Меню

Водный баланс рек уравнение водного баланса

Уравнение водного баланса бассейна реки

С учетом общих положений о водном балансе участка суши (см. разд. 2.2) и результатов рассмотрения водного баланса различных вертикальных зон в речном бассейне (см. разд. 5.5) уравнение водного баланса бассейна реки для интервала времени At в наиболее общем виде представим следующим образом (рис. 6.6):

Здесь х — жидкие (дождь) и твердые (снег) осадки на поверхность речного бассейна; у 1— 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.); w 1— подземный приток из-за пределов бассейна (он может быть лишь в случае несовпадения поверхностного и подземного водоразделов); z 1 — конденсация водяного пара (часто величину конденсации объединяют с осадками х или вычитают из испарения z 2); у 2 — 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); w 2 — подземный отток за пределы бассейна (он, как и для w 1может быть лишь в случае несовпадения поверхностного и подземного водоразделов); z 2 — испарение с поверхности бассейна, складывающееся из суммарного испарения, а также испарения с поверхностей, покрытых водой или снегом и льдом (см. разд. 6.5.2); ± ∆и — 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).

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.

Рис. 6.6. Схема составляющих водного баланса бассейна реки (обозначения в тексте):

1 — канал; 2 — гидроузел

Если приходная часть превышает расходную (например, зимой при накоплении снега, в период дождей и т.д.), то запасы воды в бассейне увеличиваются и ∆ и >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 ∆ и .

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). В первом случае (единицы измерения—мм) рекомендуется использовать строчные буквы: х, у, z, w, ∆ и, во втором (м 3 или км 3 ) — прописные: Х, 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 k= 10 3 , если в км 3 , то k= 10 -6 .

Уравнение водного баланса (6.14) отличается от традиционно используемого уравнения введением члена, учитывающего искусственный приток извне у 1. 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 (6.14). Чаще всего можно не учитывать конденсацию z 1Для больших речных бассейнов нередко не учитывают подземный приток и отток на границах бассейна (их величины значительно меньше других членов уравнения) или принимают w 1

w 2 . В таких случаях и при отсутствии искусственного перераспределения стока между смежными бассейнами уравнение водного баланса примет вид

Уравнение (6.15) широко используют в гидрологии для анализа водного баланса речных бассейнов для отдельных месяцев, сезонов, лет. Нередко при анализе уравнения водного баланса вида (6.15) 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 (±∆ и), 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 (±∆ и) 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 (изменение садков по широте было показано на рис. 3.1).

6.6.2. 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 (6.16) 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 ( а-у/х) . Этот коэффициент показывает, какая доля осадков npевращается в сток; отношение z/x можно по аналогии с коэффициентом стока назвать коэффициентом испарения и обозначить черезг b. Сумма а и b должна давать 1.

Диапазон возможного изменения коэффициента стока для многолетнего периода следующий: 0£a£l. Величина aуменьшается с возрастанием «индекса сухости» z 0 /x. В условиях избыточного и достаточного увлажнения (тундра, лесотундра, леса) значения a 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 a приближается к 0.

ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК

Виды колебаний водности рек

Под водным режимом рек понимают закономерные изменения стока воды, скорости течения, уровней воды и уклонов водной поверхности, прежде всего во времени, но также и вдоль реки.

Как было показано в разд. 6.1, 6.4—6.6, водный режим рек зависит от комплекса физико-географических факторов, среди которых важнейшая роль принадлежит факторам метеорологическим и климатическим. Поскольку эти факторы на Земле подвержены целой гамме разнопериодных изменений, в водном режиме рек (как, впрочем, и других объектов гидросферы, о чем речь шла во Введении) также проявляются колебания различной длительности.

Изменения режима реки характеризуются, прежде всего, колебаниями ее водности. Водность — это количество воды, переносимое рекой за какой-либо интервал времени (месяц, сезон, год, ряд лет) в сравнении со средней многолетней величиной стока воды этой реки или со стоком в другие периоды. Понятие «водность реки» используется для оценки изменений стока данной реки.

От понятия «водность реки» следует отличать понятие «водоносность реки». Водоносность — это величина среднего многолетнего стока реки (м 3 /с, км 3 /год); это понятие используют для сравнения величины стока воды разных рек.

В водном режиме и водности рек выделяют, прежде всего, вековые, многолетние, внутригодовые (сезонные) и кратковременные колебания.

Вековые колебания водности рекотражают вековые изменения климатических условий и увлажнения материков с периодом сотни и тысячи лет. О вековых колебаниях водности рек известно мало, хотя палеогеографические исследования свидетельствуют о том, что в истории различных регионов планеты были периоды, когда водность рек была существенно больше, чем сейчас. Недавние палеогидрологические исследования показали, что в Европе водный сток рек увеличивался в холодные и влажные периоды. Такими были, например, 1400-1300, 900-300 гг. до н.э., 400-750, 1150-1300, 1550—1850 гг. н.э. Последние упомянутые годы характеризовались активным наступанием ледников в Альпах и получили название «малого ледникового периода». Наоборот, в теплые и засушливые годы водный сток рек уменьшался. В Европе к таким периодам относят, например, 900—1100 гг., названные «средневековым климатическим оптимумом».

Многолетние колебания водности ректакже имеют в основном климатическую природу. Периодичность таких колебаний — десятки лет. О многолетних изменениях водности за последние 50 — 100 лет известно значительно больше, чем о вековых колебаниях. Данные непосредственных наблюдений свидетельствуют о том, что многолетним колебаниям подвержен и суммарный сток всех рек земного шара (см. гл. 3) и сток отдельных рек (табл. 6.2).

Для характеристики многолетних колебаний стока рек обычно используют четыре приема: 1) сравнивают средний сток реки за некоторые характерные периоды (см. табл. 6.2); 2) анализируют многолетние изменения средних годовых расходов воды реки (рис. 6.7, а) ; 3) проводят «сглаживание» колебаний стока путем 5- или 6-летнего скользящего осреднения (рис. 6.7, а);4) строят так называемую нормированную разностную интегральную кривую годового стока (НРИК) (рис. 6.7, б) . НРИК строят путем последовательного суммирования нормированных отклонений средних годовых расходов воды от осредненного за период наблюдений («нормы»): , где модульный коэффициент K i = . НРИК позволяет легко выделить периоды, когда сток реки увеличивался или уменьшался, был больше или меньше «нормы». Используют также другие статистические методы (спектральный и автокорреляционный анализы для выделения циклов в колебаниях водности реки и др.)

При анализе многолетних колебаний водности рек следует различать естественную и антропогенную изменчивость. Первая из них обусловлена лишь климатическими факторами, вторая — искусственным изменением стока (забором вод на хозяйственные нужды, безвозвратными потерями стока, сопутствующими преобразованию режима рек, например, после создания водохранилищ).

Таблица 6.2. Многолетние изменения стока воды и наносов некоторых рек

Река, створ Период Средний сток
воды, км 3 /год взвешенных наносов, млн т/год
Волга, Верхнее Лебяжье 1881-1899 1900-1929 1930-1941 1942-1969 1970-1977 1978-1995 1996-2002 — — — 13,9/8,4 1 4,5 8,4 —
Дунай, Орловка 1921-1960 1961-2002 52,4 38,8
Дон, Раздорская 1881-1951 1952-1985 1986-1998 27,5 21,5 21,6 4,7 2,0 —
Кубань, Тихорецкий 1929-1948 1949-1972 1973-1986 1987-2000 12,9 11,5 9,2 13,0 8,6 6,8 0,9 2,1
Обь, Салехард 1930-1945 1946-1950 1951-1968 1969-2000 14,8 23,0 16,0 14,7
Енисей, Игарка 1936-1967 1968-2000 12,5 2 4,2 3

1 Числитель — данные за 1942—1955 гг., знаменатель — за 1956—1969 гг. 2 Данные за Г 1967 гг. 3 Данные за 1968—1987 гг. Прочерк означает отсутствие данных.

Наиболее показательны многолетние изменения стока воды Волги (рис. 6.7, табл. 6.2). Последние исследования показали, что в колебания водности Волги главный вклад вносит климатический фактор. Несмотря на существенные безвозвратные потери стока в бассейне Волги (табл. 6.3), вызванные водозабором на хозяйственные нужды и испарением с водохранилищ Волжско-Камского каскада (см. гл. 8), естественные климатические изменения стока «перекрыли» антропогенные. Особенно это стало заметно в последние десятилетия, когда сток Волги заметно увеличился. О возможных причинах этого (изменение характера циркуляции атмосферы, увеличение роли «атлантических» циклонов и смещение их траекторий к югу, сопутствующее увеличению осадков, и др.) говорилось в гл. 3. В многолетних колебаниях стока Волги (см. рис. 6.7) хорошо прослеживается периодичность, обусловленная в основном климатическими причинами. Так, многоводными были 80-е годы XIX в. и 20-е годы XX в. (самым многоводным за весь период наблюдений был 1926 г., когда годовой сток Волги составил 368 км 3 , в 1,5 раза больше среднего многолетнего); следующими по водности были 1928 и 1994 г. (342 и 339 км 3 ). Наиболее маловодными были 30-е и 70-е гг. XX в. Наименьший сток отмечался в 1921 и 1973 г. (149 и 163 км 3 ).

Читайте также:  Самая крупная река южной азии

Если водность различных рек изменяется одновременно в одном и том же направлении, то говорят о синхронности колебаний их стока. Обычно синхронно изменяется водность тех рек, которые находятся в сходных физико-географических условиях и расположены более или менее близко друг от друга. Так, в целом синхронно колеблется водность рек юга Европейской части (Дона, Кубани, Волги) и рек севера Европейской части России (Печоры, Северной Двины). В то же время встречаются случаи и несовпадения характера изменения водности у разных рек. В этом случае говорят об асинхронности колебаний их стока. Так, часто асинхронно (и даже в противофазе) изменяется сток рек Европейской части России и Восточной Сибири. Периодам повышенного естественного стока на Волге, например, нередко соответствуют периоды пониженного стока на Енисее и Лене, и наоборот.

Повышенный сток воды многих европейских рек отмечался в 40-е годы прошлого века. Естественное маловодье в 50—70-е годы было, несомненно, усилено влиянием антропогенного фактора — значительными потерями стока на заполнение водохранилищ и изъятием вод на орошение (табл. 6.3). Заметное возрастание стока Волги в 1980—90-х гг. было обусловлено, прежде всего, увеличением атмосферных осадков (в этот период очень многоводными были 1990, 1991 и особенно 1994 гг.)

Совмещение на рис. 6.7 графиков изменения стока Волги и колебаний уровня Каспийского моря убедительно показывают, что главная причина в колебаниях уровня Каспия — изменения стока Волги (это положение, подтвержденное анализом изменения водного баланса Каспия, будет рассмотрено в гл. 7).

Интересно отметить, что прогнозируемое на 2000 г. антропогенное сокращение стока Волги не подтвердилось. Фактические ежегодные потери стока, обусловленные хозяйственной деятельностью в бассейне Волги, составили не 36, а всего, по данным А.Б. Авакяна и А.Е. Асарина, 20—24 км 3 . Это было обусловлено тем, что прогнозы темпов развития водопотребляющих отраслей хозяйства (в основном орошаемого земледелия) и объемов водопотребления оказались ошибочными; более того, из-за спада как промышленного, так и сельскохозяйственного производства в 90-е гг. XX в. объемы водозабора в бассейне Волги уменьшились. Таким образом, заметное увеличение стока Волги в последние 20—25 лет имеют под собой как климатическую (она основная), так и антропогенную причину.

Рис 6.7. Изменения стока воды Волги и уровня Каспийского моря в XX в.:

Таблица 6.3. Антропогенное уменьшение стока некоторых рек, км 3 /год*

Река Средний сток воды в устье, км 3 /год 1941-1950 1951-1955 1956-1960 1961-1965 1966-1970 1971-1975 2000 (прогноз)
Волга Днепр Дон Кубань Кура Амударья Сырдарья 53,9 28,1 13,5 18,0 43,5 9,5 6,3 3,2 1,4 1,0 1,0 0,2 0,2 2,8 4,2 6,3 1,1 0,7 0,2 0,3 3,1 1,2 1,6 2,3 0,7 8,9 3,2 1,6 0,2 7,5 4,0 8,9 4,4 2,8 1,2 7,6 5,4 13 5,4 4,3 3,2 14 8,1 3,5 4,0 8,7 6,3 4,8 7,3 6,8

* По И. А. Шикломанову.

Аналогичные многолетние изменения водности отмечены и у ряда других крупных рек Европы — Дуная, Дона, Кубани (см. табл. 6.2). С одной стороны, последние десятилетия оказались весьма многоводными (вследствие увеличения осадков), с другой — в связи с экономическими причинами несколько сократился объем водозабора. Например, уменьшение стока рек Кубани и Куры, обусловленное хозяйственной деятельностью, составило в 2000 г. не 7,3 и 6,8 км 3 /год соответственно (см. табл. 6.3), а всего 4,3 и около 4 км 3 /год.

В результате сток таких рек, как Дунай и Кубань, в последние десятилетия оказался заметно больше, чем раньше.

Несколько возрос в последние десятилетия и сток сибирских рек (Оби и Енисея) (см. табл. 6.2).

По оценкам И.А. Шикломанова и В.Ю. Георгиевского (2003, 2004), в последние 20—25 лет помимо Волги (сток в северной и северо-восточной частях ее бассейна возрос почти на 30%) и крупнейших рек Сибири увеличился сток и у других рек России. У многих рек (Волги, Дона, Днепра, Урала, Иртыша) существенно—на 20—40% —увеличился сток в летне-осенние и зимние месяцы. Причина таких изменений стока, как отмечалось выше,— возрастание атмосферных осадков и общей увлажненности территории.

В то же время антропогенное снижение стока двух главных рек Средней Азии — Амударьи и Сырдарьи — продолжилось. В этом случае прогностические оценки (см. табл. 6.3) оказались более точными. Существенное сокращение стока Амударьи и Сырдарьи явилось основной причиной деградации Аральского море (см. гл. 7).

Асинхронность в колебаниях водности рек разных регионов объясняется различием в процессах циркуляции атмосферы на больших и далеко отстоящих друг от друга территориях (например, нередки случаи, когда активизации циклонической деятельности над Европейской территорией России сопутствует установление антициклона над Сибирью, и наоборот).

Внутригодовые (сезонные) колебания водности рек обусловлены сезонными изменениями составляющих водного баланса речного бассейна. В течение года реки, находящиеся в разных географических зонах, испытывают различные чередования много- и маловодных периодов. Более подробно этот вид колебаний водности изученный гидрологами наиболее детально, мы рассмотрим в разд. 6.7.2.

Кратковременные колебания водности рек могут быть, прежде всего, естественными и обусловленными как метеорологическими факторами (ливневые дожди, колебания температуры воздуха в ледниковых районах), так и геологическими процессами (спуск вод ледниковых озер в результате прорыва морен на реках с ледниковым питанием, запруживание рек в результате горных обвалов и др.). Пример кратковременных колебаний водности рек приведен на рис. 4.6, а (резкие дождевые паводки). Резкий кратковременный паводок, обусловленный прорывом ледникового озера, показан на рис. 4.6, б.

Кратковременные колебания водности рек могут быть обусловлены и антропогенными факторами. К числу таких колебаний относятся попуски в нижние бьефы гидроузлов.

Когда говорят о колебаниях водности рек, то имеют в виду, прежде всего изменения стока воды. При этом график изменения расхода воды (м 3 /с) в данном створе реки в течение года называют гидрографом реки. Однако одновременно с изменением стока воды в реках изменяются и другие характеристики, например скорость течения и уровень воды, т. е. высота поверхности воды в данном створе реки. В большинстве случаев колебания уровня воды следуют за колебаниями стока и ими определяются. Объясняется это существованием закономерных связей расходов и уровней воды в реках. Однако в некоторых случаях колебания уровней воды в реках могут быть не связанными с изменением стока, например при ледовых явлениях, на реках, интенсивных процессах размыва дна или аккумуляции наносов, сгонно-нагонных и приливных явлениях в устьях рек. График изменения уровня воды во времени гидрографом называть нельзя.

Гидрологические наблюдения на реках обычно начинают с измерения уровней воды. Измерения проводят на реечных, свайных и автоматических (оборудованных самописцами уровня воды) гидрологических (водомерных) постах.

Измерения скоростей течения ведут на реках в основном с помощью поплавков или специальных приборов (гидрометрических вертушек), регистрирующих число оборотов лопастного винта. В последние десятилетия для измерения скоростей течения стали также применять ультразвуковые установки, фиксирующие различие в распространении ультразвука по течению и против него, и термогидрометры, основанные на измерении теплообмена между потоком и чувствительным элементом.

Важной задачей гидрологов является измерение расходов воды в реках. Наиболее распространенный способ заключается в измерении скоростей течения с помощью гидрометрических вертушек на ряде вертикалей в потоке и площадей селения между ними и называется «скорость — площадь».

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.

Читайте также:  Рыбалка по малым рекам урала

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 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

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



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

ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС

ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС, со­от­но­ше­ние ме­ж­ду при­хо­дом, рас­хо­дом и из­ме­не­ни­ем за­па­сов во­ды в пре­де­лах всей Зем­ли, ат­мо­сфе­ры, Ми­ро­во­го ок., кон­ти­нен­тов, час­ти су­ши или вод­но­го объ­ек­та за оп­ре­де­лён­ный ин­тер­вал вре­ме­ни. В. б. – это от­ра­же­ние за­ко­на со­хра­не­ния ве­ще­ст­ва, ко­ли­че­ст­вен­ное вы­ра­же­ние кру­го­во­ро­та во­ды на Зем­ле, ха­рак­те­ри­зуе­мое урав­не­ни­ем В. б. Стро­го го­во­ря, еди­ни­ца­ми из­ме­ре­ния со­став­ляю­щих урав­не­ния В. б. долж­ны быть еди­ни­цы мас­сы, од­на­ко обыч­но это урав­не­ние за­пи­сы­ва­ют в еди­ни­цах объ­ё­ма (км 3 ) или слоя во­ды (мм). До­пус­ти­мость за­ме­ны еди­ниц мас­сы еди­ни­ца­ми объ­ё­ма объ­яс­ня­ет­ся не­зна­чит. из­ме­не­ния­ми плот­но­сти во­ды при из­ме­не­нии её тем­пе­ра­ту­ры.

Часть поверхности Земли $Площадь, млн. км^2$ Элементы водного баланса, $\frac<объём, тыс. км^3><слой, мм>$ Уравнения водного баланса
Осадки (x) Испарение (z) Сток
речной (Ур) ледниковый (Ул) весь поверхностный (У=Ур + Ул) подземный (w) суммарный (У+ w)
Весь земной шар 510 $\frac<577><1130>$ $\frac<577><1130>$ $X = Z$
Мировой океан 361 $\frac<458><1270>$ $\frac<505><1400>$ $\frac<41,7><116>$ $\frac<3,0><8>$ $\frac<44,7><124>$ \frac <2,3>

$\frac<47><130>$ $X<ок>+Y+W=Z<ок>$
Суша 149 $\frac<119><800>$ $\frac<72><485>$ $\frac<41,7><280>$ $\frac<3,0><20>$ $\frac<44,7><300>$ $\frac<2,3><15>$ $\frac<47><315>$ $X=Y+W+Z$
Область внешнего стока 119 $\frac<110><924>$ $\frac<63><529>$ $\frac<41,7><35>$ $\frac<3,0><25>$ $\frac<44,7><376>$ $\frac<2,3><19>$ $\frac<47><395>$ $X<'>=Y^<'>+W+Z<'>$
Область внутреннего стока 30 $\frac<9><300>$ $\frac<9><300>$ $X<">=Z<">$

Уни­вер­саль­ное урав­не­ние В. б. (в объ­ём­ных еди­ни­цах), при­год­ное для лю­бо­го уча­ст­ка су­ши, вод­но­го объ­ек­та или его час­ти: $$X+Y_1+W_1=Z+Y_2+W_2±ΔU,\tag1$$где $X$ – жид­кие и твёр­дые осад­ки, вклю­чая кон­ден­са­цию во­дя­но­го па­ра для за­дан­но­го кон­ту­ра, $Y_1$ и $W_1$ – при­ток со­от­вет­ст­вен­но по­верх­но­ст­ных и под­зем­ных вод из-за пре­де­лов кон­ту­ра, $Z$ – ис­па­ре­ние с по­верх­но­сти внут­ри кон­ту­ра (с по­верх­но­сти во­ды, поч­вы, сне­га и льда; транс­пи­ра­ция рас­ти­тель­но­стью), $Y_2$ и $W_2$ – от­ток со­от­вет­ст­вен­но по­верх­но­ст­ных и под­зем­ных вод за пре­де­лы кон­ту­ра, $ΔU$ – из­ме­не­ние за­па­сов вод (объ­ё­ма) внут­ри кон­ту­ра. Ес­ли про­ис­хо­дит на­ко­п­ле­ние во­ды в пре­де­лах кон­ту­ра (в грун­те, по­ни­же­ни­ях рель­е­фа, в вод­ных объ­ек­тах, снеж­ном по­кро­ве), то $ΔU > 0$. При по­ни­же­нии уров­ня грун­то­вых вод и уров­ня вод­ных объ­ек­тов, тая­нии снеж­но­го по­кро­ва $ΔU 2 .

В ка­че­ст­ве ча­ст­ных слу­ча­ев урав­не­ния (1) мож­но при­вес­ти урав­не­ния В. б. для реч­но­го бас­сей­на в объ­ём­ных еди­ни­цах:$$X+W_1=Z+Y+W_2±ΔU,\tag2$$и для сточ­но­го во­до­ёма (озе­ра) в еди­ни­цах слоя:$$x+y_1+w_1=z+y_2+w_2±ΔН.\tag3$$В этих урав­не­ни­ях $Y$ – объ­ём сто­ка ре­ки за рас­чёт­ный ин­тер­вал вре­ме­ни, $y_1$ – сум­мар­ный сток во­ды всех рек в во­до­ём, $y_2$ – сток во­ды ре­ки (обыч­но един­ст­вен­ной) из во­до­ёма, $ΔH$ – из­ме­не­ние уров­ня во­ды в озе­ре. Для боль­ших реч­ных бас­сей­нов час­то при­ни­ма­ют $W_1=0$ и $W_2=0$, а для мно­го­лет­не­го пе­рио­да так­же $ΔU=0$. Для круп­но­го во­до­ёма обыч­но при­ни­ма­ют $w_2=0$.

В гид­ро­ло­гии В. б. рас­счи­ты­ва­ют для все­го зем­но­го ша­ра, Ми­ро­во­го ок., су­ши и её час­тей, отд. кон­ти­нен­тов, океа­нов и мо­рей, адм. об­ра­зова­ний, реч­ных бас­сей­нов, лед­ни­ков, озёр, во­до­хра­ни­лищ и др.

Ос­ред­нён­ные мно­го­лет­ние дан­ные о В. б. Зем­ли и её час­тей при­ве­де­ны в таб­ли­це.

Сред­ние мно­го­лет­ние со­став­ляю­щие го­до­во­го В. б. Рос­сии: осад­ки ($x$) 548 мм, ис­па­ре­ние ($z$) 311 мм, сток ($y$) 237 мм.

В гид­ро­ло­гии при изу­че­нии мн. гид­ро­ло­гич. про­цес­сов, напр. фор­ми­ро­ва­ния сто­ка в реч­ных бас­сей­нах, ре­жи­ма лед­ни­ков, при­то­ка реч­ных вод в мо­ря, ко­ле­ба­ний уров­ня бес­сточ­ных озёр и т. д., ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся ме­тод В. б. Он вклю­ча­ет со­став­ле­ние урав­не­ния В. б. для изу­чае­мо­го уча­ст­ка су­ши или вод­но­го объ­ек­та, ана­лиз его со­став­ляю­щих, вы­яв­ле­ние со­от­но­ше­ния ме­ж­ду ни­ми, оп­ре­де­ле­ние гл. со­став­ляю­щих и их вкла­да в В. б.; про­вер­ку точ­но­сти рас­чё­та отд. чле­нов урав­не­ния; оп­ре­де­ле­ние в ря­де слу­ча­ев не­из­вест­ных чле­нов урав­не­ния В. б. (напр., ис­па­ре­ния) по из­вест­ным.

Источник

Adblock
detector