2.3. Баланс содержащихся в воде веществ

В воде могут находиться во взвешенном или растворенном состоянии различные вещества — наносы (взвеси), растворенные соли, газы и т.д. При изучении их режима учитывается закон сохранения массы этих веществ (см. уравнение (2.1)).

Источниками поступления находящихся в воде веществ служат эрозионные процессы, физическое и химическое выветривание, растворяющая работа воды, обмен с атмосферой, химические, биохимические и другие процессы. Во многих случаях эти вещества поступают в водные объекты и удаляются из них вместе с водой (например, с поверхностным и подземным стоком). Поэтому изучение баланса и режима взвешенных и растворенных веществ необходимо вести на основе анализа водного баланса, т. е. с использованием уравнения (2.5). При рассмотрении баланса солей, а также некоторых химических элементов и газов необходимо учитывать сложные химические и биохимические процессы, происходящие в водных объектах и приводящие либо к дополнительному поступлению этих веществ в воду, либо к удалению их из воды. К числу таких процессов относятся, например, образование органического вещества в результате фитосинтеза и разложение органического вещества.

При изучении баланса взвешенного или растворенного вещества часто используют данные не о массе этих веществ, а об их концентрации С, выраженной в кг/м³ или мг/л. В этих случаях масса данного вещества в объеме воды m = aCV, где V — объем воды, а — множитель, зависящий от размерности концентрации С: при размерности кг/м³ а = 1, при размерности г/м³ (или мг/л) а= 10^-3.

2.4. Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса (2.2) для любого объема воды или участка суши и интервала времени ∆t должно включать различные составляющие прихода теплоты ⁺ и ее расхода ^-.

Наиболее важный член уравнения теплового баланса — радиационный баланс R, представляющий собой разность между количеством суммарной коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой поверхностью воды или суши _с, и эффективным длинноволновым излучением этой поверхности I:

R=_С – I=(Q+q)·(1–r) – I. (2.6)

В уравнении (2.6) Q — прямая, q — рассеянная солнечная радиация, r—альбедо поверхности, т.е. отношение количества отраженной солнечной радиации к количеству поступающей, I — эффективное излучение, равное разности между излучением поверхности воды или суши в атмосферу и поглощенным встречным излучением атмосферы.

Ряд членов уравнения теплового баланса связан с поступлением или удалением теплоты с поверхностными или подземными водами. Соответствующие приходные и расходные составляющие теплового баланса обозначим через _пр и _расх и представим как _пр = _у⁺+_w⁺ и _расх = _у^-+_w^-, где _у — приток (индекс +) или отток (индекс -) теплоты с поверхностными водами, _w — то же, с подземными.

В уравнении теплового баланса учитывают также теплообмен с атмосферой _атм и грунтами _гр, обусловленный различиями в температуре воды и воздуха, воды и грунтов. Соответствующие приходные члены уравнения (при поступлении теплоты из атмосферы и от грунтов) обозначим через ⁺_атм и ⁺_гр, а их сумму — через ⁺_обм = ⁺_атм+⁺_гр. Аналогично сумма расходных членов теплообмена (при удалении теплоты в атмосферу и в грунт) записывается как ^-_обм = ^-_атм+^-_гр.

Большое количество теплоты расходуется (выделяется) при фазовых переходах. Поступление теплоты обозначим через ⁺_фаз._пер, затрату — через ^-_фаз._пер. Эти члены уравнения равны соответственно ⁺_фаз._пер = _лед+_конд и ^-_фаз._пер = _пл+_исп, где _лед и _конд - выделение теплоты при ледообразовании (замерзании воды) и конденсации водяного пара, _пл и _пл — затраты теплоты на плавление льда и испарение воды (см. разд. 1.3.3).

Вместе с дополнительными положительными членами — поступлением теплоты с атмосферными осадками _х, а также вследствие перехода части кинетической энергии в тепловую (диссипации энергии _дис) уравнение теплового баланса (2.2) записывается в виде

R + _пр + ⁺_о6м + _фаз.._пер + _х + _дис = _расх + ^-_обм +^-_{фаз. пер} ± ∆. (2.7)

Все члены уравнения (2.7) выражают в единицах теплоты (Дж) или относят к единице массы (Дж/кг), объема (Дж/м³), площади объекта (Дж/м²). Соответственно и изменение теплосодержания ∆ будет выражаться как c_pV∆T, c_p∆T, с_рр∆Т, c_pph∆T, где V- объем объекта;  — его плотность; h — толщина слоя (получают путем деления объема V на площадь F); с_р — удельная теплоемкость воды при постоянном давлении.

Зная количественное выражение различных членов уравнения теплового баланса, можно рассчитать величину ∆, а затем определить и изменение температуры ∆T. При ∆ = 0 и ∆T=0, т.е. температура объекта не изменяется. При ∆>0 температура объекта повышается (∆T>0), при ∆<О, наоборот, понижается (∆T<0).

Метод теплового баланса широко используют в гидрологии для исследования изменений температуры воды в реках, озерах, океанах и морях. Как и метод водного баланса, он заключается в составлении и анализе уравнения вида (2.7) и его членов, проверке или расчете трудно поддающихся определению членов уравнения. Уравнение теплового баланса можно использовать, например, для расчета количества растаявшего льда или воды, испарившейся с поверхности водоемов или участков суши. Для этого по известным членам уравнения теплового баланса находят затраты (поступление) теплоты при фазовых переходах, а затем по формулам (1.11) или (1.12) определяют массу (объем или слой) воды, образовавшейся вследствие таяния льда, или массу (объем, слой) испарившейся воды. Зная плотность льда, объем воды легко пересчитать в объем (толщину) растаявшего льда. Аналогично можно найти объем или слой испарившейся воды.