «Гидротехника и мелиорация» (1949–1987), в 1988 г. переименовано в «Мелиорацию и водное хозяйство»; «Водные ресурсы» (с 1972), «Водное хозяйство России» (с 1999), «Труды Государственного гидрологического института» (с 1936); «Труды Гидрометцентра РФ» (с 1947), основаны как «Труды Центрального института прогнозов», с 2018 г. современное название – «Гидрометеорологические исследования и прогнозы»; «Океанология. Гидрология суши. Гляциология» Всероссийского института научной и технической информации (обзор научных публикаций по данной тематике). Международные гидрологические периодические издания: Water Resources Research, Hydrological Sciences Journal, Journal of Hydrology, Hydrological Processes, Journal of Hydrologic Engineering, Hydrology and Earth System Sciences, Journal of Environmental Hydrology, Water, IAHS Publication series и др.