Практична робота 2. Кругообіг води в природі. Балансові методи в гідрології

Зміст: Кругообіг води в природі. Балансові методи. Метод водного балансу. Розрахунки загальної зміни запасів води в басейні річки. Рівняння водного балансу річкового басейну. Аналіз складеного рівняння водного балансу.

За результатами практичного заняття студент повинен знати:

- схему кругообігу води в природі;

- роль і значення малого і великого кругообігів;

- балансові методи в гідрології.

Повинен вміти:

- аналізувати схему кругообігу води в природі;

- виконувати розрахунки загальної зміни запасів води в басейні річки;

- аналізувати водний баланс за допомогою комплексного інтегрального графіка елементів балансу.

Завдання

1 Відповісти на контрольні запитання.

2 Письмово проаналізувати схему кругообігу води в природі:

а) як відбувається малий кругообіг води в природі?

б) які етапи проходить на суші волога з океану в процесі великого кругообігу?

в) які оболонки земної кулі пов’язуються в процесі кругообігу?

г) яке значення малого і великого кругообігів?

3 Виконати розрахунки загальної зміни запасів води в басейні річки (за варіантом у Додатку А).

4 Проаналізувати розрахований водний баланс за допомогою комплексного інтегрального графіка елементів балансу.

Теоретичні відомості.

1 Механізм та основні рушійні сили кругообігу. Рідка вода, що з'явилася на Землі, викликала таке важливе явище, як круговорот води, коли під впливом сонячного тепла вона нагрівається і випаровується з поверхні водоймищ. Пари води, що переносяться повітряними течіями , потім конденсуються і проливаються у вигляді дощу і снігу на сушу і поверхню водоймищ.

Кругообіг - постійний обмін вологою між гідросферою, атмосферою і земною поверхнею, що складається з процесів випаровування, переносу і конденсації водяної пари в атмосфері, опадів і стоку. Кругообіг — це природний процес відтворення прісної води, природна фабрика дистиляції. Випадаючи на суші, прісна вода стікає по схилах під дією сили тяжіння, утворює водні потоки і прісні водоймища, фільтрується в ґрунт, живлячи підземні води. При цьому разом з вітром, Сонцем і живими організмами вона бере участь в руйнуванні гірських порід суші, тобто в її ерозії. Частину продуктів ерозії вода розчиняє і по мірі руху по поверхні, а також просочування в товщу земної кори насичується розчинами речовин. Проте річкова вода не встигає сильно збагатитися ними, оскільки швидко досягає океану або якого-небудь іншого кінцевого водоймища.

В результаті кругообігу води гідросфера стала планетарною транспортною системою, яка переміщує продукти ерозії з вищих на нижчі рівні, наприклад від вершин до підніжжя схилів, а зрештою з суші в океан і інші водоймища. Разом з нерозчинними продуктами ерозії вода переносить розчинені речовини і органіку.

Гідросфера служить також планетарним акумулятором неорганічної і органічної речовини, яка приноситься в океан і інші водоймища річками, атмосферними потоками, а також утворюється в самих водоймищах. З транспортною і акумулюючою роллю гідросфери пов'язано вміст в ній у вигляді розчинів у формі катіонів (позитивно заряджених) і аніонів (негативно заряджених) різноманітних речовин і елементів, а також накопичення в донних відкладеннях нерозчинних речовин.

У водоймищах, як первинних, так і сучасних, через різний нагрів води по акваторії, змін солоності і щільності, дії атмосферних явищ і приливних сил Місяця і Сонця виникають рухи частинок води, які виражаються в утворенні поверхневих і внутрішніх хвиль різної довжини і амплітуди, формуванні поверхневих і глибинних течій, підйомів і опускань водних мас, розшаруванні товщі води, а також у виникненні динамічних структур типу вихорів. Гідросфера, таким чином, виявляється виключно рухомим середовищем з широким спектром швидкостей руху частинок: від десятих міліметра до десятків метрів в секунду. Найбільш динамічна гідросфера на межі з атмосферою, а з глибиною швидкості руху частинок води падають. Тому верхній шар води в океані завтовшки до 100 м часто називають шаром перемішування.

У круговороті води на земному шарі проявляється єдність природних вод Землі та їх зв’язок з атмосферою, літосферою, біосферою. Надзвичайно важлива властивість круговороту води полягає в тому, що він, взаємодіючи з літосферою, атмосферою і біосферою, зв'язує воєдино всі частини гідросфери: океан, річки, ґрунтову вологу, підземні води, атмосферну воду.

Рушійні сили кругообігу води – сонячна (теплова) енергія і сила тяжіння. Під впливом тепла відбуваються випаровування, конденсація водяної пари і інші процеси, а під впливом сили тяжіння - падіння крапель дощу, течія річок, рух ґрунтових і підземних вод. Часто ці дві причини діють спільно: наприклад, на атмосферну циркуляцію впливають як теплові процеси, так і сила тяжіння.

Сонячна енергія – це причина нагрівання і подальшого випаровування води. Нерівномірний розподіл по Землі сонячної енергії призводить до нерівномірного розподілу атмосферного тиску, викликає повітряні потоки – вітри, що переносять вологу – водяну пару, і створює вітрові течії у океані.

Сила тяжіння – змушує сконденсовану в атмосфері при сприятливих умовах вологу випадати у вигляді атмосферних опадів, а також всі поверхневі та підземні води стікати спочатку до дренуючих місцевість річок, а потім у океан. Природно, що стікання води під дією сили тяжіння пояснюється уклоном поверхні Землі і шарів у земній корі, що створюється тектонічними і геоморфологічними процесами.

У круговороті води на земному шарі проявляються закономірності збереження речовини і водного балансу.

Рівняння водного балансу для водного об’єкту або замкненого контуру суші:

X + Y₁ + W₁ + Z₁ = Y₂ + W₂ + Z₂ ± ∆U, (2.1)

де X – атмосферні опади на поверхню об’єкту;

Y₁ – поверхневий притік води;

W₁ – підземний притік;

Z₁ – конденсація водяної пари;

Y₂ – поверхневий відтік води за межі об’єкту;

W₂ – підземний відтік води за межі об’єкту;

Z₂ – випаровування;

∆U – зміни кількості води у межах об’єкту.

Найбільшу точність мають дані про атмосферні опади на території суші, про річковий стік, що підтверджені прямими спостереженнями. Найменшу точність мають дані про випаровування та опади у Світовому океані.

2 Кругообіг води в природі. Постійний обмін вологою між гідросферою, атмосферою і земною поверхнею, що складається з процесів випаровування, переносу і конденсації водяної пари в атмосфері, опадів і стоку називається вологообігом (кругообігом води). Атмосферні опади частково знову випаровуються, частково утворюють тимчасові і постійні водотоки і водойми, частково просочуються у грунт і поповнюють ґрунтові води. Сукупність водотоків і водоймищ у межах будь-якої території називається гідрографічною мережею. В кінці кінців опади у процесі руху знову досягають Світового океану.

Розрізняють декілька видів вологообігів у природі.

1) Великий, або світовий, вологообіг - водяна пара, що випаровується з поверхні океанів, переноситься вітрами на материки, випадає у вигляді атмосферних опадів і повертається до океану зі стоком. У процесі вологообігу змінюється якість води: при випаровуванні морська вода перетворюється на прісну, а забруднена - очищається.

2) Малий, або океанічний, вологообіг - водяна пара, що випарувалася з поверхні океанів, випадає у вигляді атмосферних опадів у океан.

3) Континентальний вологообіг - вода, що випарувалася з поверхні суходолу, знову випадає на суходіл у вигляді атмосферних опадів (рис.2.1).

Рисунок 2.1 - Кругообіг води в природі.

Випаровування з поверхні земної кулі в середньому за рік складає 577 тис. км³ води. З цього об’єму води 505 тис. км³ припадає на Світовий океан і 72 тис. км³ - на суходіл. Об’єм опадів за рік на поверхні Світового океану складає 458 тис. км³. Надлишок вологи, що випаровується і дорівнює (505 тис. км³ - 458 тис. км³) 47 тис. км³, переноситься повітряними масами на континенти й острови.

Цей річний об’єм води витрачається на формування річок, утворення озер, боліт, льодовиків і ґрунтових вод, створює умови для існування і розвитку природного середовища і діяльності людини.

Такий же об’єм води щорічно повертається до океану, причому на долю річкового стоку припадає біля 45 тис. км³, на долю стоку ґрунтових вод - біля 2 тис. км³. Швидкість переносу різних видів води змінюється у широких межах, тому періоди витрат і відновлення води також різні. Вони змінюються від кількох годин до десятків тисячоліть. Води, що входять до складу живих істот, поновлюються на протязі кількох годин. Час поновлення води у річкових руслах складає 16 діб, озер - 1 рік і більше, льодовиків - до 9700 років. Повне поновлення вод Світового океану відбувається приблизно через 2700 років. Співвідношення приходу і витрат води з урахуванням змін її запасів за вибраний інтервал часу для певного об’єкту називається водним балансом.

Взагалі обліку підлягають атмосферні опади, конденсація вологи, горизонтальний перенос і відкладення снігу, поверхневий і підземний притік, випаровування, поверхневий і підземний стік, зміна запасів вологи у ґрунті та ін. В окремих випадках нема необхідності детального обліку всіх складових частин водного балансу.

Наприклад, якщо водобалансові розрахунки виконуються стосовно достатньо великих об’ємів води, можна не враховувати конденсацію, тому що вона має відносно мале значення.

У межах середнього багаторічного річного водного балансу з усієї території суходолу земної кулі випаровується кількість води, що дорівнює кількості опадів мінус річковий стік.

Щоб скласти рівняння водного балансу земної кулі, запишемо умови рівняння приходу за формулою (2.2) і витрат води за формулою (2.3) в океані і на суходолі:

X_o + Y = E_o; (2.2)

X_c - Y = E_c; (2.3)

де Х_о - середньорічні опади на поверхні морів і океанів;

Х_с - середньорічні опади на поверхні суходолу;

Е_о - середньорічне випаровування з морів і океанів;

Е_с - середньорічне випаровування з поверхні суходолу;

Y - середній річний стік річкових басейнів.

Підсумовуючи попередні рівняння, маємо формулу:

X_о + X_с = E_о + E_с, (2.4)

тобто кількість води, що випаровується з поверхні океанів і континентів, дорівнює кількості опадів, що випадають на ці ж самі поверхні.

Математичний вираз, що визначає водний баланс, називається рівнянням водного балансу. Воно може бути складено для певного водного об’єкту (озеро, водосховище тощо), річкового басейну, ділянки території, гідрологічного району, країни, материка і земної кулі. Рівняння водного балансу висловлює закон збереження матерії. За площу басейну річки приймають площу поверхневого водозбору.

3 Балансові методи. Для одержання кількісної характеристики водного об’єкту в гідрології застосовують балансовий метод.

Балансовий метод - це спільний розгляд для певного водотоку або водоймища всіх елементів, що впливають на вимірювання водної маси (метод водного балансу), домішок, що містяться в ній (метод сольового балансу, балансу речовини), і притаманних їй властивостей (метод теплового балансу, балансу енергії) за вибраний проміжок часу.

Поняття водний (сольовий, тепловий і т.д.) баланс є окреме формулювання основних фізичних законів збереження матерії та енергії.

3.1 Метод водного балансу. Метод водного балансу - це використання закону збереження матерії в вигляді рівняння водного балансу для дослідження закономірностей, що існують між прибутком і витратою вологи за будь-який період часу, певної ділянки території, річкового басейну, озера, водосховища, болота або іншого водного об’єкту. Метод водного балансу засновується на наступному очевидному рівнянні: для будь-якого простору, що обмежується деякою довільною поверхнею, кількість води, яка ввійшла всередину цього об’єму, за відрахуванням кількості води, яка вийшла назовні, повинна дорівнювати відповідно збільшенню або зменшенню її кількості всередині даного об’єму. Метод водного балансу широко застосовується в гідрології. Користуючись ним можна проводити співставлення окремих джерел надходження вологи в різні періоди часу в межах території, що вивчається, і встановлювати ступень їх впливу на загальний хід формування водного режиму об’єкту, що вивчається.

Метод водного балансу дозволяє:

- Шляхом взаємної ув’язки окремих компонентів водного балансу можна встановити й усунути похибки вимірювання, оцінити точність одержаних висновків.

- Непрямим шляхом визначити по різниці між величинами, що вивчалися, один з компонентів балансу вологи (стік, випаровування, живлення ґрунтовими водами і т.д.).

- Визначити випаровування з використанням водних і ґрунтових випарників. Практичною формою використання методу водного балансу для вирішення вказаних задач є рівняння водного балансу.

3.2 Рівняння водного балансу річкового басейну. При розгляді водного балансу річкового басейну досліджується об'єм простору, обмежений бічною поверхнею, яка проходить по вододільній лінії до першого непроникного горизонту, знизу - його поверхня цього горизонту, а зверху - площа басейну. Водний баланс для такого простору кількісно показує закономірності кругообігу води у природі.

У річковому басейні здійснюється витрата вологи з перерозподілом її на стік і випаровування в залежності від кількості опадів і всього комплексу фізико-географічних чинників.

Для річкового басейну з природним режимом витрата вологи за будь-який розрахунковий інтервал часу визначається рівнянням:

S = X - Y - E, (2.5)

де X - атмосферні опади в межах водозбору;

Y - річковий стік у замикаючому створі;

Е - сумарне випаровування з басейну;

S - загальна зміна запасів води в басейні (у ґрунтових, водоносних горизонтах, руслах, озерах, водосховищах, болотах, малих пониженнях рельєфу).

Величина S може мати як додатне (при накопичуванні вологи у басейні у багатоводні періоди), так і від'ємне (у маловодні роки) значення.

Всі елементи рівняння наводяться у шарі води в лінійних мм або в об’ємних одиницях у м³, км³.

Це рівняння можна використовувати для річного інтервалу, що включає періоди накопичування і витрачання вологи у певному річковому басейні.

Водні баланси складаються:

- по місяцях за календарний рік;

- за гідрологічні роки і генетично однорідні періоди року (межень, водопілля, повінь).

Гідрологічний рік починається восени (1 жовтня або 1 листопада), коли запаси вологи, що переходять із року в рік, в річкових басейнах малі. Гідрологічний рік застосовується для одержання найкращої відповідності між стоком і опадами.

4 Аналіз складеного рівняння водного балансу. Водобалансові дані необхідно порівнювати з багаторічними картографічними значеннями, з опублікованими в гідрологічній літературі нормами, а також співставляти з даними басейнів-аналогів.

Однією з форм аналізу складеного рівняння водного балансу є комплексний інтегральний графік елементів балансу. Попередньо складається таблиця, в якій виконується послідовне підсумовування місячних (за межень, водопілля, повінь) сум елементів водного балансу. По даним цієї таблиці виконується інтегральний графік, який наочно показує зміну прибуткових і витратних елементів водного балансу, а також його акумуляційного члена на протязі певного інтервалу часу.

Порядок роботи

1. За варіантом, наданим викладачем (Додаток А), визначити зміну запасів води в басейні річки за кожний місяць і за рік в табличній формі (табл. 2.2) за рівнянням (2.4).

2 Скласти таблицю, в якій виконується послідовне підсумовування місячних сум елементів водного балансу.

3 По даним цієї таблиці накреслити комплексний інтегральний графік елементів водного балансу (суми елементів відносяться на кінець кожного місяця).

4 Проаналізувати рівняння водного балансу.

Приклад розрахунку. Вихідні дані:

Елементи водного балансу: опади (Х), стік (Y) і випаровування (Е) у мм по місяцях за 2010 рік для басейну р. Дзеркальної - с. Березівка наведені в табл. 1.1. Треба розрахувати загальну зміну запасів води в басейні р. Дзеркальної - с. Березівка по місяцях за 2001 календарний рік і проаналізувати розрахований водний баланс за допомогою комплексного інтегрального графіка елементів балансу.