3.Водный баланс речного бассейна.
Уравнение водного баланса бассейна реки
С учетом общих положений о водном балансе участка суши рассмотрения водного баланса различных вертикальных зон в речном бассейне (уравнение водного баланса бассейна реки для интервала времени t в наиболее общем виде представим следующим образом (рис. 6.1):
Здесь х — жидкие (дождь) и твердые (снег) осадки на поверхность речного бассейна; у1 — поверхностный приток из-за пределов бассейна (при правильно проведенной водораздельной линии такой приток может быть лишь искусственным — с помощью пересекающих водораздел трубопроводов, каналов, часто с системой подпорных сооружений, насосных станций и т.д.); w1 — подземный приток из-за пределов бассейна (он может быть лишь в случае несовпадения поверхностного и подземного водоразделов); z1 — конденсация водяного пара (часто величину конденсации объединяют с осадками х или вычитают из испарения z2); y2 — поверхностный отток за пределы бассейна (он может быть представлен прежде всего стоком самой реки у’2, а также искусственным оттоком у»2, осуществляемым через водораздел с помощью гидротехнических сооружений); w2 — подземный отток за пределы бассейна (он, как и для wb может быть лишь в случае несовпадения поверхностного и подземного водоразделов); z2 — испарение с поверхности бассейна, складывающееся из суммарного испарения, а также испарения с поверхностей, покрытых водой или снегом и льдом ; ± u — изменение запасов воды в бассейне (руслах рек, водоемах, почве, водоносных горизонтах, снежном покрове и т. д.) за интервал времени t (с плюсом — при увеличении запасов воды, с минусом — при их уменьшении).
Рис. 6.1. Схема составляющих водного баланса бассейна реки (обозначения в тексте):
1 — канал; 2 — гидроузел
Атмосферные осадки, подземный приток и искусственный поверхностный приток из-за пределов бассейна составляют приходную часть уравнения водного баланса; поверхностный и подземный стоки за пределы бассейна и испарение объединяются в расходную часть уравнения водного баланса.
Если приходная часть превышает расходную (например, зимой при накоплении снега, в период дождей и т. д.), то запасы воды в бассейне увеличиваются и u>0. Если, наоборот, расходная часть больше приходной (например, в период снеготаяния, в межень, когда река питается в основном подземными водами), то запасы воды в бассейне истощаются («срабатываются») и u 3 , км 3 ), отнесенные к какому-либо интервалу времени (месяц, сезон, год). В первом случае (единицы измерения — мм) рекомендуется использовать строчные буквы: -x, у, z, w, u, во втором (м 3 или км 3 ) — прописные: X, Y, Z, W, U. Перевод единиц слоя в единицы объема и наоборот осуществляется с учетом площади бассейна. Для этого используют формулы вида X=kxF, где х в мм, F в км 2 . Если х необходимо получить в м 3 , то к= 10 3 , если в км 3 , то к= 10 -6 .
Уравнение водного баланса (6.14) отличается от традиционно используемого уравнения введением члена, учитывающего искусственный приток извне у1. В современных условиях, когда начинает активно использоваться межбассейновое перераспределение стока, не учитывать это обстоятельство при составлении и анализе уравнения водного баланса речных бассейнов уже нельзя.
Во многих случаях возможны некоторые упрощения уравнения водного баланса (6.3). Чаще всего можно не учитывать конденсацию z1. Для больших речных бассейнов нередко не учитывают подземный приток и отток на границах бассейна (их величины значительно меньше других членов уравнения) или принимают в таких случаях и при отсутствии искусственного перераспределения стока между смежными бассейнами уравнение водного баланса примет вид
Уравнение (6.4) широко используют в гидрологии для анализа водного баланса речных бассейнов для отдельных месяцев, сезонов, лет. Нередко при анализе уравнения водного баланса вида (6.4) оказывается, что осадки х и сток у не вполне соответствуют друг другу. Такая ситуация возникает, например, когда зимние осадки, выпавшие в конце календарного года («прошлогодний снег»), стекают лишь весной следующего года. Чтобы избежать такого несоответствия и уменьшить величину переходящих от года к году запасов влаги в бассейне (±u), вводят понятие гидрологический год, начало которого в климатических условиях России приходится на осенние месяцы (1 октября или 1 ноября).
Наконец, при осреднении за длительные периоды, когда изменением запасов воды в пределах речного бассейна (±u) можно пренебречь, уравнение водного баланса записывают в самом простом виде:
Это уравнение («осадки равны стоку плюс испарение» или «сток равен осадкам минус испарение») называют уравнением водного баланса речного бассейна для многолетнего периода.
Распределение величин х, у и z на земном шаре носит зональный характер и зависит от климатических условий.
Структура водного баланса бассейна реки
Под структурой водного баланса бассейна реки понимают соотношение между различными приходными и расходными составляющими уравнения водного баланса.
Рассмотрим уравнение водного баланса для многолетнего периода (6.5) и определим долю расходных членов (стока и испарения) относительно их суммы или, что то же самое,— осадков. Для этого разделим обе части уравнения на х:
Отношение стока к осадкам назовем коэффициентом стока ( = у/х). Этот коэффициент показывает, какая доля осадков превращается в сток; отношение z/x можно по аналогии с коэффициентом стока назвать коэффициентом испарения и обозначить через . Сумма и должна давать 1.
Диапазон возможного изменения коэффициента стока для многолетнего периода следующий: 0 l. Величина уменьшается с возрастанием «индекса сухости» z0/x. В условиях избыточного и достаточного увлажнения (тундра, лесотундра, леса) значения а находятся обычно в пределах 0,4-0,6. В условиях недостаточного увлажнения (лесостепь, степь) величины коэффициента стока существенно меньше (приблизительно в пределах 0,4-0,1). Наконец, в условиях очень засушливого климата (полупустыни и пустыни) величина приближается к 0.
Источник
Уравнение водного баланса речных бассейнов
Водный баланс.
Соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее за выбранный интервал времени для рассматриваемого называется водным балансом.
Чтобы составить уравнение водного баланса земного шара, запишем условия равенства прихода и расхода воды в океане и на суше
где: Хо — среднегодовые осадки на поверхности океанов и морей;
Хс — среднегодовые осадки на поверхности суши;
Ео — среднегодовое испарение с океанов и морей;
Ес — среднегодовое испарение с суши;
У — средний годовой сток речных бассейнов.
Суммируя равенства, получаем:
то есть количество воды, испаряющейся с поверхности океанов, морей и континентов, равно количеству осадков, выпадающих на эти поверхности.
Математическое выражение, описывающее водный баланс, называется уравнением водного баланса. Оно может быть составлено для определенного водного объекта (озеро, водохранилище и др.), речного бассейна, участка территории, гидрологического района, страны, материка и земного шара. Уравнение водного баланса выражает закон сохранения материи, соотношение между компонентами водного баланса для земного шара.
Уравнение водного баланса континента за многолетний период записывается следующим образом:
где: Ха— осадки, выпадающие за счет влаги, принесенной с океана и сопредельных территорий;
ХЕ —осадки, образующиеся за счет местного испарения;
U — подземные воды;
Е — суммарное испарение.
В практических расчетах компонентов водного баланса это уравнение используют в упрощенном виде:
где: Х- суммарные осадки на континенте, включая конденсацию влаги, которая в некоторых регионах может составлять существенную величину (в зоне многолетней мерзлоты, в пустынях и др.).
Водосбор реки (или речной системы) и вся толща почвогрунтов, с которой вода поступает в реку, называется речным бассейном. Совокупность рек, сливающихся вместе и выносящих свои воды в виде общего потока, называется речной системой. Бассейн реки, озера или водохранилища состоит из поверхностного и подземного водосборов. Участок земной поверхности, с которого стекают воды в отдельную реку (озеро) или в речную систему, представляет поверхностный водосбор. Подземный водосбор — толща почвогрунтов, из которой вода поступает в реки, озера и водохранилища. Соответственно различают поверхностный и подземный (грунтовой, почвенный) сток рис. 1.1. Несовпадение поверхностного и подземного водосборов наблюдается у малых рек и рек, у которых из-за геологических условии происходит активный водообмен между бассейнами.
Рас. 1.1. Схема водного баланса бассейна:
1- осадки; 2 — инфильтрация (просачивание, преимущественно по порам; 3- подземный сток; 4 — поверхностный сток; 5 — испарение; 6- капиллярное поднятие и испарение.
Границы подземного водосбора определить трудно. Границы поверхностного водосбора фиксируются достаточно точно водораздельной линией по карте с горизонталями. Водораздельная линия речного бассейна представляет замкнутый контур, отделяющий смежные водосборы. На практике за площадь бассейна принимается площадь поверхностного водосбора.
Нижний створ на реке, ограничивающий рассматриваемый бассейн, называется замыкающим створом. У замыкающего створа гидрометрическими методами определяется речной сток. Основными компонентами водного баланса речных бассейнов являются осадки х, сток у и испарение Е.
При составлении уравнения водного баланса речных бассейнов за ограниченный промежуток времени (месяц или год) необходимо учесть изменение запасов влаги и в бассейне — возрастание или убывание снежного покрова, изменение запасов воды в озерах, болотах и поймах рек, накопление и расходование грунтовых и почвенных вод. Величина и может иметь как положительное (при накоплении влаги в бассейне в многоводные периоды), так и отрицательное (в маловодные годы) значение. Учитывается также подземный водообмен ω смежных подземных бассейнов в связи с несовпадением поверхностного и подземного водосборов; ω имеет знак плюс при поступлении воды за пределы рассматриваемого водосбора и минус в обратном случае. Следовательно,
Величина водообмена ω с увеличением площади водосбора убывает, поэтому для достаточно больших речных бассейнов можно считать, что ω = 0. Тогда уравнение принимает вид:
Это уравнение можно использовать для годичного интервала, включающего периоды накопления и расходования влаги в рассматриваемом речном бассейне. Такой интервал называется гидрологическим годом. В климатических условиях бывшей территории СССР за начало гидрологического года принимается 1 октября или 1 ноября. В это время переходящие из года в год запасы влаги незначительны. Для рек со стоком снегового и дождевого происхождения к гидрологическому году следует отнести периоды накопления снега, снеготаяния, половодья, интенсивных дождей и период стока осенних дождей.
Уравнение водного баланса широко используется в инженерной гидрологии в качестве основы для различных воднобалансовых расчетов.
Среднеарифметические характеристики гидрологического (метеорологического) режима за многолетний период такой продолжительности, при увеличении которой полученное среднее значение существенно не меняется, называется нормой гидрологических (метеорологических) величин.
Отношение объема (или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших сток, у/х = η называется коэффициентом стока. Отношение Е/х = Ψ называется коэффициентом испарения.
где: ηо — норма коэффициента стока;
Ψ о — норма коэффициента испарения.
Каждый из этих коэффициентов изменяется от 0 до 1,0, и их сумма равна единице. В целом для всей территории земного шара ηо ≈ 0,39.
В районах избыточного увлажнения коэффициент ηо достигает значения 0,7, а в засушливых и пустынных районах — уменьшается до нуля. Не следует смешивать испарение с поверхности водосбора с испарением только с водной поверхности. Последнее в засушливых районах может во много раз превышать осадки.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Водный баланс речных бассейнов
Водный баланс – соотношение за какой-либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т. д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды для речного бассейна или участка территории, для озера, болота или другого исследуемого объекта. В общем случае учету подлежат атмосферные осадки, конденсация влаги, горизонтальный перенос и отложение снега, поверхностный и подземный приток, испарение, поверхностный и подземный сток, изменение запаса влаги в почвогрунтах и др.
Приходная часть баланса состоит из осадков, искусственного притока, подземного притока извне, а расходная часть включает сток реки, искусственный отток (каналы, оросительные системы), подземный сток, испарение и накопление воды.
Если приходная часть превышает расходную (например, зимой при накоплении снега, в период дождей), то запасы воды в бассейне увеличиваются: Δu > 0. Если расходная часть больше приходной (в период снеготаяния, в межень), то запасы воды в бассейне истощаются: Δu
Водные ресурсы — это пригодные для использования воды Земли: речные, озерные, подземные, почвенная влага, лед горных и полярных ледников, водяные пары атмосферы и морские воды. К ним также относятся «связанные» воды, входящие в состав минералов и биомассы [1, с. 155] Самыми ценными для хозяйства являются пресные воды суши – речные, подземные, а также воды озер и водохранилищ. Они наиболее доступны для использования на большей части пространств суши и непрерывно возобновляются в процессе круговорота воды. Поэтому балансовая оценка водных ресурсов наиболее соответствует особенностям происхождения этого вида природных ресурсов и существующей теории гидрологической науки, в основе которой лежит процесс влагооборота.
Главное звено круговорота воды – водообмен между океаном и континентами. Сколько бы раз ни употреблялась вода человеком для его жизни и производственной деятельности, количество ее на Земле от этого не изменится. Со временем может восстановиться и ее качество.
Использование водных ресурсов отличается от характера использования других источников природных ресурсов. Например, после того как полезные ископаемые добыты и переработаны, они перестают существовать. Вода же после любых видов использования остается водой, иногда лишь превращаясь в пар, но при всех видах ее использования продолжает участвовать в круговороте. Благодаря круговороту воды все виды гидросферы с той или иной интенсивностью возобновляются. Поэтому, если воду использовать в объеме, возобновляемом круговоротом воды, то источники водных ресурсов будут неисчерпаемыми [3, с. 99] .
Однако и в этом случае вода может быть неисчерпаемым ресурсом только при условии ее охраны и рационального использования. Касаясь охраны водных ресурсов, следует подчеркнуть два относящихся к этому наиболее важных положения: охрана вод в процессе их использования и повторное использование сточных вод, которое в конечном счете должно привести к прекращению сброса сточных вод в реки и водоемы [2, с. 164].
Водный баланс пресных вод континентов и суши в целом, мм
| Континенты и области стоков | Площадь, тыс.км2 | Осадки | Испарение | Сток | Навязка баланса | Коэффициент стока |
| Европа | 10500 | 789 | 505 | 306 | -22 | 0,39 |
| Азия | 43475 | 742 | 414 | 332 | -4 | 0,45 |
| Африка | 30120 | 742 | 533 | 151 | +58 | 0,20 |
| Северная Африка | 24200 | 756 | 418 | 339 | -1 | 0,45 |
| Южная Америка | 17800 | 1597 | 853 | 661 | +83 | 0,41 |
| Австралия и Океания | 8950 | 791 | 491 | 267 | +33 | 0,33 |
| Антарктида | 13980 | 177 | 0 | 165 | +12 | — |
| Вся суша | 149000 | 800 | 463 | 314 | +23 | 0,42 |
| Области внешнего стока | 119000 | 924 | 512 | 385 | +27 | 0,42 |
| Области внутреннего стока | 30200 | 288 | 268 | 33 | -13 | 0,11 |
Охрана вод в процессе использования означает сведение до минимума объема сточных вод путем перевода производства на сухую и безотходную технологию или, как минимум, применения замкнутого цикла оборотного водоснабжения. Элементы охраны водных ресурсов должны быть заложены в процесс самого производства. Другой аспект проблемы охраны водных ресурсов – повторное использование сточных вод как основа рационально организованной охраны. При этом все эти воды должны находиться под контролем людей.
Рациональное использование и расширенное воспроизводство водных ресурсов предусматривают балансовых подход к проблеме. Уравнение водного баланса – это математическая модель круговорота воды. Оно может быть составлено для всей Земли, Мирового океана, суши, отдельных континентов и стран, речных бассейнов, озер или любой другой территории, ограниченной произвольным контуром. Результат расчета водного баланса – определение для заданной территории количества влаги, участвующей в кругообороте.
Балансовый подход к изучению водных ресурсов может быть реализован при согласованных действиях ученых всех стран мира. Очень важна роль международных мероприятий, проводимых под эгидой ЮНЕСКО (Международный геофизический год, Международное гидрологическое десятилетие и пр.).
Источник