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 w_b 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 <0.

Единицами измерения составляющих уравнения водного балан­са речного бассейна обычно служат либо величины слоя (мм), либо объемные величины (м³, км³), 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 (м³ или км³) - 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 км². Если х необходимо получить в м³, то к= 10³, если в км³, 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» z₀/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.