Водный баланс.

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:

Х_о + Х_с = Е_о + Е_с,

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;

У- речной сток;

U - подземные воды;

Е - сум­марное испарение.

В практических расчетах компонентов водного баланса это уравнение используют в упрощенном виде:

Х = У + U + Е

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.).

Уравнение водного баланса речных бассейнов

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,

х = у + Е ± и ± ω

Величина водообмена ω с увеличением площади водосбора убывает, по­этому для достаточно больших речных бассейнов можно считать, что ω = 0. Тогда уравнение принимает вид:

х = у + Е ± и

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.

η_о + Ψ _о = 1,

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.