6

Гидрология 2012

ЛЕКЦИЯ 3. Физические основы процессов в гидросфере.

Вопросы:

1. Фундаментальные законы физики при изучении водных объектов.

2.Метод водного баланса.

3.Метод теплового баланса.

4.Классификация видов движения воды. Турбулентный и ламинарный режимы движения воды. Число Рейнольдса.

1. Фундаментальные законы физики при изучении водных объектов.

Закон сохранения вещества (закон Ломоносова – Лавуазье): материя не возникает из ничего и не возникает бесследно, а только переходит из одного вида в другой:

m⁺ - m^- =  m. (3.1)

Из закона сохранения вещества следуют водный баланс, баланс наносов, баланс солей.

Закон сохранения тепловой энергии: тепловая энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно:

Q⁺ - Q^- =  Q. (3.2)

Величина Q называется изменением теплосодержания объекта. Если Q > 0, то происходит нагревание объекта, если Q < 0 – остывание.

Q = mc_pT, (3.3)

где с_р – удельная теплоемкость воды.

2-й закон механики: изменение импульса (количества движения) объекта равно сумме сил, действующих на него:

. (3.4)

Этот закон называется также законом изменения импульса, 2-м законом Ньютона, уравнением движения, уравнением баланса.

2.Метод водного баланса в гидрологии.

Метод водного баланса вытекает из общего закона сохранения материи и формулируется следующим образом: для любого пространства, ограниченного произвольной поверхностью, разность между количеством воды, поступившей внутрь него (сумма приходных составляющих - прих ) и вышедшей наружу (сумма расходных составляющих - расх), должна равняться либо увеличению либо уменьшению ее количества внутри данного объема ( u ).

прих - расх=u. (3.5)

Метод водного баланса заключается в:

1. Составлении уравнения водного баланса

2. Анализе его составляющих

3. Определении неизвестных компонентов по известным.

При составлении уравнения водного баланса в качестве приходных составляющих обычно берутся:

атмосферные осадки, выпавшие на поверхность – X;

количество влаги, сконденсировавшейся, в почве и на поверхности – E⁺;

количество воды, поступившей на данную площадь поверхностными водотоками – Y⁺пов;

количество воды, поступившей в данный объем подземным путем - Y⁺подз;

К расходным составляющим относят:

физическое испарение с поверхности – E^- ;

транспирацию с растительного покрова - T;

количество воды, стекающей с данной площади поверхностными водотоками – Y^-пов;

количество воды, ушедшей из данного объема подземным путем - Y^-подз;

Тогда соотношение приходных и расходных составляющих может быть выражено в виде уравнения (все компоненты выражены в единицах объема):

X + E⁺ + Y⁺пов + Y⁺подз = E^- + T + Y^-пов + Y^-подз  u. (3.6)

Для вывода уравнения водного баланса, являющегося частным случаем закона сохранения вещества, следует учитывать следующие параметры: время (сутки, декада, месяц, сезон, год); одинаковую размерность составляющих водного баланса (либо в единицах объема либо в единицах слоя).

Расчеты водного баланса могут производиться для речных бассейнов, озер, водохранилищ, болот, водоносных горизонтов, а также для отдельных участков территории, сельскохозяйственных полей, административных районов.

В зависимости от поставленной задачи и наличия данных могут составляться полные водные балансы, учитывающие все приходные и расходные составляющие и изменение запаса воды на поверхности и внутри объема и частные (приближенные) водные балансы, в которых учитывается только часть составляющих, а остальные определяются либо расчетным путем либо отбрасываются.

Так часто, при анализе составляющих водного баланса за многолетний период для больших бассейнов величины E⁺ , Y⁺пов , Y⁺подз принимаются равными нулю, сумма (E^- + T) анализируется без разделения и называется суммарным испарением(E), сумма (Y^-пов + Y^-подз) принимается в целом равной годовому стоку – Y, u приравнивается к нулю, тогда уравнение водного баланса речного водосбора за многолетний период записывается в виде :

X = E +Y. (3.7)

В таком виде уравнение часто используется для определения суммарного испарения при известных осадках и стоке, или наоборот для определения стока при известных осадках и испарении.

При этом следует отметить, что в величину u или в определяемый неизвестный компонент вносится суммарная погрешность всех величин, входящих в уравнение водного баланса, что накладывает серьезные ограничения на применение уравнения водного баланса для небольших отрезков времени ( год, сезон, месяц, неделя, сутки).

Однако, даже учитывая эти ограничения, метод водного баланса остается наиболее часто применяемым в гидрологии. Особенно эффективно применение водного баланса совместно с методом теплового баланса.