Расходная часть водного баланса реки

Элементы водного баланса

Превышение приходной или расходной части уравнения водного баланса определяет возможное заболачивание или иссушение территории. Поэтому необходимо знать особенности формирования и количественные характеристики элементов водного баланса в различных климатических зонах. Основными элементами водного баланса являются атмосферные осадки, испарение и сток.

Атмосферные осадки. Роль осадков в формировании водного режима почв очень велика. Как отмечалось выше, на территории России выпадает 11 700 км3 осадков. При равномерном распределении по территории средний слой осадков (норма осадков) составляет 530 мм в год. Однако выпадающие осадки распределяются по отдельным районам неравномерно. По берегам Северного Ледовитого океана в условиях арктического климата выпадает до 300—400 мм осадков, в западных и центральных районах европейской части РФ и в Западно-Сибирской низменности 500—600, в Нижнем Поволжье 300— 400, в Арало-Каспийской низменности 100—150 мм осадков. Неравномерность выпадения осадков усугубляется изменчивостью их величин в разные годы. Так, в лесостепной и степной зонах недостаток осадков часто сопровождается неравномерностью их выпадения в течение года, особенно в период вегетации. В засушливых районах Средней Азии неблагоприятно складывается внутригодовое распределение осадков: при малой сумме за год в холодные сезоны выпадает в 1,5—2 раза больше осадков, чем в теплые.

Осадки оказывают огромное влияние на заболоченность территорий, хотя и не являются единственной причиной заболачивания. Заболоченные территории страны находятся в районах, где годовая сумма осадков превышает испарение.

На величину осадков существенное влияние оказывает лес. На облесенных территориях за счет шероховатости поверхности древесного полога количество осадков несколько увеличивается. Особенно велика роль леса в задержании выпавших осадков и аккумуляции их лесной подстилкой. Большое влияние оказывает лес на распределение твердых осадков. Он задерживает снег, удлиняет на I—2 недели период снеготаяния, способствует замедлению стока талых вод весной и обеспечивает инфильтрацию значительной их части в почву с последующим внутрипочвенным стоком.

Испарение. Испарение — процесс перехода влаги из жидкой или твердой фазы в парообразное состояние и перенос пара на определенные расстояния от испаряющей поверхности (земли, растений) в результате солнечной радиации (физического испарения) и за счет транспирации растениями в процессе из жизнедеятельности. Общий расход влаги на физическое испарение и транспирацию называется суммарным испарением (эвапотранспирацией).

При определении испарения следует различать понятия: «испарение» и «испаряемость». Под испарением понимают расход воды, который происходит с поверхности земли в конкретных почвенно-климатических условиях. Под испаряемостью понимают максимально возможное испарение при неограниченном поступлении влаги к испаряющей поверхности. Обычно испаряемость определяют по величине испарения с водной поверхности.

Испарение колеблется в значительных пределах в зависимости от количества осадков, температуры воздуха и испаряющей поверхности, относительной влажности воздуха, геоморфологии местности и экспозиции склона, водно- физических свойств почвогрунтов, их влажности, характера растительности и др. Среднегодовая величина испарения (норма испарения) с водной поверхности сильно колеблется по климатическим зонам, составляя 100—200 мм в северных районах, увеличиваясь до 1 000 мм и более на юге. Испарение в течение года сильно меняется, достигая максимальных значений летом, уменьшаясь осенью и резко снижаясь зимой. Например, в Вологде, по данным А. Р. Константинова, в июле испарение с поверхности суши составляет 84 мм, т. е. почти 3 мм в сутки, в октябре среднесуточное испарение снижается до 0,5 мм при суммарной величине за месяц 21 мм. В зимние месяцы испарение происходит с поверхности снега и не превышает 5—8 мм в месяц.

На величину испарения большое влияние оказывает характер растительности. В лесу древесный полог снижает проникновение солнечной радиации к поверхности почвы, уменьшает скорость ветра, в результате чего физическое испарение снижается. Уменьшает испарение и слой лесной подстилки. Обладая малой теплопроводностью, она уменьшает нагревание минеральных горизонтов почвы, предохраняя почву от воздействия солнечной радиации и снижая приток воды по капиллярам к испаряющей поверхности. Однако суммарное испарение в лесу может оказаться выше, чем на безлесной площади за счет активной транспирации воды древесными растениями. Исследованиями С. Ф. Федорова установлено, что в лесу транспирационный расход влаги выше физического испарения. Величина суммарного испарения зависит от состояния и продуктивности древостоя. По нашим исследованиям, проведенным на осушенных торфяниках в Ленинградской области, в сосновом древостое IV класса бонитета суммарное испарение составило 373 мм в год, а в сосняке I—II классов бонитета 451 мм. В летние месяцы среднесуточная величина суммарного испарения превышала 3 мм.

Академик А. Н. Костяков, сопоставляя приход влаги с расходом на испарение с учетом эффективности использования осадков, разделил европейскую часть России на зоны различной обеспеченности почв и растений влагой. В зоне избыточного увлажнения коэффициент отношения осадков к испарению (рис. 1) превышает 1. В зоне неустойчивого увлажнения величина осадков близка к величине испарения, в зоне недостаточного увлажнения испарения постоянно превышает осадки.

Основным видом гидромелиорации в зоне избыточного и неустойчивое увлажнения является осушение переувлажненных земель, в зоне недостаточного увлажнения — орошение, которое в засушливый год или в сухие периоде года может применяться в других зонах.

Зоны водообеспеченносп европейской части России:

Источник

Питание, водный режим рек, водный баланс речного бассейна.

Источники питания рек – дождевые, снеговые, ледниковые и подземные воды.

Дождевое питаниепреобладает в теплом поясе и в районах умеренного пояса с муссонным климатом. Доля стекающих дождевых осадков увеличивается при выпадении на увлажненную почву.

Снеговое питаниепреобладает в холодном и умеренном поясах. Стеканию снеговых вод способствуют повышенная интенсивность снеготаяния, зимнее промерзание грунта и особенно наличие ледяной корки на почве.

Ледниковое питание происходит в результате таяния ледников. Основные факторы – площадь водосбора, занятая ледниками, и температура воздуха.

Подземное питание – поступление в реку грунтовых и межпластовых вод (сток в реки почвенных вод и верховодки условно относится к поверхностному питанию). Зависит от геологического строения и распространения в бассейне водопроницаемых почв, трещиноватых пород, от лесистости.

Основной отрицательный фактор формирования стока — испарение с поверхности бассейна, включающее транспирацию, физическое испарение с поверхности почвы и пустот внутри почвы, с поверхности водных объектов. Испарение зависит от температуры воздуха и испаряющей поверхности (воды, льда, снега), влажности воздуха, скорости ветра, глубины залегания подземных вод. Для транспирации кроме указанных факторов важен вид растительности, для испарения с ледников – их высотное положение и, следовательно, атмосферное давление. Перечисленные факторы определяют потенциальную возможность испарения, называемую испаряемость. Фактическое испарение лимитируется наличием испаряющейся влаги. Для водной поверхности рек, озер и ледников испарение практически равно испаряемости. В пустынях тропического пояса испаряемость наибольшая, а испарение наименьшее. В полярных странах испаряемость наиболее низкая; испарение практически равно испаряемости.

Естественный водный баланс речного бассейна:

где x – осадки на поверхность бассейна, z – суммарное испарение с его поверхности, y –речной сток, w₁ – приток подземных вод, получающих питание за пределами данного бассейна, w₂ – отток подземных вод, сформировавшихся в данном бассейне, за его пределы не в составе речного стока, – изменение запасов воды в бассейне, содержащейся в подземных водоносных горизонтах, в почве, в водоемах и русловой сети, в снежном покрове и ледниках.

При наличии антропогенного влияния в уравнение водного баланса вводятся соответствующие составляющие.

В среднем за многолетний период в целом за год =, величины w₁ и w₂имеют значение, как правило, лишь для части малых рек, поэтому уравнение водного баланса можно записать в простом виде:

x = z + y.

Фазы водного режима рек: половодье, паводки, межень.

Половодье – это фаза, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продолжительным подъемом уровня воды.

Паводок – это фаза водного режима, которая может многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уровней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время оттепелей. Иногда паводок накладывается на волну половодья.

Межень – это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон, характеризующаяся малой водностью, длительным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие уменьшения питания реки. Основной источник питания, как правило, подземные воды.

Классификация рек территории бывшего СССР по водному режиму Б.Д. Зайкова:

— реки с весенним половодьем; типы: а) казахстанский, б) восточноевропейский, в) западносибирский, г) восточносибирский, д) алтайский;

— реки с половодьем в теплую часть года; типы: а) дальневосточный, б) тянь-шаньский;

— реки с паводочным режимом; типы: а) причерноморский, б) крымский, в) северокавказский.

Факторы формирования среднего многолетнего стока:

а) климатические — количество осадков и величина испарения, связанные с планетарными условиями — общий перенос влаги, траектории циклонов, влияние океана и морей.

б) подстилающей поверхности рельеф, геология, почвы, растительность, хозяйственная деятельность.

Общие закономерности изменения стока по территории можно проследить на примере распределения стока на европейской части бывшего СССР. На широтах 60-65˚ наблюдается «климатический гребень» стока со значениями 350-400мм. Отсюда понижение стока к северу до 300-350мм из-за уменьшения осадков при более медленном уменьшении испарения. На севере Кольского полуострова повышение стока под влиянием относительно теплого Баренцева моря. Понижение стока к югу до 50-100мм в степной зоне, до 20мм на побережье Азовского моря и 5мм в Прикаспийской низменности, связанное с уменьшением осадков и увеличением испаряемости. Некоторое увеличение стока на возвышенностях (Валдайская, Донецкий кряжи др.) и существенное в горах – в Крыму с 20 до 150мм, на Кавказе до 2000-3000мм.

Движение воды в реках.

Средняя для поперечного сечения скорость течения определяется по формуле Шези:

где I – продольный уклон, R – гидравлический радиус, h_ср – средняя глубина в сечении, C – коэффициент Шези: С = /n (n – коэффициент шероховатости, зависящий от неровностей дна, водной растительности, извилистости русла).

Поперечная циркуляция воды возникает при наличии перекоса уровня по ширине реки, что обычно связано с центробежной силой на повороте реки. Происходит повышение воды и гидростатического давления у вогнутого берега. В результате в придонных слоях возникает течение, направленное в сторону выпуклого берега. В поверхностных слоях поперечное течение направленно от выпуклого берега к вогнутому. Поперечные течения, складываясь с основным продольным переносом воды, создают спиралевидное движение.

Если на прямолинейном участке реки скорость течения обычно уменьшается от середины к берегам, то на повороте реки струи с максимальной скоростью течения смещаются к вогнутому берегу.

При нормальном распределении скоростей течения по глубине их максимальные значения наблюдаются в слое от поверхности воды до глубины 0,2h. На глубине 0,2h она примерно равна средней скорости на вертикали, минимальное ее значение (не равное нулю) наблюдается у дна. При ледяном покрове максимум скорости смещается примерно на глубину 0,6h. Под воздействием ветра, неровностей дна, водной растительности нормальное распределение скоростей течения нарушается.

Линии, соединяющие точки в поперечном сечении реки с одинаковой скоростью течения называются изотахами.

Речные наносы и русловые процессы.

Характеристики речных наносов:

– мутность воды (s г/м 3 ) – количество взвешенных веществ (m) в единице объема воды (V), ;

– геометрическая крупность наносов (D мм) – размер взвешенных или влекомых частиц (условный диаметр);

– гидравлическая крупность наносов(ω мм/с) – скорость осаждения частиц в неподвижной воде.

Взвешенные наносы переносятся при условии v_в.в_. > ω, где v_в.в_. – вертикальная составляющая турбулентного потока, направленная вверх.

Перемещение влекомых наносов происходит при условии v_дно > v_дно,0, где – v_дно скорость течения у дна, v_дно,0 — начальная скорость, при которой частица на дне теряет свою устойчивость, зависящая от размера и плотности частиц наносов, шероховатости дна и др. Согласно закону Эри, вес частицы (F_g), приходящей в движение по дну под воздействием водного потока пропорционален шестой степени скорости течения у дна:

где A — коэффициент пропорциональности.

Расход наносов (R кг/с) — количество твердых веществ (в кг), проносимое через поперечное сечение реки за 1 с.

Сток наносов – количество твердых веществ, проносимое через поперечное сечение за некоторый интервал времени (Δt).Сток взвешенных наносов W_в.н. = тонн, где R_ср – средний расход наносов. За год W_в.н. =R_ср∙31,54∙10 3 тонн. Сток влекомых наносов обычно составляет 5-10% от общего стока наносов.

Русловые процессы — постоянно происходящие изменения размеров и положения в пространстве отдельных русловых образований в результате взаимодействия речного потока и русла.

Русловые образования — скопления отложившихся наносов, создающих специфические формы рельефа русла и поймы. Различают микро-, мезо- и макроформы.

Кмикроформам относятся гряды, высота которых значительно меньше глубины реки; самые мелкие гряды высотой в несколько сантиметров – рифели.

Мезоформы:

перекат — крупная русловая гряда по всей ширине русла, расположенная перпендикулярно к нему (нормальный перекат) или под углом (косой перекат); относительно глубокие участки русла между перекатами называются плесами;

ленточная гряда — крупная гряда, занимающая всю ширину русла или значительную его часть, обычно дугообразной формы с выпуклостью вниз по течению;

побочень – отмель (относительно мелкое пространство), примыкающая к берегу и обсыхающая в межень;

осередок – отделенная от берегов подвижная отмель обычно вытянутой формы, обсыхающая в межень;

коса – гряда, примыкающая в верхней (по течению) части к берегу и вытянутая вдоль русла под углом к берегу;

пляж – скопление речных отложений на выпуклой стороне излучины;

остров – относительно стабильное образование, закрепленное растительностью, частично затапливаемое при высоком уровне воды.

Макроформы: речная излучина, система протоков, система осередков (рис.14).

Излучина (меандра) – изгиб русла реки в плане. Излучины характерны для типа извилистого русла. В процессе развития кривизна излучины увеличивается, в итоге происходит прорыв ее перешейка и образование старицы, т.е. отделенной от русла излучины.

Система проток (рукавов) между островами, свойственная типу многорукавного русла.

Система осередков, свойственная типу разбросанного русла.

Рис.14 Формы рельефа русла.

Температура воды и ледовые явления.

Температура подо льдом 0,1-0,3˚ С выше нуля, весной во время ледохода она не превышает 1˚. В периоды без ледовых явлений температура воды зависит в основном от температуры воздуха. Среднесуточная температура воды до середины лета обычно ниже, чем воздуха, в конце лета и осенью — выше.

Ниже водохранилищ температура речной воды летом существенно ниже обычной, зимой выше, что приводит к возникновению многокилометровых незамерзающих участков реки. Обильное подземное питание реки охлаждает ее воду в летний период, зимой приводит к уменьшению ледяного покрова, а иногда — к образованию полыньей.

Суточные максимумы температуры воды запаздывают на 1-2 часа по сравнению с температурой воздуха.

На малых и средних реках температура воды по глубине практически не меняется, на крупных реках возможно ее уменьшение летом в нижних слоях на 1-2˚.

Тепловой сток (W_т в Дж или ккал) – количество тепла, проносимое через заданный створ реки за интервал времени ( ):

W_т = L_тпл∙ρ∙T∙V, где V – объем водного стока за тот же интервал времени, T – средняя температура воды, ρ – ее плотность, L_тпл – удельная теплоемкость воды.

Крупные реки, текущие в меридиональном направлении – трансзональные реки – имеют температуру воды, не свойственную рекам данной местности.

Реки по характеру ледового режима делятся на три группы: замерзающие, с неустойчивым ледоставом и незамерзающие.

На замерзающих реках выделяют три периода с характерными ледовыми явлениями: 1) замерзания, или осенних ледовых явлений, 2) ледостава, 3) вскрытия, или весенних ледовых явлений.

Замерзание рек. При снижении температуры воды до нуля в реке начинаются осенние ледовые явления. Сало – плывущие пятна ледяной пленки, состоящие из кристалликов льда в виде тонких игл. Примерно в то же время образуются забереги – полосы неподвижного льда у берегов. При переохлаждении воды (до долей градуса ниже нуля) в ее толще и на дне может образовываться внутриводный лед – непрозрачная губчатая, ледяная масса из хаотически сросшихся кристалликов льда. Скопление внутриводного льда на поверхности или в толще потока образуют шугу. Ее движение называется шугоходом. Одновременно на поверхности образуются льдины, состоящие из кристаллического льда. Их движение – осенний ледоход.Закупорка русла шугой называется зажором, а льдинами – затором.

Ледостав – образование сплошного неподвижного ледяного покрова. Небольшие незамерзающие участки – полыньи. Они связаны с выходами подземных вод или с бурным течением, иногда со сбросом в реку теплых вод промышленными и коммунальными предприятиями. По мере нарастания толщины ледяного покрова, поперечное сечение русла уменьшается. Под влиянием возникающего напора вода может изливаться на поверхность льда. При ее замерзании образуется наледь.

Вскрытие рек. При наступлении положительных температур воздуха весной начинается таяние снега, а затем и льда. На реке у берегов образуются полосы чистой воды – закраины. Сцепление ледяного покрова с берегом прекращается, появляются трещины. Иногда после этого наблюдаются небольшие (в несколько метров) смещение ледяных полей – подвижки льда. Затем ледяной покров разбивается на отдельные льдины, движение которых образуют весенний ледоход.Весной чаще, чем осенью, возникают заторы, особенно на крупных реках, текущих с юга на север. На малых реках ледяной покров нередко тает на месте без ледохода.

Источник

Водный баланс речного бассейна

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 почво–грунтах и др.

Приходная часть баланса состоит из осадков, искусственного притока,

подземного притока извне, а расходная часть включает сток реки, искусствен- ный отток (каналы, оросительные системы), подземный сток, испарение и на- копление воды.

В упрощенном виде уравнение водного баланса для речного бассейна имеет следующий вид:

y – поверхностный сток;

Δu – подземный сток.

Если приходная часть превышает расходную (например, зимой при нако- плении снега, в период дождей), то запасы воды в бассейне увеличиваются: Δu > 0. Если расходная часть больше приходной (в период снеготаяния, в ме- жень), то запасы воды в бассейне истощаются: Δu

Наконец, метод водного баланса позволяет косвенным путем определить по разности между изученными величинами тот из компонентов баланса влаги

(сток, осадки, испарение, фильтрация и т. д.), который в данных условиях труд-

но измерить, но знание которого бывает необходимо или для решения чисто инженерных задач, или для выяснения общих закономерностей влагооборота к пределах рассматриваемого пространства.

2.4. строение реки Главная река со всеми ее притоками образует речную систему, которая характеризуется густотой речной сети, т. е. совокупностью рек, изливающих воды одним общим руслом или системой протоков в море, озеро или другой водоем. Поверхность суши, с которой речная система собирает свои воды, назы- вается водосбором, т. е. частью земной поверхности, с которой вода поступает в отдельный водоток или водосборной площадью. Водосборная площадь вместе с верхними слоями земной коры, включающая в себя данную речную систему и отделенная от других речных систем водоразделами, называется речным бас- сейном. Реки обычно текут в вытянутых пониженных формах рельефа – долинах (рис. 8), т. е. отрицательных, линейно вытянутых формах рельефа разнообраз- ного профиля с однообразным падением, наиболее пониженная часть которых называется руслом, а часть дна долины, заливаемая высокими речными водами, – поймой. Кроме того долина имеет ряд надпойменных террас (обычно 2-3) (рис. 9).

Рис. 8. Виды поперечных профилей

а б речных долин: а – корытообразный (трог);

б – V – образная щелевая; в – трапециевид-

ная (террасированная); г – U – образная

в г

Рис. 9. Схема расположения и строения волжских террас в районе г. Сызрани (по объяснительной записке к временной стратиграфической схеме четвертичных отложений Прикаспийской низменности, 1951): 1 – аллювиальные пески с галькой;

2 – аллювиальные пески; 3 – суглинистые пойменные фации; 4 – раннехвалынские шоколадные глины; 5 –хазарская, или волжская, фауна млекопитающих; 6 – неоген и более

Речные террасы представляют собой горизонтальные или слабо накло- ненные поверхности на склонах речных долин, ограниченные уступами. Обра- зованы размывающей и аккумулятивной деятельностью реки и сложены обыч- но аллювием. По происхождению они делятся на вложенные и наложенные тер- расы; по слагаемому материалу – на аккумулятивные, цокольные и коренные (рис. 10).

Рис. 10. Речные террасы: 1 – аккумулятивная; 2 – эрозионная;

3 – наложенная; 4 – вложенная

Исток – место, где водоток (напр., река или ручей) берет свое начало.

На географической карте исток обычно представляется условной точкой.

Истоком обычно является начало ручья, получающего воду из родника, конец ледника, озеро, болото. На болотных реках за исток часто принимается точка, с которой появляется открытый поток с постоянным руслом.

Устье – место впадения реки в водохранилище, озеро, море или другую реку. Часть реки, примыкающая к устью, может образовывать дельту или эс- туарий (губа, лиман).

Русло – наиболее пониженная часть долины, выработанная потоком воды, по которой осуществляется перемещение основной части донных наносов и сток воды в междупаводочные периоды. Русла больших рек имеют ширину от

нескольких метров до десятков километров (например, в низовьях Оби, Лены,

Амазонки), при этом возрастание глубины русла по мере увеличения размеров реки происходит медленнее, чем увеличение ширины. По длине русла глубокие места (плесы) чередуются с мелкими (перекатами). Русла равнинных рек обычно извилистые или разделены на рукава, сформированы в илистых, песча- ных или гравелистых отложениях. Как правило, русло в плане имеет сложные очертания; наряду с относительно прямолинейными участками имеются изги- бы, которые называют меандр, т. е. плавный изгиб русла реки. Меандрируя, ре- ки постепенно увеличивают свои излучин, подмывая вогнутый берег и откла- дывая переносимый материал у противоположного выпуклого берега. Посте- пенно днище долины расширяется и формируется пойма. На определенной ста- дии развития река может спрямить свое русло. Отделившийся от реки меандр превращается в старицу – замкнутый водоем – озеро, имеющую продолгова- тую, извилистую или подковообразную форму (рис. 11).

Рис. 11. Схема последо-

вательного смещения реч-

ных меандр по мере их развития:

а – начальная стадия; б – рост и смещение меандра; в – образование старицы

В руслах чередуются более глубокие места – плёсы и мелководные участ- ки – перекаты. Линия наибольших глубин русла образует фарватер, а линия наибольших скоростей течения называется стрежнем.

Пойма – часть речной долины, затопляемая в половодье или во время паводков.

Ширина пойм равнинных рек обычно составляет порядка от ширины рус-

ла до нескольких десятков ширин русла, иногда достигает 40 км.

Плёс – глубоководный участок русла реки, расположенный между мелко- водными участками русла реки (перекатами). Плёс обычно образуется там, где в половодье наблюдается местное увеличение скорости течения реки и интен- сивно размывается ее дно (например, в изогнутых участках русла, в сужениях речной долины). Обычно плёс образуется в русле меандрирующей реки в вер- шине излучины у вогнутого берега. Обычно по течению меандрирующей реки плёсы регулярно чередуются с перекатами.

Перекат – мелководный участок русла реки. Обычно перекат сложен рыхлыми отложениями (аллювием), пересекает русло и имеет вид вала: с поло- гим скатом, обращенным против течения, или с крутым скатом, обращенным по

Перекат образуется в результате неравномерного размыва русла водным потоком и отложения наносов. Перекат часто встречается в местах расширения

русла реки, близ устьев притоков. Над перекатами поток теряет свою энергию.

Разность высот между истоком и устьем реки называется падением реки; отношение падения реки или отдельных ее участков к их длине называется ук- лоном реки (участка) и выражается в процентах (\%) или в промилле (‰).

Дельта – сложенная речными наносами низменность в низовьях реки,

прорезанная разветвленной сетью рукавов и протоков. Дельты, как правило,

представляют собой особую миниэкосистему как на планете в целом, так и в бассейне конкретной реки.

Несмотря на ограниченные размеры (площадь всех дельт мира ненамного превышает 3\% площади суши, а на долю дельтовых берегов приходится около

9\% длины береговой линии Мирового океана), дельты обладают богатыми при- родными ресурсами (водными, земельными, биологическими), что делает их весьма перспективными для сельского и рыбного хозяйства, водного транспор-

та. Благодаря плодородным почвам и обилию влаги дельты рек в условиях теп- лого климата (Хуанхэ, Нила, Амазонки и пр.) стали местом зарождения земле- делия и человеческой цивилизации в целом. Эстуарий – воронкообразное зато-

пляемое устье реки, расширяющееся в сторону моря. Образуется у рек, впа- дающих в моря, где сильно воздействие на устье реки приливов или других движений океанских вод. В северных районах получили название губ (Обская

губа). В пустынных районах образуется так называемое сухое устье.

видной, прямоугольной, центростремительной. В каждой речной сети выделя- ют главную реку, впадающую в приемный водоем (океан или бессточное озеро) и притоки разных порядков, реки, впадающие в главную реку, называются при- токами 1 порядка; реки, впадающие в притоки первого порядка, называются притоками второго порядка и т. д. (рис. 12).

Рис. 12. Структура и морфологические характеристики речной сети:

а – схема речной системы; б – зависимость относительной глубины (h/В) от порядка потока (N) и среднего годового расхода (Q0); I-VIII – порядки естественных потоков

К морфометрическим характеристикам реки относятся:

– длина реки – расстояние вдоль русла между истоком и устьем, км;

– протяженность речной сети – общая сумма всех рек в пределах бас-

Источник

Уравнения водного баланса

Уравнение водного баланса в общем виде. Метод водного баланса основан на следующем очевидном равенстве: для любого объема пространства, ограниченного некоторой произвольной поверхностью, количество воды, вошедшее внутрь этого объема, за вычетом количества воды, вышедшего наружу, должно равняться увеличению (или соответственно уменьшению) количества ее внутри данного объема.

Это равенство справедливо для любого промежутка времени и для любого произвольно взятого пространства, ограниченного замкнутой поверхностью.

Водный баланс речного водосбора отражает важные с точки зрения гидрологии звенья процесса круговорота воды в природе. При анализе воднобалансовых соотношений многие гидрологические явления рассматриваются в их совокупности и взаимодействии.

Пользуясь методом водного баланса, представляется возможным производить сопоставление отдельных источников поступления влаги в различные периоды времени в пределы изучаемой территории и устанавливать степень их влияния на общий ход формирования водного режима изучаемого объекта. На основе взаимной увязки отдельных компоненгов водного баланса можно установить и путем анализа устранить возможные ошибки измерений и оценить точность полученных выводов.

Наконец, метод водного баланса позволяет косвенным путем определить по разности между изученными величинами тот из компонентов баланса влаги (сток, осадки, испарение, фильтрация и т. д.), который в данных условиях трудно измерить, но знание которого бывает необходимо или для решения чисто инженерных задач, или для выяснения общих закономерностей влагооборота к пределах рассматриваемого пространства.

Все это определило весьма широкое распространение этого метода в гидрологии.

Исходя из изложенных основных принципиальных положений, составим уравнение водного баланса для произвольно взятой части земной поверхности.

Контур, ограничивающий рассматриваемую часть земной поверхности, в общем случае пересекает входящие и выходящие водотоки. Через этот контур мысленно проведем вертикальную поверхность, которая будет являться боковой поверхностью выделяемого объема.

Эту боковую поверхность продолжим до горизонта, ниже которого воды не проникают (например, до водонепроницаемого слоя). Учтем все возможные пути поступления и расходования влаги в рассматриваемом объеме.

Приходную часть баланса влаги в рассматриваемом объеме будут составлять:

1) осадки х, выпавшие за рассматриваемый период времени на поверхность выделенного объема;

2) количество влаги z₁, конденсирующейся в почве и на ее поверхности;

3) количество воды w₁, поступившей путем подземного притока;

4) количество воды у₁, поступившей на данную площадь через поверхностные водотоки (русловой и склоновый сток).

Расходование влаги из рассматриваемого объема может осуществляться следующими путями:

1) испарение z₂ с поверхности воды, снега, почвы, растительного покрова и транспирация;

2) отток воды w₂ путем подземного стока;

3) стекание воды у₂ поверхностными водотоками (русловой и склоновый сток).

Превышение приходной части баланса над расходной будет вызывать увеличение запасов влаги в рассматриваемом объеме.

Наоборот, превышение расходной части баланса над приходной может произойти только за счет уменьшения запасов влаги.

Таким образом, чтобы получить равенство приходной и расходной частей уравнения баланса, нужно в левую (приходную) часть уравнения добавить член и₁, характеризующий убыль запасов влаги за рассматриваемый период, а в правую (расходную) часть — член и₂, характеризующий прибыль запасов влаги.

Все величины, входящие в уравнение баланса, выразим не в виде объема воды, поступившей в пределы, ограниченные заданным контуром, или, наоборот, вышедшей за пределы контура, а в виде слоя воды, т. е. объема, деленного на площадь рассматриваемой территории.

В соответствии с принятыми обозначениями общее уравнение баланса влаги для произвольного контура и произвольного промежутка времени напишется в виде

Частные случаи уравнения водного баланса. Если рассматривать не произвольный контур, а речной бассейн, для которого можно точно провести линию водораздела, то в этом случае замкнутую линию водосбора будет пересекать только один вытекающий водоток.

В этом случае у₁ и y₂ следует заменить значением стока через один водоток у, а уравнение (1) после некоторых преобразований можно написать так:

Далее в целях большей компактности вывода будем рассматривать не каждый в отдельности из всех случаев прихода — расхода влаги, а результат совместного действия прямо противоположных факторов (испарение — конденсация, подземный приток — сток через контур, прибыль—убыль запасов воды).

Обозначим в этом случае через z испарение за вычетом конденсации, т. е. z = (z₂ — z₁), через и -положительное (прибыль) или отрицательное (убыль) изменение запасов влаги в бассейне, например возрастание или убывание снежного покрова, поднятие или опускание уровня грунтовых вод, подъем или падение уровня воды в реках, озерах и т. д. Наконец, через w обозначим положительное (в случае отекания за пределы бассейна) или отрицательное (в обратном случае) значение подземного водообмена данного бассейна с соседним.

Так как х и у всегда положительны, разность z = z₂ — z₁ почти всегда положительна, ибо конденсация в подавляющем большинстве случаев меньше испарения, а и и w могут иметь и положительные и отрицательные значения, то окончательно самое общее выражение баланса влаги для речного бассейна можно записать в виде:

х = у + z ± u ± w (3)

Относительно члена w необходимо заметить, что эта величина, полученная от деления на площадь водосбора подземного притока (оттока), совершающегося по периметру контура, убывает для подобных фигур с возрастанием их размеров, т. е. при прочих равных условиях член w будет тем меньше, чем больше площадь бассейна. Поэтому, применяя уравнение (3) к бассейну, достаточно большому, можно пренебречь членом w, убывающим с возрастанием площади.

Применительно к этому случаю уравнение (3) напишется в виде:

x = у + z ± и (4)

Теперь рассмотрим не произвольный период времени, а гидрологический год, под которым будем понимать такой годичный период, в течение которого завершается цикл накопления и расходования влаги на поверхности бассейна. В этот цикл необходимо включить весь период накопления снега и весь период снеготаяния и половодья, весь период интенсивных дождей и по возможности весь период стока этих дождевых вод.

Очень часто за начало гидрологического года для равнинной части Европейской территории принимают обычно 1 октября. Теоретически начало гидрологического года различное для каждой климатической зоны и даже для каждого года в зависимости от гидрологической и метеорологической обстановки, однако практически это ведет к значительному усложнению расчетов, в большинстве случаев не оправдываемому требованиями практики. Поэтому обработка данных гидрологических и метеорологических наблюдений не в пределах календарного, а в пределах гидрологического года производится главным образом при исследовании специальных вопросов и при научных разработках.

Итак, если применить уравнение баланса (4) к периоду гидрологического года, то член ± и будет означать накопление или расходование подземных вод

x = у + z ± и _подз

Знак у u_подз будет меняться с чередованием лет, причем в засушливые годы часть подземных вод будет расходоваться на сток и испарение, а во влажные, наоборот, часть осадков пойдет на пополнение запасов подземных вод. Поэтому применительно к многолетнему периоду, включающему в себя и засушливые и влажные годы, можно написать

так как ±и (при достаточно большом числе лет) будет стремиться к нулю.

x — среднее многолетнее значение (норма) осадков, у — норма стока, z — норма испарения.

Применительно к бессточному бассейну, например к бассейну озера, не имеющего стока (у=0), уравнение баланса для многолетнего периода примет следующий простой вид:

х = z, т. е. для бессточного бассейна осадки за многолетний период равны испарению.

Непосредственное измерение составляющих уравнения водного баланса. Рассмотрим каждый из составляющих членов уравнение баланса влаги речного бассейна в отдельности.

Измерение осадков менее сложное, чем других элементов водного баланса, поэтому распределение их по земной поверхности изучено наиболее подробно. Некоторые важные особенности, относящиеся к измерению осадков, изложены в п. 3.2.

Роль конденсации как дополнительного фактора, способствующего увеличению запасов влаги, обычно невелика по сравнению с общим объемом влаги, учитываемым уравнением водного баланса. Систематические измерения этого элемента не производятся. Поэтому в расчетах при пользовании метеорологическими данными неизбежно допускают некоторую погрешность.

Только в отдельных частных случаях при исследовании баланса сравнительно небольших количеств влаги (например, формирования подземных вод в пустынях) организуют специальные исследования для учета конденсации.

Непосредственное измерение расхода воды на испарение, происходящее с поверхности воды, снега и льда, почвы и растений, а также на транспирацию для достаточно больших водосборов представляет значительные трудности. Обычно оценка этой составляющей водного баланса производится путем расчета, основываясь на зависимостях, рассмотренных в п. 3.3.

Сток у при надлежащей организации работ может быть измерен приемами гидрометрии сравнительно точно.

Подземный водообмен через контур w (за счет несовпадения подземного и поверхностного водосборов) обычно не учитывается, во-первых, ввиду его незначительной величины (особенно для больших территорий) по сравнению с остальными составляющими водного баланса, во-вторых, ввиду чрезвычайной сложности его определения.

В отдельных случаях при наличии мощных подземных водотоков (карстовые области), направление которых не совпадает с направлением поверхности стока, ошибка из-за неучета этого члена равенства может оказаться весьма существенной, особенно по отношению к подземному питанию данной реки.

Наконец, рассмотрим последний член уравнения и — изменение запасов влаги в пределах рассматриваемого объема.

Эти запасы слагаются из поверхностных и подземных вод. Увеличение их ведет к повышению уровня водоемов и грунтовых вод, увеличению влажности почво-грунтов, возрастанию мощности снежного покрова и т. д. Уменьшение запасов влаги характеризуется обратными явлениями.

Изменение запасов поверхностных вод может быть учтено с некоторым приближением по данным наблюдений за уровнем озер, рек, прудов, снегомерных съемок и пр.

Вопрос о колебаниях запасов подземных вод и влажности почво-грунтов, будучи связан с характеристиками горных пород, слагающих изучаемую территорию, с колебанием уровня грунтовых вод, скорости и направления их движения и т. д., является сложным и точной количественной оценке для достаточно крупных водосборов не поддается.

Таким образом, из пяти членов, входящих в уравнение водного баланса, только два могут быть измерены непосредственно — осадки х и сток у, а остальные, как правило, определяются приближенно.

Рассмотренные уравнения описывают основные наиболее типичные воднобалансовые соотношения, которые применительно к отдельным, частным ситуациям могут быть записаны в более детальной форме.

Например, можно считать, что общий сток включает поверхностную и подземную составляющие. Изменение запасов влаги в пределах речного водосбора иногда целесообразно представить раздельно в форме изменения запасов, накапливающихся в понижениях рельефа на поверхности водосбора, изменения запасов подземных вод, возникающих в результате их сработки или пополнения за счет фильтрации поверхностных вод, и т. д.

Уравнение водного баланса, записываемое с той или иной степенью детализации, иногда называют дифференцированным уравнением водного баланса.

Количество возможных для использования ресурсов поверхностных и подземных вод (приходная часть) и потребности в воде населения и всех отраслей народного хозяйства в пределах какой-либо территории, экономического района или населенного пункта (расходная часть) при неблагоприятном соотношении ресурсов и потребления обычно выражают в форме водохозяйственного баланса.

Таким образом, водный баланс характеризует соотношения, устанавливающиеся между приходом и расходом влаги под влиянием природных процессов (иногда с учетом воздействия хозяйственной деятельности), а водохозяйственный баланс — сложившуюся или проектируемую ситуацию между возобновляемыми в процессе круговорота воды запасами природных (обычно пресных) вод и потребностями в воде народного хозяйства. При этом общий речной сток, являющийся расходным элементом водного баланса, в водохозяйственном балансе выступает как основная его приходная часть.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

➤