Уравнение водного баланса для бассейна реки

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: Х_о — среднегодовые осадки на поверхности океанов и морей;

Х_с — сред­негодовые осадки на поверхности суши;

Е_о — среднегодовое испарение с океа­нов и морей;

Е_с — 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: Х_а— осадки, выпадающие за счет влаги, принесенной с океана и сопре­дельных территорий;

Х_Е —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: η_о — 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 η_о ≈ 0,39.

В районах избыточного увлажнения коэффициент η_о 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

Уравнение водного баланса речного бассейна

Водные ресурсы и водный баланс земного шара и страны

В земном шаре непрерывно происходит обмен влагой между гидро-, атмо-, и литосферой, состоящий: из испарения, переноса, водяноого пара и его конденсации в атмосфере, выпадение осадков и образования стока. Всё это называется влагооборот земного шара.

Различают несколько видов влагооборота в природе:

1. Большой (или мировой) влагооборот водяного пара, испарившийся с поверхности океанов, переносится ветрами на метрики, выпадает в виде атмосферных осадков и возвращается в океан со стоком.

2. Малый (или океанический) влагооборот- водяной пар, испарившиейся с поверхности океанов, выпадает в виде атмосферных осадков в океан.

3. Внутриконтинентальный влагооборот- вода, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

Водный баланс- cоотношение прихода и расхода воды с учетом изменения её запасов за выбранное время для рассматриваемого объекта.

Для составления водного баланса земного шара принимаем следующие обозначения:

, , — соответственно испарение в среднем за год с поверхности Мирового океана, периферийных областей суши и бессточных областей суши, – испарение с поверхности земного шара.

, , , – соответственно средняя годовая сумма атмосферных осадков, выпадающих на поверхность океана, периферийных и бессточных областей и на континент, –годовую сумму осадков для всего Земного шара, –средний суммарный годовой сток с суши.

U, У, Е –соответственно суммарное испарение, речной сток и подземные воды континента.

При принятых обозначениях водный баланс Земного шара примет следующий вид:

· Для малого круговорота влаги в пределах океана:

= +

· Для большого круговорота влаги:

+Ус=

· Для бессточных областей:

=

Следует отметить, что суммарные осадки на континент (Х) – включают в себя осадки, выпадающие за счёт влаги, принесенной с океана и сопредельных территорий, осадки, образующиеся за счёт местного испарения и конденсации влаги.

Очевидно, что для всего земного шара в целом справедливо равенство:

= + + = + + или =

Таким образом, количество воды, испаряющейся с поверхности океанов, морей и суши, равно количеству осадков, выпадающих на эти поверхности.

Ресурсы речного стока Российской Федерации

Ресурсы речного стока РФ:

1. Формирующиеся в пределах РФ — 4021 / год

2. Поступающие из сопредельных районов — 220,8 / год

3. Суммарные — 4242 / год

Отметим, что большая часть речного стока (80%) формируется в малонаселенных северных и северо-восточных районах страны и поступает в основном в бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. Так, например, ресурсы речного стока Сибири и Дальнего Востока, с учётом поступающих из сопредельных районов, составляют 3443 / год.

Уравнение водного баланса речного бассейна

Аналитическим выражением закона сохранения и превращения материи применительно к процессу круговорота воды является уравнение водного баланса.

Уравнение водного баланса имеет следующую структуру:

Выпадающие на поверхность суши осадки распределяются на сток, испарение и инфильтрацию. Эти элементы изменяются во времени и в пространстве, но для какого-то отрезка времени и какого-то выделенного объема суши можно составить уравнение водного баланса, исходя из количества вод, поступающих и уходящих из этого объема. Пусть выделен объем, ограниченный вверху поверхностью суши с площадью, равной F, внизу –некоторой поверхностью, лежащей на определенной глубине и боковой цилиндрической поверхности (рис. 2.1)

Все приходные и расходные элементы баланса отнесем к единице площади за некоторый отрезок времени T .

Этими элементами будут: осадки – Х , конденсация – Z ,

испарение — ; приток и убыль воды из объёма русловыми потоками — и ; поступление и уход воды через боковую поверхность — .

Запасы подземных и поверхностных вод в начале и в конце отрезка времени T обозначим через .

Тогда уравнение водного баланса можно представить так:

или приняв обозначение разности без индекса, —

Это – общее уравнение водного баланса выделенного объема суши. Слагаемые X, Y, Z являются существенно положительными, остальные могут быть либо положительными, либо отрицательными.

Первый член правой части уравнения соответствует высоте стока, которая слагается из высот поверхностного и подземного стоков; второй – высоте суммарного испарения с данной поверхности, т.е. испарения с поверхности почвы, воды и путем транспирации; третий – боковому перемещению воды; четвертый – изменению запасов воды в данном объеме, которое может быть представлено тремя частями:

U=

– изменение запаса между верхней и нижней поверхностями выделенного объема, а и — на верхней поверхности объема.

Первая часть относится к изменению запаса подземных вод, вторая – к изменению запаса воды в снежном покрове и третья – к изменению запаса воды в естественных водоемах на поверхности.

Рис. 2.1 Графическое представление элементов водного баланса

Источник