2.2.Уравнение водного баланса.

Соотношение прихода и расхода воды с учётом изменения её запасов за выбранный интервал времени для рассматриваемого объекта называется Водным балансом.

Чтоб составить уравнение водного баланса Земли запишем условие равенства прихода и расхода воды в океане и на суше:

Х_о + Y = E_o

X_c + Y = E_c (2.1)

Где Х_о - среднегодовые осадки на поверхности океанов и морей;

Х_с - средне годовые осадки на поверхности суши;

Е_о - среднегодовое испарение с океанов и морей;

Е_с - среднегодовое испарение с суши;

Y - среднегодовой сток речных бассейнов.

Суммируя эти равенства, получаем:

Хо + Хс = Ео + Ес (2.2) - уравнение водного баланса для земного шара, т.е. количество воды, испарившейся с поверхности океанов, морей, континентов, равно количеству осадков, выпадающих на их поверхности.

Математическое выражение, описывающее водный баланс называется уравнением водного баланса. Оно может быть составлено не только для земного шара, но и для любого водного объекта, речного бассейна, участка территории или всей страны.

Уравнение водного баланса континента за многолетний период:

Ха + Хе + Хк = Y + Е + U (2.3)

Где Х_а - осадки, выпадающие за счёт влаги, принесённой из океана и определённых территорий

Х_е - осадки, образовавшиеся за счёт местного испарения;

Х_к – конденсация влаги;

Y - речной сток;

U - подземные воды;

E - суммарное испарение.

В практических расчётах компонентов водного баланса это уравнение используют в упрощённом виде:

Х=Y+U+E (2.4)

Где Х - суммарные осадки на континенте, включая конденсацию влаги.

2.3.Уравнение водного баланса речного бассейна.

Бассейн реки - это часть земной территории, с которой вода по поверхности и подземным путём стекает в реку.

Совокупность рек, сливающихся вместе и выносящих свои воды в виде общего потока называется Речной системой.

Бассейн реки (озеро, водохранилище) состоит из:

- поверхностного водосбора

- подземного водосбора

Участок земной поверхности, с которого стекают воды в отдельную реку(озеро) или в речную систему представляет собой поверхностный водосбор.

Подземный водосбор - толща почв и грунтов, с которых вода поступает в реки, озёра, водохранилища.

Соответственно различают : - поверхностный и подземный(грунтовый, почвенный) сток.

Как правило для крупных рек поверхностный и подземный водосборы совпадают. У малых рек - несовпадение поверхностного и подземного водосборов, т.к. у них происходит активный водообмен между бассейнами.

Границы поверхностного водосбора фиксируются водораздельной линией, которая проводится по наивысшим точкам местности, ограничивая участок земной поверхности, с которого поверхностный сток идёт в данную реку.

На практике за площадь бассейна реки обычно принимается площадь поверхностного водосбора, т.к. границы подземного водосбора трудно определить.

Нижний створ в реке, ограничивающий рассматриваемый бассейн называется замыкающим створом, у него гидрометрическими методами определяется речной сток.

Основные компоненты водного баланса речного бассейна:

1. осадки (Х)

2. сток (Y)

3. испарение (Е)

При составлении водного баланса речных бассейнов за определённый промежуток времени , например месяц или год, надо учесть изменение запасов влаги u в бассейне:

* возрастание и убывание снежного покрова;

* изменение запасов воды в озёрах, болотах, поймах рек;

* накопление и расходование грунтовых и почвенных вод.

Величина u может иметь как положительные (накопление влаги в бассейне в многоводные периоды), так и отрицательные (маловодные периоды) значения.

Учитывается также подземный водообмен W смежных подземных водосборов.

W - положительный при поступлении воды за пределы водосбора, в противоположном случае W - отрицательный. Следовательно, Х = Y + E ± U ± W (2.5)

Величина W с увеличением площади водосбора убывает, поэтому для достаточно больших водных бассейнов можно полагать W = 0 , тогда уравнение примет вид:

Х = Y + E ± U (2.6)

Это уравнение можно использовать для годичного интервала, включающего периоды накопления и расходования влаги в рассматриваемом бассейне. Такой интервал называется гидрологическим годом.

Уравнение водного баланса широко используются в инженерной гидрологии в качестве основы для различных водобалансовых расчётов.

Уравнение водного баланса речного бассейна имеет вид:

(1/n) * ∑X = (1/n) * ∑Y + (1/n) * ∑E ± (1/n) * ∑U (2.7)

Третий член (1/n) * ∑U для многолетнего периода стремится к нулю, поэтому уравнение (2.7) можно записать:

Хo =Yo + E₀ (2.8)

Где: Х_о - норма осадков;

Y_о - норма стока;

Е_о - норма испарения.

Среднеарифметическая характеристика гидрологической величины за многолетний период такой продолжительности, при увеличении которой полученные средние значения практически не меняются называется нормой гидрологической величины.

Поделив левую и правую части уравнения (2.8) на Х_о получим:

Yo/Xo + E/Xo = 1 (2.9)

Отношение объёма (слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших сток называется коэффициентом стока.

Y/X = η

Соответственно Y_o/X_o = η_o - это норма коэффициента стока.

Отношение объёма испарения к колличеству осадков Е/Х = ψ называется коэффициентом испарения. А отношение Ео/Хо = ψ_о называется нормой коэффициента испарения.

С учётом этих понятий уравнение (2.9) примет вид:

η_o + ψ_о =1 (2.10)

Каждый из этих коэффициентов изменяется от 0 до 1.

В целом для всей территории земного шара η_o= 0,39 , для СНГ η_o = 0,37, для РБ η_o =0,42.

В районах избыточного увлажнения η_o достигает 0,7, в засушливых и пустынных районах уменьшается до нуля.