Водный баланс бассейна реки схема

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

Водный баланс бассейна реки

С учетом общих положений о водном балансе участка суши и результатов рассмотрения водного баланса различ­ных вертикальных зон в речном бассейне уравнение водного баланса бассейна реки для интервала времени At в наибо­лее общем виде представим следующим образом (рис. 6.6):

X+y1+w1+z1=y2+w2+z2± Δu

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. Z1— конден-

сания водяного пара, У2

поверхностный отток за пределы бассейна (он может быть представлен прежде всего стоком самой реки у’₂, а также искусственным оттоком у», осуществляемым через водораздел с помощью гидротехнических сооружений); w₂ — подземный отток за пределы бассейна, Z2 — испарение с поверхности бассей­на, складывающееся из суммарного испарения, а также испарения с поверхностей, покрытых водой или снегом и льдом, ± Δи — изменение запасов воды в бассейне (руслах рек, водоемах, почве, водоносных горизонтах, снежном покрове и т. д.) за интер­вал времени Δ t (с плюсом — при увеличении запасов воды, с ми­нусом—при их уменьшении). 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.

Единицами измерения составляющих уравнения водного балан­са речного бассейна обычно служат либо величины слоя (мм), либо объемные величины (м 3 , км 3 ), отнесенные к какому-либо интервалу времени (месяц, сезон, год). Во многих случаях возможны некоторые упрощения уравнения водного баланса.

В таких случаях и при отсутствии искусственного перерас­пределения стока между смежными бассейнами уравнение водного баланса примет вид: x=y+z± Δu. Уравнение широко используют в гидрологии для анализа водного баланса речных бассейнов для отдельных месяцев, сезонов, лет.

Виды колебания водности рек. Фазы водного режима рек. Типовой гидрограф.

Водность – относительная величина речного стока за тот или иной период по сравнению со средним стоком этой реки за тот же период.

Колебания водного режима рек:

Фазы водного режима рек:

1.Половодье – период повышенного стока, как правило повторяющихся в данных климатических условиях, в один и тот же сезон года.

2.Паводок – фаза водного режима, способная многократно повторяться в различные сезоны года и характеризуется интенсивным, но обычно кратковременным увеличением расхода и уровня реки.

3.Межень – период пониженного стока в реке, так же как и в половодье, ежегодно повторяющейся в один и тот же сезон года.

Гидрограф – график изменения расхода воды (м3/с) в данном створе реки в течение года. НО: график изменения уровня воды во времени гидрографом называть нельзя. Одновременно с изменением стока воды в реках изменяются и другие характеристики, например скорость течения и уровень воды. В большинстве случаев колебания уровней воды следуют за колебаниями стока и ими определяются. Это связано существованием закономерностей связей расходов и уровней воды в реках.

Классификация рек по водному режиму (классификация Зайкова).

Широко распространена довольно простая классификация рек по водному режиму Б. Д. Зайкова. В этой классификации все реки бывшего СССР разделены на три большие группы: с весенним половодьем, с половодьем в тёплую часть года и с паводочным режимом. У рек первых 2ух групп ежегодно наблюдаются повышенные расходы вод, приуроченные, соответственно к весне или к тёплой части года. У рек 3ей группы отмечаются паводки, носящие систематический характер.

Реки II типа(только п.6 и п.7):

Реки III типа протекают в горных и предгорных районах Крыма, Кавказа, Карпат. Питание у этих рек преимущественно дождевое. (см. тип II: причерноморский (п.10) и крымский(п.8.) и северокавказский(п.9))

Источник

Уравнение водного баланса речных бассейнов

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

Х о + У = Е о; Х с – У = Е с

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:

Х а + Х Е + Х К = У + U + Е

где: Х а— осадки, выпадающие за счет влаги, принесенной с океана и сопре­дельных территорий;

Х Е —осадки, образующиеся за счет местного испарения;

Х к — конденсация влаги;

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.

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):

х + у₁ + w₁ + z₁ = y₂ + w₂ + z₂ ± u, (6.3)

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

x = y + z ± u. (6.4)

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:

x = y + z. (6.5)

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:

1 =y/x + z/x =  + . (6.6)

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» z/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