Водный баланс речного бассейна формула

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

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 w_b 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