1.3.9. Балансові методи

Гідрологічні процеси відбуваються у відповідності до фундаментальних законів фізики, хімії, природи в цілому. Одними з найважливіших з них є закони (принципи) збереження. Це особливий клас наукових принципів, що відображають постійність (стійке існування) фундаментальних властивостей та відношень природи. Уявлення про ці принципи формувались і формуються поступово. Принцип (лат. principium — першопочаток, основа) — керівна дія, основне правило поведінки, дослідження. Таким чином це також метод. В діалектиці, у неперервному русі та змінах принципи збереження відображають сторону постійності, що протиставляється мінливості.

В гідрології найбільше використовують принципи збереження речовини, енергії та імпульсу. Вони також застосовуються в різних видах при вивчанні статики та динаміки води. На них базуються балансові методи. Зокрема: метод водного балансу, метод балансу розчинених речовин, наносів, деформацій динамічно стійких русел, радіаційного та теплового балансу, седиментаційного балансу, балансів окремих елементів та інші. Розглянемо приклади найбільш розповсюджених видів балансів. Баланси формально записуються у вигляді рівнянь, що відображають прихідну частину, витратну частину, зміну запасу та сумарну похибку за розрахунковий період часу . (В наших прикладах похибку розглядати не будемо). Рівняння можуть бути записані в різних величинах і, відповідно, з використанням різних одиниць вимірювань. Це залежить від особливостей вимірювань, розрахунку величин що входять до рівняння, а також від мети його застосування. В одному рівнянні всі величини повинні бути записані в одних одиницях вимірювання.

Розглянемо спрощений вигляд рівняння водного балансу певної території.

(1.177)

де — атмосферні опади на поверхню об’єкту, — поверхневий притік води, — підземний притік; — конденсація на поверхню об’єкту; — поверхневий відтік (стік); — підземний відтік; — випаровування; — зміни запасу води в межах об’єкту (контуру). Ці складові можуть самі складатися з певних різновидів (наприклад різні види атмосферних опадів, різні види випаровування та ін.). Крім того, у цьому рівнянні не відображено можливий вплив людини.

Спробуємо спростити рівняння. Можна конденсацію додати до опадів (вона завжди відносно невелика). Також перейдемо від будь-якої території до річкового водозбору обмеженого лініями вододілів. Поверхневий притік в нього неможливий. Тоді:

. (1.178)

Для великих водозборів обмін підземними водами поздовж їх контурів набагато менший ніж інші складові водного балансу. Тому можемо ним знехтувати:

. (1.179)

Якщо тепер розглянути цей баланс за достатньо великий проміжок часу (за багаторічний період), то відповідне осереднення в кліматично та фізико-географічно стабільних умовах приведе до умови Тоді:

, (1.180)

де — середньобагаторічні опади; — середньобагаторічне випаровування; — середньобагаторічний стік з водозбору. Для замкнених областей, областей внутрішнього стоку, будемо мати:

. (1.181)

У воді можуть знаходитись у зваженому, захопленому, або розчиненому вигляді різноманітні домішки — наноси (тверді, нерозчинні частки), розчинені солі (іони), гази, мікроелементи, колоїди, суспензії та інші. При їх дослідженнях застосовують закон збереження речовин (маси). Основні джерела поступання та витрат таких домішок пов’язані з рухами води. Тому їх баланс, по необхідності, розглядають спільно з водним балансом. Особливими факторами є хімічні та біохімічні процеси всередині досліджуваного об’єкту (контуру), внаслідок яких відбуваються перетворення, споживання, біологічна міграція, осадження речовини та інші зміни. Розглянемо приклад балансу хімічних речовин водного об’єкту:

(1.182)

1) Поступання речовин

Ф; Х — за рахунок фотосинтезу, або хемосинтезу;

П — разом з притоком води;

Г — разом з підземними (грунтовими) водами;

Д — з донних відкладів;

О — з атмосферними опадами;

К — за рахунок господарської діяльності людини;

2) витрати речовин —

С — за рахунок стікання (відтоку) води;

— за рахунок розсіювання в атмосферу;

— за рахунок деструкції (руйнування, перетворення);

З — на захоронення у донних відкладах;

— за рахунок видалення у підземні води;

Ж — на використання живими організмами;

3) — зміни запасу (акумуляція).

Рівняння теплового балансу складають для водного об’єкту, або для його частини, або для певного контуру (об’єму). Оскільки основним джерелом енергії у приповерхневій частині Землі є Сонячне випромінювання (радіація), то найважливішою складовою теплового балансу є результуюча радіаційного балансу (радіаційний баланс):

, (1.183)

де — радіаційний баланс; — пряма та розсіяна (поступаюча) радіація; — албедо поверхні об’єкту (показник здатності відбивати промені); І — ефективне випромінювання самого об’єкту. Рівняння теплового балансу можна записати так:

(1.184)

де 1) прихід тепла —

• — з радіаційним балансом;

— з притоком води;

— за рахунок теплообміну з атмосферою;

— за рахунок фазових переходів води;

— з атмосферними опадами;

— за рахунок внутрішнього тертя (дисипація механічної енергії);

2) витрати тепла —

— з відтоком води;

— за рахунок теплообміну з атмосферою;

— за рахунок фазових переходів;

3) — зміна запасу тепла.

Аналіз рівнянь балансів дозволяє обгрунтовано описувати гідрологічний режим водних об’єктів, визначати невідомі складові через відомі, досліджувати загальні гідрологічні, географічні та екологічні умови територій та об’єктів.