Hydrologia ogólna - ebook

WSTĘP

„Bez wody nie ma życia; woda jest cennym,

nieodzownym dobrem dla człowieka”

– Europejska Karta Ochrony Wód

Woda jest niezwykłą substancją Wszechświata. Jej obfitość na Ziemi i występo­wanie w wielu postaciach jest zjawiskiem unikatowym w naszym systemie słonecznym (Allen 2000). Ten skarb przyrody jest podstawą życia na Ziemi – stanowi istotny czynnik biologiczny i główną substancję żywej materii, decyduje o większości przemian (fizycznych, chemicznych i biologicznych) zachodzących w powłoce krajobrazowej, czyli epigeosferze, jednocześnie odgrywa rolę głównego czynnika kształtowania krajobrazu Ziemi. Dostępność wody jest nieodzowna dla funkcjono­wania biosfery – nie tylko wchodzi w skład organizmów żywych i jest ich środowiskiem, ale również utrzymuje całe środowisko przyrodnicze w równowadze, pełniąc w tym środowisku funkcję „środka transportu” energii i materii.

Woda ma unikatowe właściwości, które często są nazywane paradoksami. Jest ona jedyną substancją na Ziemi występującą w przyrodzie w trzech stanach skupienia: gazowym (jako para wodna), ciekłym i stałym (lód i śnieg) i stosunkowo łatwo przechodzi z jednego stanu w drugi, pobierając lub uwalniając ciepło i nie zmieniając przy tym temperatury (ryc. I). Zmiany stanu skupienia wody (na powierzchni Ziemi i w atmosferze) stanowią jeden z mechanizmów nieradiacyjnej wymiany ciepła między podłożem i atmosferą. W stanie naturalnym większa część wody ma postać cieczy, dzięki odpowiedniej temperaturze i ciśnieniu na Ziemi. Te korzystne dla stanu ciekłego wody warunki termiczne naszej planety kształtuje obieg ciepła silnie uwarunkowany obecnością wody w atmosferze w jej wszystkich stanach skupienia (para wodna, kryształki lodu i kropelki wody zawieszone w chmurach). Ponadto para wodna jest jednym z „gazów cieplarnianych”, który odpo­wiada (według różnych autorów w 60–95%) za tzw. efekt cieplarniany (Kossowska-Cezak, Bajkiewicz-Grabowska 2008). Każda z postaci wody jest niezwykła.

Ryc. I. Zmiany temperatury wody podczas podgrzewania

Źródło: Kossowska-Cezak, Bajkiewicz-Grabowska 2008.

1. Woda zamarzając, zwiększa objętość, podczas gdy wszystkie inne substancje po przejściu w stan stały zwiększają gęstość i zmniejszają swoją objętość. Stałym stanem skupienia wody jest lód; podczas zamarzania wody objętość lodu wzrasta od ok. 9% do 10% w stosunku do objętości wody ciekłej (Korzeniewski 1995). Stąd też ciężar objętościowy lodu jest mniejszy od ciężaru wody w stanie ciekłym (tab. I). Dlatego lód jako lżejszy od wody pływa po jej powierzchni, podczas gdy inne ciała stałe zawsze toną w cieczach powstających przy ich topnieniu.

Tab. I. Parametry fizyczne wody i lodu przy ciśnieniu 1013 hPa

Parametr wody

Wartość

Gęstość wody (kg ⋅m⁻³)

0^(o)C

woda słodka

999,89

woda morska

(zasolenie 30%)

1 026–1 028

4^(o)C

1 000,00

20^(o)C

998,23

Gęstość lodu (kg ⋅m⁻³)

0^(o)C

916,8

-188,7^(o)C

929,99

Temperatura krytyczna wody ¹ (^(o)C)

374,2

Ciśnienie krytyczne wody ² (MPa)

22

Temperatura wrzenia wody (^(o)C)

100

Temperatura zamarzania (^(o)C)

woda słodka

0

woda morska (zasolenie 30%)

-1,910

Temperatura maksymalnej gęstości (^(o)C)

4

-3,524

Ciepło właściwe (J ⋅ g⁻¹ ⋅^(o)C ⁻¹)

0^(o)C

woda słodka

4,2177

woda morska (zasolenie 30%)

3,902

20^(o)C

4,182

Ciepło właściwe lodu (J ⋅ g⁻¹ ⋅^(o)C ⁻¹)

0^(o)C

2,047 ³

Ciepło topnienia (zamarzania) (J ⋅ g⁻¹)

0^(o)C

334,4 ⁴

Ciepło parowania (kondensacji) (J ⋅ g⁻¹)

0^(o)C

woda słodka

2 501

woda morska (zasolenie 30%)

2495

20^(o)C

2 454

100^(o)C

2 256

Ciepło sublimacji (J ⋅ g⁻¹)

2 590

Napięcie powierzchniowe wody (N ⋅ m⁻¹)

0^(o)C

0,07564

20^(o)C

0,07275

Stała dielektryczna wody

0^(o)C

88,2

100^(o)C

55,6

Lepkość wody (kg ⋅ m⁻¹ ⋅ s⁻¹)

0^(o)C

0,001787

20^(o)C

0,001002

Przewodnictwo cieplne wody (W ⋅ m⁻¹ ⋅ ^(o)C ⁻¹)

0^(o)C

woda słodka

0,58

woda morska (zasolenie 30%)

20^(o)C

0,599

Przewodnictwo cieplne lodu (W ⋅ m⁻¹ ⋅ ^(o)C ⁻¹)

≈ 0^(o)C

2,22 ⁵

Albedo wody

%

6–7

woda oceaniczna

10–15

Albedo lodu

%

20–40

lód morski

30–45 nawet 80

¹ temperatura krytyczna – temperatura, powyżej której dana substancja może znajdować się tylko w stanie gazowym, tzn., że niemożliwe jest skroplenie gazu pomimo wzrostu ciśnienia.

² ciśnienie krytyczne to ciśnienie pary nasyconej w temperaturze krytycznej.

³ pojemność cieplna lodu maleje wraz z obniżaniem jego temperatury.

⁴ ciepło topnienia lodu maleje wraz z obniżaniem temperatury i wzrostem ciśnienia wywieranego na lód.

⁵ przewodnictwo cieplne lodu rośnie ze spadkiem temperatury.

Źródło: Kędziora 1995; Korzeniewski 1995; Gomółka, Szaynok 1997; Kożuchowski 1998; Chełmicki 2001; Majewski 2005.

2. Woda zachowuje się także inaczej niż wszystkie inne ciała stałe, ciekłe i gazowe, które w miarę podgrzewania zwiększają swoją objętość i zmniejszają gęstość. Wraz ze wzrostem temperatury od 0°C do 4°C gęstość wody wzrasta i w temperaturze 4°C osiąga maksymalną wartość 1000 kg⋅ m⁻³. Ta właściwość sprawia, że w zbiornikach wodnych woda o największej gęstości i temperaturze 4°C zalega zawsze najgłębiej, a nad nią zalegają wody o mniejszej gęstości, które są albo cieplejsze (t_(w) > 4°C), albo chłodniejsze (t_(w) < 4°C). Taka sytuacja termiczna pozwala organizmom wodnym przetrwać okres zimy. Sprawia też, że warstwa lodu nie sięga dna i większość naturalnych zbiorników wodnych zamarza tylko częściowo. Na każde 10⁴ hPa wzrostu ciśnienia hydrostatycznego temperatura, w której woda osiągnęła maksymalną gęstość, zmniejsza się o 0,1°C (Lampert, Sommer 2001).

Gęstość wody maleje wraz ze wzrostem jej temperatury (ryc. II), podobnie jak i innych substancji. Jednakże wzrost temperatury wody od 24°C do 25°C wywołuje ok. 30-krotnie większą zmianę gęstości wody niż przy wzroście tempe­ratury wody z 4°C do 5°C (Lampert, Sommer 2001). Efektem tego jest znacznie mniejsza stabilność masy wody przydennej, której temperatura jest zbliżona do 4°C. Wzrost stabilności masy wodnej ku powierzchni sprawia, że im bliżej powierzchni, tym bardziej spada (pomijając wpływ wiatru) zdolność mieszania się wód.

Ryc. II. Zmiany gęstości wody (Δρ) przy zmianie temperatury o 1°C

3. Ciekła woda ma najwyższą spośród innych substancji pojemność cieplną (ok. 4,180–4,220 kJ⋅ kg⁻¹⋅ °C⁻¹), co sprawia, że do ogrzania określonej masy wody trzeba większej ilości ciepła niż takiej samej masy innej substancji. Mimo że dla wszystkich innych substancji topnienie prawie nie zmienia wartości ich pojemności cieplnej, to lód i para wodna mają pojemność cieplną dwa razy mniejszą od wody (tab. I). Woda, pochłaniając znaczną ilość ciepła, ogrzewa się bardzo wolno (ze względu na złe przewodnictwo ciepła). Nagromadzone w wodzie ciepło jest wydzielane przy zmianie jej stanu ciekłego w stały i przy przemianie pary wodnej w stan ciekły lub stały (ryc. III). Wysokie ciepło właści­we wody sprawia, że pochłonięcie lub oddanie przez nią znacznych ilości ciepła powoduje jedynie małe zmiany jej temperatury – jest to właściwość niezwykła, bo ze wszystkich występujących na Ziemi substancji woda w najmniejszym stopniu zmienia temperaturę, przyjmując lub oddając określoną ilość ciepła. Ta właściwość wody utrzymuje stabilne warunki termiczne w zbiornikach wodnych, przyczynia się do złagodzenia klimatu na przyległych do tych zbiorników obszarach, w otoczeniu zbiorników zmniejsza też dobowe różnice temperatury powietrza.

Ryc. III. Strumienie ciepła w zmianach fazowych wody

Objaśnienia: strzałka biała – proces egzotermiczny (wydzielanie ciepła do otoczenia), strzałka szara – proces endotermiczny (pobór ciepła z otoczenia).

4. Woda ma największe ze wszystkich naturalnych cieczy ciepło parowania, co ma wielkie znaczenie w bilansie cieplnym i jej transporcie w atmosferze. Duże ciepło parowania oznacza, że do wyparowania małej ilości wody potrzebna jest znaczna ilość ciepła. W temperaturze 0°C ciepło parowania wody wynosi 2,501 J⋅ kg⁻¹⋅ °C⁻¹; wraz ze wzrostem temperatury ilość tego ciepła maleje i w tem­peraturze 100°C wynosi 2,256 J⋅ kg⁻¹⋅ °C⁻¹. Utajone ciepło parowania jest zużywa­ne na zwiększenie objętości wody przy przejściu w stan gazowy (woda podczas parowania zwiększa swoją objętość 1 650 razy; para wodna zajmuje największą objętość w porównaniu z innymi stanami wody). Ma ono największy udział w nieradiacyjnym transporcie energii, co ma istotny wpływ na klimat, gdyż energia promieniowania Słońca jest w dużych ilościach zużywana na parowanie wody z podłoża, a nie wyłącznie na ogrzewanie powietrza i tego podłoża. Ciepło parowania wody jest ponad 7-krotnie większe od ciepła topnienia lodu (tab. I). Oznacza to, że do wyparowania pewnej objętości wody trzeba ponad 7 razy więcej ciepła niż do uzyskania tej ilości wody w wyniku stopienia lodu.

5. Woda ma także duże ciepło zamarzania (krzepnięcia) i topnienia lodu (tab. I); 1 g wody słodkiej podczas zamarzania wyzwala 334,1 J i taką samą ilość ciepła trzeba dostarczyć, aby stopił się 1 g lodu, powstały z tej wody. Wyzwalanie ciepła zamarzania i pochłaniania ciepła topnienia jest przyczyną opóźnienia zamarzania zbiorników wodnych i zaniku pokrywy lodowej w stosunku do zmian temperatury powietrza.

6. Woda ciekła, śnieg i lód mają bardzo małe przewodnictwo cieplne, dzięki czemu są bardzo dobrymi izolatorami cieplnymi. Właściwość ta sprawia, że woda ogrzewa się bardzo wolno; słabe przewodnictwo wody sprawia, że w zbiornikach wodnych przekazywanie ciepła do głębszych warstw przebiega bardzo powoli, a nagrzewanie wód wgłębnych jest związane z procesami mieszania pionowego wywołanego prądem konwekcyjnym. Pokrywa śnieżna i lód stanowią warstwę izolującą grunt przed zamarznięciem.

7. Woda ma wyjątkowo wysokie siły napięcia powierzchniowego (najwyższe ze wszystkich cieczy), które pozwalają utrzymywać na powierzchni wody przedmioty znacznie cięższe od niej (np. owady). Wynikiem istnienia napięcia powierzchniowego na granicy fazy ciekłej jest zjawisko kapilarności, dzięki które­mu woda wsiąka w grunt czy skały, a także przemieszcza się w gruncie od zwierciadła wód podziemnych do strefy ukorzenienia roślin; umożliwia również transport substancji w organizmach. Dzięki tej właściwości opad deszczu ma postać kropel. Napięcie powierzchniowe wody zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury oraz stopniem zasolenia wody.

8. Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem, najbardziej wszechstronnym na Ziemi; znaczna przenikalność elektryczna wody (stała dielektryczna w tempe­raturze 0°C wynosi 88, tab. I) powoduje, że odznacza się ona zdolnością jonizu­jącą, a przez to dużą rozpuszczalnością wielu związków chemicznych stałych, ciekłych i gazowych, prawie wszystkich substancji nieorganicznych i wielu organicznych. Rozpuszczone w niej związki chemiczne są wytrącane po odparo­waniu. Dzięki tej właściwości woda występująca w przyrodzie jest roztworem gazów, jonów i koloidów pochodzenia mineralnego i organicznego i pełni funkcję środka transportu substancji w środowisku przyrodniczym.

9. Woda ma naturalną zdolność samooczyszczania, dzięki procesom biochemicznym zachodzącym pod wpływem mikroorganizmów kosztem pobieranego z wody i powietrza tlenu.

10. Woda jest jedynym komponentem środowiska przyrodniczego, który wiąże pozostałe jego składowe; jest najważniejszym czynnikiem geologicznym, kształtującym powierzchnię Ziemi (m.in. współdziała przy powstawaniu i rozkładzie minerałów, z jej udziałem zachodzą procesy wietrzenia fizycznego i chemicznego skał, ma działanie erozyjne i zdolność transportowania materii i energii) oraz czynnikiem biologicznym (jest niezbędna do produkcji żywej materii i utrzymy­wania biocenoz).

11. Dzięki zmianom fazowym (zachodzącym pod wpływem zmian temperatury lub ciśnienia pary wodnej), którym towarzyszą procesy oddawania lub pobierania ciepła (ryc. III) woda odgrywa bardzo ważną rolę w rozprowadzaniu energii cieplnej dostarczanej przez Słońce na Ziemię i regulacji klimatu Ziemi.

12. Dostępność do wody od tysiącleci decyduje o rozwoju cywilizacji. Nic przeto dziwnego, że powiedzenie „bez wody nie ma życia” jest zawsze aktualne, niezależnie od stopnia rozwoju cywilizacji i kultury ludzkości.

Właściwości wody, jak też jej miejsce i rola w procesach wymiany masy i energii sprawiają, że jakakolwiek ingerencja w środowisko przyrodnicze wywołuje niemal zawsze konsekwencje w zmianie stosunków hydrograficznych i obiegu wody. Zachodzące wówczas zmiany mają charakter zarówno ilościowy, jak i jakościowy i dotykają środowiska nie tylko w skali lokalnej, ale i globalnej.PRZEDMIOT HYDROLOGII

Hydrologia jest podstawową nauką o wodzie, najcenniejszym zasobie naturalnym Ziemi. Właściwości tego najbardziej rozpowszechnionego związku chemicznego w przyrodzie sprawiają, że jest niezbędna dla życia i nieodzowna dla działalno­ści gospodarczej, jest niełatwa do zastąpienia, przemieszcza się w czasie i prze­strzeni w sposób trudno sterowalny oraz przenosi i gromadzi energię i różnoraką materię, w tym zanieczyszczenia wprowadzane do środowiska przez czynniki antropogeniczne. Stąd też hydrologia jest nauką najbardziej wszechstronną spośród nauk o Ziemi (m.in. Herschy, Fairbridge 1998).

Hydrologia jest nauką interdyscyplinarną, czerpie bowiem wiedzę z nauk geograficznych i geologicznych (wiedza o powłoce krajobrazowej, czyli epigeosferze) a jej teoretyczne podstawy wywodzą się z nauk fizycznych i matematycznych (prawa zachowania masy i energii, które opisują dynamikę obiegu wody).

Ze względu na szeroki zakres tematyczny (różnorodność form i miejsc występowania oraz wykorzystania wody, zagrożenia spowodowane jej nadmiarem lub brakiem) oraz cele, zadania, zastosowania i powiązania z innymi dziedzinami wiedzy nie ma uniwersalnie zaakceptowanej zwartej i wyczerpującej definicji hydro­logii jako nauki. Jej uproszczona definicja brzmi następująco:

hydrologia jest nauką przyrodniczą zajmującą się badaniem i opisywaniem hydro­sfery, a więc wód powierzchniowych, podziemnych i atmosferycznych i ich związku ze środowiskiem geograficznym; głównym przedmiotem jej badań jest krążenie wody w przyrodzie, z uwzględnieniem jej właściwości fizycznych i chemicznych.

Na oznaczenie nauki o wodzie do niedawna w polskiej literaturze używano dwóch nazw: hydrologia i hydrografia, przy czym „hydrografia” jest nazwą tradycyjną sięgającą doby Odrodzenia. Stosowano ją wówczas do opisu map mórz i oceanów. Wkrótce nazwa „hydrografia” przyjęła się w literaturze geograficznej, poczynając od słynnej Geografii ogólnej (Geographia generalis) Bernarda Vareniusa z 1650 roku. Niemal wiek później, w 1746 r., definicję hydrografii podał rosyjski historyk i geograf Wasilij Nikitycz Tatiszczew w dziele O geografii ogólnej i o rosyj­skiej: „Hydrografia jest opisaniem wód, tj. rzecz o wodach, zalewach, jeziorach i rzekach, ich szerokości, głębokości i położeniu wszelkich wód, co jest niezbędne dla marynarzy; mimo że powierzchnia kuli ziemskiej w przeważającej części jest pokryta wodami, to przy opisywaniu wód nie można pominąć opisu brzegów”.

W Polsce hydrografia pojawiła się dopiero w pierwszej połowie XIX w. i jako nauka uniwersytecka była wykładana na Uniwersytecie Jagiellońskim przez Wincen­tego Pola, który jest autorem pierwszego uniwersyteckiego podręcznika hydrografii w języku polskim.

W drugiej połowie XIX w. zaczęły powstawać w Europie służby hydrograficzne, zwane też hydrometrycznymi. Pierwszą z nich była utworzona w 1854 r. we Francji Służba Hydrometryczna Dorzecza Sekwany; podobna służba, Centralne Biuro Hydrometryczne, powstała w 1866 r. w Szwajcarii. W 1875 r. powstała w Pradze Komisja Hydrograficzna Królestwa Czeskiego, a w 1893 r. powołano Służbę Hydro­graficzną w Wiedniu; jej współorganizatorem był Romuald Iszkowski. Wraz z odzyskaniem niepodległości utworzono w Polsce w 1919 r. Biuro Hydrograficzne, które w 1923 r. zmieniło nazwę na Centralne Biuro Hydrograficzne, a w 1934 r. na Instytut Hydrograficzny. Na uniwersytetach rozpoczęto wykłady i zajęcia z hydro­grafii. Jednym z nielicznych wówczas podręczników z tej dyscypliny była Hydrogra­fia (1935) Friedricha Schaffernaka, profesora Politechniki Wiedeńskiej, przeznaczona raczej dla personelu Służby Hydrograficznej Austrii i krajów ościennych.

Po II wojnie światowej kształcenie w zakresie hydrografii rozpoczęto na polskich uniwersytetach, a w połowie lat 50. powstały u nas pierwsze Zakłady Hydrografii; dopiero po latach zaczęły się one przekształcać w Zakłady Hydrologii, a obecnie w Zakłady Gospodarki Wodnej lub Inżynierii Środowiska. Różnie przebiegało to za granicą. W Niemczech np. powstała nazwa nowej dyscypliny „hydrogeografia”, która jednak się nie przyjęła. Z kolei w Rosji już w 1919 r. powstał Rosyjski (od 1926 r. Państwowy) Instytut Hydrologiczny, a na uniwersytetach tworzono Katedry Hydrologii.

Nazwa „hydrologia” pojawiła się dopiero w drugiej połowie XVII w., a użyli jej przyrodnicy i lekarze, zajmujący się leczniczymi właściwościami wód mineralnych. Nazwę tę stosowano wówczas w Anglii i Niemczech, później w Szwecji, następnie w Rosji, a w drugiej połowie XVIII w. również w Polsce. Jednak pierwszy podręcznik z hydrologii (Manual of Hydrology) ukazał się dopiero w 1862 r. w Londynie; jego autorem był Nathaniel Beardmore, przewodniczący Królewskiego Towarzystwa Meteorologicznego.

Rozpowszechnienie nazwy „hydrologia” nastąpiło po I wojnie światowej z chwilą utworzenia w 1922 r. sekcji, a osiem lat później odrębnej Międzynarodowej Asocjacji Hydrologii Naukowej, przemianowanej w 1971 r. na Międzynarodową Asocjację Nauk Hydrologicznych.

W 1933 r. ukazał się na Politechnice Warszawskiej I tom dzieła Hydrologia, którego autorami byli Karol Pomianowski, Mieczysław Rybczyński i Kazimierz Wóycicki; tom II ukazał się rok później, a tom III w 1939 roku.

Do powszechnego wprowadzenia nazwy „hydrologia” na oznaczenie nauki o wodzie, ze szczególnym uwzględnieniem jej obiegu w przyrodzie i procesów towarzyszących, przyczynił się rozwój międzynarodowej współpracy hydrologicznej, początkowo w ramach wspomnianej asocjacji, a w Europie Środkowej zwłaszcza przez Konferencje Hydrologiczne Państw Bałtyckich. Współpraca międzynarodowa rozwinęła się na niespotykaną dotąd skalę w drugiej połowie XX w., a szczególnie z chwilą zainicjowania w 1965 r. Międzynarodowej Dekady Hydrologicznej w ramach UNESCO, przekształconej po 1975 r. w Międzynarodowy Program Hydrolo­giczny. W tym czasie powstały nowe instytucje i organizacje naukowe: instytuty, katedry i zakłady, a nawet towarzystwa naukowe zawierające w swej nazwie „hydro­logię”. Obecnie współpraca skupiona jest głównie w Międzynarodowym Programie Hydrologicznym FRIEND pod egidą UNESCO.

Poważny skok w rozwoju hydrologii jako dziedziny naukowej odnotowano w Polsce w latach 70. XX w. (na świecie w latach 60.) wraz z rozwojem komputerów III generacji, umożliwiających zastosowanie analizy systemowej w badaniach hydro­logicznych. Gwałtowny rozwój modeli matematycznych opisujących obieg wody w podstawowej jednostce hydrograficznej – zlewni – przyczynił się do lepszego poznania procesów hydrologicznych charakterystycznych dla elementów tego obiegu, ich genezy i wzajemnych uwarunkowań (Soczyńska 1992).

Międzynarodowy słownik hydrologiczny UNESCO-WMO (International Glossary of Hydrology) z 1992 r. podaje następujące definicje:

hydrografia – nauka zajmująca się opisywaniem i pomiarami otwartych obiektów wodnych, np.: oceanów, mórz, potoków, rzek, jezior, zbiorników wodnych, w szczególności kartowaniem obiektów wodnych dla celów żeglugi;

hydrologia – 1. nauka zajmująca się badaniem wód na powierzchni i w skorupie ziemskiej, ich występowaniem i rozmieszczeniem w czasie i przestrzeni, ich właści­wościami biologicznymi, chemicznymi i fizycznymi, i ich współdziałaniem z otacza­jącym środowiskiem, włączając związek ze światem żywym; 2. nauka badająca procesy rządzące wyczerpywaniem i uzupełnianiem zasobów wodnych w lądowych obszarach Ziemi oraz zajmująca się różnymi fazami cyklu hydrologicznego.

Nieco inne definicje obu nauk znajdziemy w polskim tłumaczeniu Między­narodowego słownika hydrologicznego wydanego przez Wydawnictwo Naukowe PWN w 2001 r.:

hydrografia – 1. opis śródlądowych obiektów wodnych, takich jak: rzeki, jeziora, zbiorniki wodne, obszary zabagnione, źródła; 2. sporządzanie map morskich do celów nawigacyjnych;

hydrologia – 1. nauka o wodach podziemnych i powierzchniowych na Ziemi, ich występowaniu i krążeniu, o ich biologicznych, chemicznych i fizycznych wła­ściwościach oraz związku ze środowiskiem; 2. nauka zajmująca się procesami rządzącymi zmiennością lądowych zasobów wodnych i badająca różne fazy cyklu hydrologicznego.

Z podanego przeglądu historycznego wynika jednoznacznie, że ogólnie przyjętą nazwą na określenie nauki o wodzie jest obecnie „hydrologia” – nazwa powszechnie stosowana i traktowana jako jedna z nauk fizycznogeograficznych (dawniej zwana hydrografią), a także jako gałąź geofizyki. Tradycyjna nazwa „hydrografia” jest wykorzystywana przede wszystkim w służbach morskich zajmujących się głównie pomiarami i kartowaniem mórz i oceanów na potrzeby żeglugi (mapy locyjne). Potwierdzają to nazwy, np.: Biuro Hydrograficzne Marynarki Wojennej (w różnych krajach), Urzędy Żeglugi i Hydrografii, Międzynarodowe Biuro Hydrograficzne w Monako, a ostatnio nawet Towarzystwa Hydrograficzne (naukowo-techniczne morskie) i in. (Mikulski 1993a).

Obecnie istnieją różne podziały hydrologii, zależnie od przyjętych kryteriów. Najpowszechniejszy jest podział przyjmujący stopień rozwoju naukowego hydrologii. Tak powstały: hydrometria, hydrografia, hydrologia ogólna, hydrologia regionalna, hydrologia dynamiczna, hydrologia stosowana, zwana też hydrologią inżynierską lub techniczną. A oto ich najprostsze definicje.

Hydrometria jest działem hydrologii, stanowiącym jej podstawę empiryczną, bo zajmuje się zbieraniem informacji ilościowych o obiektach wodnych, zjawiskach i procesach; jej przedmiotem są obserwacje wszelkich zjawisk hydrologicznych (zmiany poziomu wód powierzchniowych i podziemnych oraz form ich zarastania i zlodzenia), a także pomiary: spadków zwierciadła wód płynących, prędkości i natężenia przepływu wody, ruchu i ilości rumowiska rzecznego, czyli materiału toczonego i wleczonego przez cieki oraz unoszonego z prądem wody, temperatury i składu chemicznego wód, opadów i osadów atmosferycznych oraz parowania z powierzchni wody i gruntu. W ogólniejszym ujęciu hydrometria obejmuje wszelkie obserwacje i pomiary niezbędne do poznania ustroju hydrologicznego obiektów wodnych. Jest to jedna ze starszych dyscyplin hydrologii, stanowiąca podstawowe zadanie służb hydrologicznych.

Hydrografia, zwana też hydrologią opisową, jest nauką zajmującą się opisywaniem obiektów wodnych (np. cieków, zbiorników wodnych, obszarów zabagnionych, źródeł) i zjawisk wodnych. Obecnie przedmiotem badań hydrograficznych jest rejestracja wód na Ziemi (kartowanie i mapy hydrograficzne). Nazwa hydrografia jest stosowana także na określenie wojskowej służby oceanograficznej (Biuro Hydrograficzne Marynarki Wojennej) i w odniesieniu do opracowywanych przez tę służbę opisów wód i wybrzeży na potrzeby żeglugi morskiej (locja morska). Jest też działem geografii fizycznej, traktującym wody jako element środowiska geograficznego.

Hydrologia ogólna (czasami nazywana hydrologią syntetyczną) jest nauką o hydrosferze, zwykle w ujęciu poszczególnych obiektów hydrograficznych, informującą o obiegu wody i materii stałej na globie ziemskim. Korzysta ona z dorobku takich dyscyplin, jak hydromechanika i hydraulika. Ten dział hydrologii jako nauka empiryczna, badając obieg wody w hydrosferze, ma swój bezcenny wkład w odkrywanie i opis różnorodności przyrody; jej przykładem jest obecny podręcznik.

Hydrologia regionalna (porównawcza) jest nauką badającą procesy hydrologiczne kształtujące się pod wpływem klimatu i środowiska przyrodniczego konkretnej przestrzeni geograficznej (kontynentu, państwa, regionu, dorzecza, zlewni) oraz ich porównywaniem w skali regionów; ma ona charakter syntetyzujący.

Hydrologia dynamiczna jest nauką zajmującą się opisywaniem procesów hydrologicznych i zachodzących między nimi zależności w funkcji czasu; swoje cele realizuje przy wykorzystaniu metod fizyki matematycznej, przedstawiając procesy hydrologiczne jako zjawiska, którymi rządzą prawa fizyki.

Hydrologia stosowana (inżynierska) jest działem hydrologii, którego zadaniem jest dostarczanie informacji hydrologicznej niezbędnej inżynierom do realizacji zadań w zakresie gospodarki wodnej, włączając doń również prognozy hydrologiczne.

W zależności od obiektu badań, którymi są poszczególne składniki hydrosfery, hydrologię dzieli się na:

– hydrometeorologię, naukę o procesach związanych z obecnością i zmianami wilgoci w atmosferze (atmosferyczny transport wilgoci, kondensacja, opady, przemiany związane z fazą stałą) – przyjęto przyjmować ją jako dział meteorologii;

– oceanografię, naukę o morzach i oceanach jako części hydrosfery (oceano­sfera), badającą zjawiska i procesy zachodzące w nich, w aspekcie fizycznym, chemicznym i biologicznym oraz wzajemne związki między oceanem, lito­sferą i atmosferą – obecnie przyjmuje się coraz częściej nazwę oceanologia;

– hydrologię rzek (potamologię), dział hydrologii badający ustrój hydrologiczny rzek; jej podstawowymi działami są: hydrografia cieków, teoria odpływu, teoria procesów korytowych;

– hydrologię jezior (limnologię), dział hydrologii badający ustrój hydrologiczny zbiorników wodnych; jej podstawowymi działami są badania bilansu wodnego zbiorników wodnych, ich ustroju termicznego i lodowego, prądów,zjawisk falowania, kształtowania się brzegów i sedymentacji osadów w ich misach;

– hydrologię bagien (paludologię), dział hydrologii zajmujący się badaniem zjawisk fizycznych, procesów ruchu wilgoci w bagnach i procesów wymiany wody między bagnem a otaczającym środowiskiem; głównymi problemami są: badanie bilansu wodnego bagien, a w szczególności procesów kształtowa­nia się odpływu z masywów bagiennych, filtracji wody w bagnach, parowania i ustroju wodno-cieplnego, a także prawidłowości kształtowania się bagiennej sieci hydrograficznej;

– hydrologię lodu (kriologię), naukę o lodzie naturalnym występującym w hydrosferze; zajmuje się badaniem fizycznych, chemicznych i mineralogicznych zmian wody w stałym stanie skupienia; głównymi obiektami jej badań są: lody atmosferyczne, zlodzenia lądowe i morskie, a także strefa wieloletniej zmarzliny (marzłoci trwałej);

– hydrologię źródeł (krenologię), naukę o źródłach i innych wypływach wód podziemnych, obejmującą geologiczne i geomorfologiczne warunki występo­wania źródeł, sposoby ich zasilania i wydajność, skład chemiczny i stosunki termiczne; dział hydrologii na styku z hydrogeologią;

– hydrologię gleb (pedohydrologię), naukę o procesach zachodzących na powierzchni ziemi i w glebie oraz w górnej warstwie litosfery;

– hydrogeologię (hydrologię wód podziemnych), naukę badającą pochodzenie, rozmieszczenie, ustrój, dynamikę, zasoby i właściwości fizyczno-chemiczne wód podziemnych – powszechnie jest traktowana jako dział geologii;

– hydrologię zalewów przymorskich (wód słonawych), dział hydrologii zajmujący się procesami hydrologicznymi obiektów poddanych wpływom morza (Mikulski 1970b).

Ze względu na cechy wody można wyróżnić:

– hydrofizykę (fizykę wody) z hydromechaniką i hydrauliką, naukę zajmu­jącą się badaniem fizycznych właściwości wód naturalnych oraz procesów fizycznych przebiegających w masie wodnej w każdym stanie skupienia (w tym także w postaci śniegu i lodu);

– hydrochemię (chemię wód naturalnych), naukę zajmującą się badaniem składu chemicznego wód naturalnych oraz dynamiki procesów zachodzących w hydrosferze;

– hydrobiologię (biologię wód naturalnych), naukę o życiu organizmów w środowisku wód naturalnych zajmującą się badaniem świata roślinnego i zwierzęcego w wodach naturalnych.

Wymienione wyżej trzy działy hydrologii wiążą się z wielkimi dziedzinami nauk przyrodniczych, jak: fizyka, chemia, biologia i stanowią zazwyczaj odrębne działy tych nauk.

III faza Międzynarodowego Programu Hydrologicznego w temacie 4 Hydrologia określonych regionów i obszarów lądów przyczyniła się do rozwoju następujących działów hydrologii:

– hydrologii obszarów suchych i półsuchych,

– hydrologii wilgotnych obszarów tropikalnych,

– hydrologii obszarów nadmiernie uwilgoconych,

– hydrologii obszarów przybrzeżnych, ujść i delt (m.in. przenikanie wód morskich do rzek, gospodarowanie wodami podziemnymi w strefach przybrzeżnych),

– hydrologii obszarów krasowych,

– hydrologii niewielkich wysp,

– hydrologii równin (nizin),

– hydrologii obszarów górskich.

Woda, poza funkcją geofizyczną, chemiczną i biologiczną w cyklu hydrologicznym, ma też wartości środowiskowe, społeczne i ekonomiczne. Szukanie związków między hydrologią, potrzebami społecznymi i zrównoważonym rozwojem sprawiło, że zaczęły rozwijać się nowe działy hydrologii, badające stopień antropogenicznego przekształcenia hydrosfery i szukające dróg zrównoważonego zarządzania wodą w przyrodzie. Są to:

– hydrologia obszarów zurbanizowanych (miejskich i przemysłowych), dział hydrologii zajmujący się procesami hydrologicznymi w obszarach zurbanizo­wanych, gdzie obieg wody został silnie zmodyfikowany przez działalność człowieka, a jakość wód pozostawia wiele do życzenia;

– ekohydrologia, nauka stosowana wiążąca wiedzę hydrologiczną z elementami ekologii i hydrobiologii, zajmująca się badaniem możliwości zwiększenia odporności środowiska wodnego na zakłócenia antropogeniczne, wywołane przez człowieka oraz badaniem możliwości wykorzystania ekosystemów wodnych jako narzędzi gospodarowania zasobami środowiska. Obiektem jej badań są ekosystemy wodne (cieki, zbiorniki wodne, bagna), których stabilność jest uwarunkowana procesami przepływu energii, cyklem krążenia wody i cyklami biogeochemicznymi w zlewni, oraz ekotony woda/ląd – ekohydrologia bada ich rolę w ochronie wody, redukcji zanieczyszczeń obszarowych i regulacji procesów biotycznych w ciekach i jeziorach naturalnych i sztucznych w celu poprawy jakości wody.

Powszechność nauki o wodzie i jej liczne zastosowania skłaniają do takiego ujęcia treści i zakresu podręcznika, aby dał on ogólny pogląd na obiekty, zjawiska i procesy wodne występujące na globie ziemskim. Zawarta jest w nim podstawowa wiedza o wodzie w epigeosferze – powłoce krajobrazowej naszej planety.LĄDOWA CZĘŚĆ HYDROSFERY

Ilość wody na kontynentach, tj. lądowej powierzchni Ziemi, wynosi ok. 48 mln km³, czyli tylko 3,5% całkowitych zapasów hydrosfery (tab. 1.1). Są to wody występujące w postaci ciekłej (wody podziemne, wody powierzchniowe: rzeki, jeziora, bagna, wody glebowe), stałej (lodowce kontynentalne, lodowce górskie, lód gruntowy w strefie marzłoci trwałej i stała pokrywa śnieżna) oraz gazowej (para wodna w powietrzu glebowym). Największa ilość zapasów wodnych w lądowej części hydrosfery ma postać lodu, bo aż 50,8%. Pozostałą część tych zapasów już w postaci ciekłej stanowi woda przede wszystkim podziemna (48,8%); wody powierzchniowe gromadzą tylko 0,4% tych zapasów (tj. 190 000 km³), z tego tylko nieco ponad 1,1% rzeki.

Tab. 1.1. Zapasy wodne lądowej części hydrosfery

Rodzaj wód

Zajmowana powierzchnia (10⁶ km²)

Objętość

(10³ km³)

Udział w zapasach wodnych (%)

ogólnej objętości hydrosfery

wód słodkich hydrosfery

Wody podziemne

148,8

23 400

1,7

w tym: odnawialne (słodkie)

10 530

0,7

30,1

Woda glebowa

82,0

16,5

0,001

0,05

Lodowce i stała pokrywa śnieżna

16,276

24 064^(b)

1,74

68,7

w tym: Antarktyda

13,98

21 600

1,56

61,7

Grenlandia

1,8

2 340

0,17

6,68

arktyczne wyspy

0,226

83,5

0,006

0,24

lodowce górskie

0,27

40,6

0,003

0,12

Lód gruntowy w strefie wieloletniej marzłoci

21,0

300,0

0,022

0,86

Jeziora

2,06

176,4

0,013

0,26

w tym: słodkowodne

1,24

91,0

0,007

słone

0,82

85,4

0,006

zaporowe

0,4

6,0

0,0004

Bagna^(a)

2,68

11,5

0,0008

0,03

Rzeki

148,8

2,12

0,0002

0,006

^(a) według danych Global Peat Resources 1996 bagna zajmują powierzchnię 6,42 mln km².

^(b) różnice w podawanej w literaturze ilości wody zmagazynowanej w lodowcach i stałej pokrywie śnieżnej (24,0 mln, 29,2 mln, 30,1 mln km³) wynikają z odmiennych wartości wyjściowych przyjmowanych do obliczeń objętości lodowców oraz z różnych gęstości firnu i lodu lodowcowego.

Źródło: Shiklomanov, Rodda 2003; Doganowskij 2012.Przypisy

Całkowitą ilość wody na Ziemi szacuje się na 8,2⋅ 10⁹ km³. Zdecydowana jej większość jest związana w skałach magmowych i osadowych litosfery i w minerałach górnego płaszcza.

Powłoka krajobrazowa (epigeosfera) to zewnętrzna powłoka Ziemi obejmująca: atmosferę, hydrosferę, litosferę i biosferę; jest kształtowana zarówno przez procesy związane ze zróżni­cowaną dostawą energii słonecznej, jak i procesy endogeniczne (Malinowska, Lewandowski, Harasimiuk 2004).

Nieradiacyjna wymiana ciepła zachodzi w wyniku zmian stanu skupienia wody (parowanie z podłoża, kondensacja w atmosferze – ciepło utajone) oraz wymiany turbulencyjnej (ogrzewanie powietrza bezpośrednio od podłoża – ciepło jawne).

Pojemność cieplna ciał – ilość ciepła niezbędna do podniesienia temperatury danego ciała o jeden stopień; ciepło właściwe – pojemność cieplna jednostki masy, czyli ilość ciepła niezbędna do ogrzania 1 g substancji o jeden stopień. W przypadku wody chodzi o ogrzanie w zakresie temperatury od 14,5°C do 15,5°C. Przed wprowadzeniem Międzynarodowego Systemu Miar (SI) ta ilość ciepła była przyjęta za wartość jednostkową, nazwaną kalorią (1 cal). W układzie SI jednostką ciepła jest dżul (J), przy czym 1 cal = 4,1868 J, a 1 J = 0,239 cal.

Zamiana 1 g lodu w wodę wymaga dostarczenia ciepła w ilości 334 J (80 cal), nie zachodzi przy tym zmiana temperatury wody; podgrzanie wody pochodzącej ze stopienia 1 g lodu do temperatury wrzenia wymaga dostarczenia dodatkowego ciepła w ilości ok. 420 J (100 cal), a przejście tej wody (już o temp. 100°C) w stan gazowy dostawy kolejnej porcji ciepła w ilości 2 257 J (540 cal); przejście wrzącej wody w parę wodną nie powoduje wzrostu temperatury wody a dalsza dostawa ciepła zwiększa jedynie intensywność jej przemiany w parę wodną, co wywołuje gwałtowne zwiększenie objętości. Taka sama ilość ciepła zostaje oddana, aby te przejścia fazowe odwrócić. Ciepło utajone sublimacji potrzebne do przejścia lodu w parę wodną jest sumą ciepła parowania i topnienia.

Woda przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym przechodzi w stan stały przy tempera­turze 0°C, natomiast w stan lotny przy każdej temperaturze, przy czym przy temperaturze 100°C następuje wrzenie i parowanie w całej masie wody. Przejściu wody z jednego stanu w drugi towarzyszy tzw. ciepło utajone. W procesie parowania i w procesie zamarzania (krzepnięcia) woda pozbywa się wszelkich domieszek zarówno chemicznych, jak i stałych.

Środowisko geograficzne – środowisko przyrodnicze (naturalne i w różnym stopniu przekształcone) oraz elementy antropo­geniczne (infrastruktura osadnicza, przemysłowa, rolna i in.).

Wincenty Pol (1807–1872) – poeta, geograf, kawaler Orderu Virtuti Militari, kierownik pierwszej na ziemiach polskich, a drugiej w Europie Katedry Geografii na Uniwersytecie Jagielloń­skim (Jackowski, Sołjan 2009). Jego Hydrografia została pośmiertnie wydana i zamieszczona jako druga część pracy Północny wschód Europy pod względem natury (Dzieła, t. 2, Lwów 1875).

W 1669 r. William Simpson wydał w Londynie dzieło pt. Hydrologia chymica, a w 1694 r. Eberhard Melchior we Frankfurcie nad Menem podobne dzieło Hydrologia (Mikulski 2000).

FRIEND (Flow Regimes from International Experimental and Network Data – Ocena reżi­mów przepływu na podstawie danych z międzynarodowej sieci zlewni eksperymentalnych i posterunków pomiarowych).

Locja – dział wiedzy zajmujący się opisem danego akwenu (oceanu, morza, torów wodnych, wybrzeży) oraz jego oznakowania nawigacyjnego z punktu widzenia bezpieczeństwa i żeglugi (Kołaszewski, Świdwiński 2016).

Schemat polskiego podziału hydrologii podał w 1949 r. Kazimierz Dębski. Uwzględnia on podział hydrologii według trzech kryteriów: 1) przestrzeni, w której występuje woda (gałęzie: hydrometeorologia, potamologia, limnologia, oceanologia, agrohydrologia, gehydrologia, hydrogeologia, glacjologia), 2) stopnia rozwoju i metodyki badań (hydrometria, hydrografia i hydronomia, czyli hydrologia pragmatyczna) i 3) głównej tematyki badań (hydrologia wła­ściwa, hydrobiologia, hydrofizyka z hydromechaniką i hydrauliką oraz hydrochemia).

Przykładem takiego ujęcia jest Hydrometria E. Bajkiewicz-Grabowskiej, A. Magnuszewskiego i Z. Mikulskiego, wydana przez Wydawnictwo Naukowe PWN w 1993 roku.

Jej szybki rozwój przypada na okres ostatnich 60 lat ubiegłego wieku wraz z pojawieniem się narzędzi elektronicznej techniki obliczeniowej. Polskie podręczniki dotyczące tej tematyki to: Podstawy hydrologii dynamicznej (1990) i Hydrologia dynamiczna (1997) przygotowane pod redakcją naukową U. Soczyńskiej oraz Podstawy hydrologii dynamicznej (2010) autorstwa R. Szymkiewicza i D. Gąsiorowskiego.

Ze względu na podejście deterministyczne w badaniach reakcji systemów hydrologicznych opisywanych różnymi parametrami synonimami hydrologii dynamicznej są: hydrologia deterministyczna, hydrologia analityczna, hydrologia parametryczna, hydrologia fizyczna.

Polskie podręczniki do nauki tej dyscypliny hydrologii to: wydana w 1971 r. Hydrologia inżynierska J. Lambora i wydana w 1994 r. (wyd. 2. w 1997 r.) Hydrologia stosowana M. Ozgi-Zielińskiej i J. Brzezińskiego.

Słownik Meteorologiczny PTG z 2003 r. podaje, że hydrometeorologia to „dział meteoro­logii, nauka zajmująca się badaniem faz atmosferycznej i lądowej cyklu hydrologicznego w ich wzajemnym powiązaniu”.

Hydrofizyka stanowi dział geofizyki, bada procesy fizyczne przebiegające w wodnej powłoce Ziemi – hydrosferze. Do problemów ogólnych, którymi się zajmuje, należą: molekularna budowa wody we wszystkich stanach jej skupienia (ciekłym, stałym i gazowym); fizyczne właściwości wody, śniegu i lodu – cieplne, radiacyjne, akustyczne, mechaniczne; procesy przebiega­jące w zbiornikach wodnych – dynamiczne (prądy, falowanie, pływy), termiczne (nagrzewanie i ochładzanie się zbiorników, parowanie i kondensacja, powstawanie i tajanie lodu i śniegu), a także optyczne związane z rozprzestrzenianiem się, pochłanianiem i rozpraszaniem światła w warstwie wody, śniegu i lodu (Winnikow, Proskuriakow 1988).

Lata 1984–1989.

Termin „ekohydrologia” rozpowszechnił się w Polsce w końcu XX w., z chwilą wprowadzenia – z inicjatywy Polski – jako tytułu badawczego do V Fazy Międzynarodowego Programu Hydrologicznego UNESCO (Zalewski, Janauer, Jolankai 1997).

Termin „hydrosfera” pojawił się pod koniec XIX w. i jest równoznaczny pojęciu wszystkich wolnych wód Ziemi, czyli wód przemieszczających się pod wpływem działania siły grawitacji, ciepła lub ciśnienia piezometrycznego.

Niewielka ilość wody (ok. 4,8⋅ 10⁻⁴ km³/rok) ulega rozpadowi wskutek fotodysocjacji w wysokiej atmosferze (termosferze). Ucieczce w przestrzeń kosmiczną większej ilości wody przeciwdziała tzw. efekt lodowej pułapki na wysokości ok. 15 km nad powierzchnią Ziemi. Równocześnie szacuje się, że maksymalnie do ok. 0,3 km³/rok wody juwenilnej jest wprowadzane do hydrosfery wskutek trwającego nadal procesu odgazowania skał głębi Ziemi. Ilości te są na tyle małe, że od czasu uformowania się hydrosfery jej objętość pozostaje prawie stała (m.in. Macioszczyk 2006).

Dokładność obliczeń zapasów wodnych hydrosfery waha się w granicach ok. 100 mln km³, co stanowi ok. 6% jej objętości całkowitej.

Ruchy wody hydrosfery powodują też: przyciąganie Księżyca i Słońca (pływy), ciśnienie atmosferyczne (falowanie i sejsze), siły międzycząsteczkowe (ruch wody w kapilarach gleby i gruntu), reakcje chemiczne (wiązanie wody i jej uwalnianie), biologiczna działalność orga­nizmów.

Najwcześniejszy, zasadniczo prawdziwy obraz cyklu hydrologicznego opisał Leonardo da Vinci (1452–1519).

W obrębie skorupy ziemskiej typu oceanicznego sięga głębokości 10–11 km, a w obrębie skorupy ziemskiej typu kontynentalnego sięga w okolicach podbiegunowych dolnej granicy marzłoci trwałej, a na pozostałym obszarze sięga do głębokości ok. 400 m, którą wyznacza spąg skał podlegających hipergenezie, czyli granicy, do której sięga wietrzenie skał, minerałów i złóż (m.in.: Armand 1980; Kondracki, Richling 1983; Malinowska, Lewandowski, Harasimiuk 2004).

Około 70% docierającej do powierzchni Ziemi energii słonecznej steruje procesami obiegu wody w cyklu hydrologicznym.

Duży obieg wody ma wpływ na ogólny bilans wodny globu ziemskiego, można go zatem nazywać globalnym obiegiem wody.

Bilans wodny – ilościowe ujęcie obiegu wody w granicach danego obszaru i w określonym czasie.

Inaczej czas retencji lub wymiany wody w danej części hydrosfery podczas obiegu wody (cyklu hydrologicznego).

Na wyparowanie wody znajdującej się jednorazowo w atmosferze (ok. 13 000 km³ pary wodnej) potrzeba ok. 16,8⋅ 10²³ J (@ 4015⋅ 10²⁰ Kcal) rocznie (Stiepanow 1987). Stanowi to około 60% energii dochodzącej do powierzchni Ziemi od Słońca (rocznie do Ziemi od Słońca do­ciera 2,8⋅ 10²⁴ J).

Przez drenaż wód podziemnych należy rozumieć wypływ wód podziemnych z poziomu wodonośnego wskutek procesów naturalnych lub wywołanych sztucznie (Macioszczyk 2006).

Solanki to wody o mineralizacji ogólnej (tj. całkowitej zawartości substancji chemicznych rozpuszczonych w wodzie) co najmniej 35 g /dm³ (Słownik hydrogeologiczny 1997).

Prekursorem teorii o atmosferycznym, infiltracyjnym pochodzeniu wód podziemnych był żyjący w I w. p.n.e. Witruwiusz (Marcus Vitruvius Pollo). Do twierdzenia, że wody podziemne pochodzą z opadów atmosferycznych powrócił dopiero półtora tysiąca lat później Leonardo da Vinci (1452–1519), a teorię tę uzasadnił szczegółowo Bernard Palissy (ok. 1510–ok. 1589). Infiltracyjna teoria Palissy’ego była przez następne 250 lat znów odrzucana i ośmieszana. Choć byli też jej zwolennicy, m.in. Edme Mariotte (1620–1684) i Michaił W. Łomonosow (1711–1765). W XIX w. teoria wyjaśniająca atmosferyczne (opadowe) pochodzenie wód podziemnych została w końcu zaakceptowana.

Woda opadowa przesiąka w zasadzie tylko przez skały przepuszczające wodę; są to skały przepuszczalne.

Prekursorem teorii kondensacyjnego pochodzenia wody był Arystoteles (IV w. p.n.e.). Uważał on, że para wodna zmienia się w wodę, wnika pod Ziemię i zasila rzeki. Teorię kondensacyjnego pochodzenia wód podziemnych ponownie przywołał w 1644 r. Kartezjusz, czyli René Descartes. Rozwijali ją później (od XIX w.): Otto Volger, Maurice Lugeon, Karl Kegel, Aleksandr F. Lebiediew i Romuald Rosłoński.

Autorem teorii juwenilnego pochodzenia wód podziemnych był Eduard Suess (1831–1914).

Woda wsiąka przede wszystkim w podłoże (grunt) wykształcone z okruchowych skał osado­wych: żwiry, piaski, pyły, porowate zlepieńce i piaskowce. Grunt jest rozumiany jako środowisko skalne, utwory powierzchniowe. W geologii inżynierskiej grunt oznacza całą powierzchniową warstwę litosfery (Prusinkiewicz 1994).

W hydrogeologii przesączanie oznacza pionowy ruch wody wolnej przez strefę aeracji związany z wsiąkaniem i infiltracją, a przesiąkanie – pionowy ruch wody podziemnej (czyli w strefie saturacji) powodujący jej przepływ przez osady słabo przepuszczalne, wywołany różnicą ciśnienia, zasilający głębiej zalegające poziomy wodonośne; miarą przesiąkania jest współczynnik filtracji pionowej (Słownik hydrogeologiczny 1997).

Siły adhezji to siły przylegania cząsteczek wody do cząstek gruntu.

Siły van der Waalsa to siły między atomami i cząsteczkami materii.

Termin „warstwa wodonośna” jest powszechnie używany w hydrogeologii dynamicznej i hydrogeologii stosowanej. Termin „poziom wodonośny” jako synonim warstwy wodonośnej jest stosowany w naukach fizycznogeograficznych.

Teoretyczna linia ciśnień piezometrycznych jest położona wyżej od linii ciśnienia rzeczywis­tego poziomu piezometrycznego, co jest spowodowane stratą ciśnienia na pokonanie oporu stawianego przez środowisko skalne.

Pory mają różne kształty w zależności od rozmiaru i kształtu ziaren skalnych. Od wielkości porów zależy możliwość przemieszczania się w nich wody i działanie sił międzycząsteczkowych. Według klasyfikacji hydrogeologicznej (Słownik hydrogeologiczny 1997) wyróżnia się: pory nadkapilarne (nazywane czasem zwykłymi) o średnicy powyżej 0,5 mm, w których woda porusza się pod wpływem siły ciężkości, pory kapilarne o średnicy od 0,5 mm do 0,0002 mm, w których ruch wody wolnej jest ograniczony, występuje w nich głównie woda kapilarna i pory subkapilarne (podkapilarne) o średnicy poniżej 0,0002 mm, w których woda występuje tylko w postaci związanej fizycznie (woda higroskopowa i woda błonkowata).

Hydroizohipsa (linia równych wysokości hydraulicznych) jest linią łączącą punkty jedna­kowej wysokości hydraulicznej w warstwie wodonośnej (Słownik hydrogeologiczny 1997).