Единицы измерения водного баланса

Уравнения водного и теплового баланса

(по А. И. Чеботареву)

Уравнение водного баланса в общем виде. Метод водного баланса основан на следующем очевидном равенстве: для любого объема пространства, ограниченного некоторой произвольной поверхностью, количество воды, вошедшее внутрь этого объема, за вычетом количества воды, вышедшего наружу, должно равняться увеличению (или соответственно уменьшению) количества ее внутри данного объема. Это равенство справедливо для любого промежутка времени и для любого произвольно взятого пространства, ограниченного замкнутой поверхностью.

Водный баланс речного водосбора отражает важные с точки зрения гидрологии звенья процесса круговорота воды в природе. При анализе воднобалансовых соотношений многие гидрологические явления рассматриваются в их совокупности и взаимодействии.

Пользуясь методом водного баланса, представляется возможным производить сопоставление отдельных источников поступления влаги в различные периоды времени в пределы изучаемой территории и устанавливать степень их влияния на общий ход формирования водного режима изучаемого объекта. На основе взаимной увязки отдельных компоненгов водного баланса можно установить и путем анализа устранить возможные ошибки измерений и оценить точность полученных выводов.

Наконец, метод водного баланса позволяет косвенным путем определить по разности между изученными величинами тот из компонентов баланса влаги (сток, осадки, испарение, фильтрация и т. д.), который в данных условиях трудно измерить, но знание которого бывает необходимо или для решения чисто инженерных задач, или для выяснения общих закономерностей влагооборота к пределах рассматриваемого пространства.

Все это определило весьма широкое распространение этого метода в гидрологии. Исходя из изложенных основных принципиальных положений, составим уравнение водного баланса для произвольно взятой части земной поверхности. Контур, ограничивающий рассматриваемую часть земной поверхности, в общем случае пересекает входящие и выходящие водотоки. Через этот контур мысленно проведем вертикальную поверхность, которая будет являться боковой поверхностью выделяемого объема.

Эту боковую поверхность продолжим до горизонта, ниже которого воды не проникают (например, до водонепроницаемого слоя). Учтем все возможные пути поступления и расходования влаги в рассматриваемом объеме.

Приходную часть баланса влаги в рассматриваемом объеме будут составлять:
1) осадки х, выпавшие за рассматриваемый период времени на поверхность выделенного объема;
2) количество влаги z1, конденсирующейся в почве и на ее поверхности;
3) количество воды w1, поступившей путем подземного притока;
4) количество воды у1, поступившей на данную площадь через поверхностные водотоки (русловой и склоновый сток).

Расходование влаги из рассматриваемого объема может осуществляться следующими путями:
1) испарение z2 с поверхности воды, снега, почвы, растительного покрова и транспирация;
2) отток воды w2 путем подземного стока;
3) стекание воды у2 поверхностными водотоками (русловой и склоновый сток).

Превышение приходной части баланса над расходной будет вызывать увеличение запасов влаги в рассматриваемом объеме.

Наоборот, превышение расходной части баланса над приходной может произойти только за счет уменьшения запасов влаги.

Таким образом, чтобы получить равенство приходной и расходной частей уравнения баланса, нужно в левую (приходную) часть уравнения добавить член u1, характеризующий убыль запасов влаги за рассматриваемый период, а в правую (расходную) часть — член u2, характеризующий прибыль запасов влаги.

Все величины, входящие в уравнение баланса, выразим не в виде объема воды, поступившей в пределы, ограниченные заданным контуром, или, наоборот, вышедшей за пределы контура, а в виде слоя воды, т. е. объема, деленного на площадь рассматриваемой территории.

В соответствии с принятыми обозначениями общее уравнение баланса влаги для произвольного контура и произвольного промежутка времени напишется в виде

Частные случаи уравнения водного баланса. Если рассматривать не произвольный контур, а речной бассейн, для которого можно точно провести линию водораздела, то в этом случае замкнутую линию водосбора будет пересекать только один вытекающий водоток.

В этом случае у1 и y2 следует заменить значением стока через один водоток у, а уравнение (1) после некоторых преобразований можно написать так:

Далее в целях большей компактности вывода будем рассматривать не каждый в отдельности из всех случаев прихода — расхода влаги, а результат совместного действия прямо противоположных факторов (испарение — конденсация, подземный приток — сток через контур, прибыль-убыль запасов воды).

Обозначим в этом случае через z испарение за вычетом конденсации, т. е. z = (z2 — z1), через u — положительное (прибыль) или отрицательное (убыль) изменение запасов влаги в бассейне, например возрастание или убывание снежного покрова, поднятие или опускание уровня грунтовых вод, подъем или падение уровня воды в реках, озерах и т. д. Наконец, через w обозначим положительное (в случае отекания за пределы бассейна) или отрицательное (в обратном случае) значение подземного водообмена данного бассейна с соседним.

Так как х и у всегда положительны, разность z = z2 — z1 почти всегда положительна, ибо конденсация в подавляющем большинстве случаев меньше испарения, а и и w могут иметь и положительные и отрицательные значения, то окончательно самое общее выражение баланса влаги для речного бассейна можно записать в виде:

Относительно члена w необходимо заметить, что эта величина, полученная от деления на площадь водосбора подземного притока (оттока), совершающегося по периметру контура, убывает для подобных фигур с возрастанием их размеров, т. е. при прочих равных условиях член w будет тем меньше, чем больше площадь бассейна. Поэтому, применяя уравнение (3) к бассейну, достаточно большому, можно пренебречь членом w, убывающим с возрастанием площади.

Применительно к этому случаю уравнение (3) напишется в виде:

Теперь рассмотрим не произвольный период времени, а гидрологический год, под которым будем понимать такой годичный период, в течение которого завершается цикл накопления и расходования влаги на поверхности бассейна. В этот цикл необходимо включить весь период накопления снега и весь период снеготаяния и половодья, весь период интенсивных дождей и по возможности весь период стока этих дождевых вод. Очень часто за начало гидрологического года для равнинной части Европейской территории принимают обычно 1 октября. Теоретически начало гидрологического года различное для каждой климатической зоны и даже для каждого года в зависимости от гидрологической и метеорологической обстановки, однако практически это ведет к значительному усложнению расчетов, в большинстве случаев не оправдываемому требованиями практики. Поэтому обработка данных гидрологических и метеорологических наблюдений не в пределах календарного, а в пределах гидрологического года производится главным образом при исследовании специальных вопросов и при научных разработках.

Итак, если применить уравнение баланса (4) к периоду гидрологического года, то член ± u будет означать накопление или расходование подземных вод

Знак у uподз будет меняться с чередованием лет, причем в засушливые годы часть подземных вод будет расходоваться на сток и испарение, а во влажные, наоборот, часть осадков пойдет на пополнение запасов подземных вод. Поэтому применительно к многолетнему периоду, включающему в себя и засушливые и влажные годы, можно написать

Применительно к бессточному бассейну, например к бассейну озера, не имеющего стока (у=0), уравнение баланса для многолетнего периода примет следующий простой вид:
х = z, т. е. для бессточного бассейна осадки за многолетний период равны испарению.

Непосредственное измерение составляющих уравнения водного баланса. Рассмотрим каждый из составляющих членов уравнение баланса влаги речного бассейна в отдельности.

Измерение осадков менее сложное, чем других элементов водного баланса, поэтому распределение их по земной поверхности изучено наиболее подробно. Некоторые важные особенности, относящиеся к измерению осадков, изложены в п. 3.2.

Роль конденсации как дополнительного фактора, способствующего увеличению запасов влаги, обычно невелика по сравнению с общим объемом влаги, учитываемым уравнением водного баланса. Систематические измерения этого элемента не производятся. Поэтому в расчетах при пользовании метеорологическими данными неизбежно допускают некоторую погрешность.

Только в отдельных частных случаях при исследовании баланса сравнительно неболь-ших количеств влаги (например, формирования подземных вод в пустынях) организуют специальные исследования для учета конденсации.

Непосредственное измерение расхода воды на испарение, происходящее с поверхности воды, снега и льда, почвы и растений, а также на транспирацию для достаточно больших водосборов представляет значительные трудности. Обычно оценка этой составляющей водного баланса производится путем расчета, основываясь на зависимостях, рассмотренных в п. 3.3.

Сток у при надлежащей организации работ может быть измерен приемами гидрометрии сравнительно точно. Подземный водообмен через контур w (за счет несовпадения подземного и поверхностного водосборов) обычно не учитывается, во-первых, ввиду его незначительной величины (особенно для больших территорий) по сравнению с остальными составляющими водного баланса, во-вторых, ввиду чрезвычайной сложности его определения.

В отдельных случаях при наличии мощных подземных водотоков (карстовые области), направление которых не совпадает с направлением поверхности стока, ошибка из-за неучета этого члена равенства может оказаться весьма существенной, особенно по отношению к подземному питанию данной реки.

Наконец, рассмотрим последний член уравнения и — изменение запасов влаги в пределах рассматриваемого объема.

Эти запасы слагаются из поверхностных и подземных вод. Увеличение их ведет к повышению уровня водоемов и грунтовых вод, увеличению влажности почво-грунтов, возрастанию мощности снежного покрова и т. д. Уменьшение запасов влаги характеризуется обратными явлениями.

Изменение запасов поверхностных вод может быть учтено с некоторым приближением по данным наблюдений за уровнем озер, рек, прудов, снегомерных съемок и пр.

Вопрос о колебаниях запасов подземных вод и влажности почво-грунтов, будучи связан с характеристиками горных пород, слагающих изучаемую территорию, с колебанием уровня грунтовых вод, скорости и направления их движения и т. д., является сложным и точной количественной оценке для достаточно крупных водосборов не поддается.

Таким образом, из пяти членов, входящих в уравнение водного баланса, только два могут быть измерены непосредственно — осадки х и сток у, а остальные, как правило, определяются приближенно.

Рассмотренные уравнения описывают основные наиболее типичные воднобалансовые соотношения, которые применительно к отдельным, частным ситуациям могут быть записаны в более детальной форме.

Например, можно считать, что общий сток включает поверхностную и подземную составляющие. Изменение запасов влаги в пределах речного водосбора иногда целесообразно представить раздельно в форме изменения запасов, накапливающихся в понижениях рельефа на поверхности водосбора, изменения запасов подземных вод, возникающих в результате их сработки или пополнения за счет фильтрации поверхностных вод, и т. д. Уравнение водного баланса, записываемое с той или иной степенью детализации, иногда называют дифференцированным уравнением водного баланса.

Количество возможных для использования ресурсов поверхностных и подземных вод (приходная часть) и потребности в воде населения и всех отраслей народного хозяйства в пределах какой-либо территории, экономического района или населенного пункта (расходная часть) при неблагоприятном соотношении ресурсов и потребления обычно выражают в форме водохозяйственного баланса.

Таким образом, водный баланс характеризует соотношения, устанавливающиеся между приходом и расходом влаги под влиянием природных процессов (иногда с учетом воздействия хозяйственной деятельности), а водохозяйственный баланс — сложившуюся или проектируемую ситуацию между возобновляемыми в процессе круговорота воды запасами природных (обычно пресных) вод и потребностями в воде народного хозяйства. При этом общий речной сток, являющийся расходным элементом водного баланса, в водохозяйственном балансе выступает как основная его приходная часть.

Тепловой баланс водных объектов

Общий вид уравнения теплового баланса. При решении весьма многих гидрологических вопросов широкое применение находят законы сохранения энергии и материн, записанные в форме уравнения теплового баланса, применительно к условиям водных объектов.

Использование уравнения теплового баланса позволяет решать задачи, относящиеся к области расчета нагревания и охлаждения воды в реках и озерах, таяния снега, испарения воды, нарастания льда, и выяснять закономерность развития ряда других важных гидрологических процессов, совершающихся под влиянием теплообмена между водными объектами и окружающей средой, количественным выражением которого и является уравнение теплового баланса.

При составлении уравнения теплового баланса необходимо осуществить учет всех потоков тепла, поглощаемых рассматриваемым водным объектом или расходуемых им через плоскости раздела, ограничивающие его от окружающего пространства. Элементами теплообмена между водным объектом и окружающей средой являются:
Sср — поглощаемая водой (снежным, ледяным покровом) суммарная (прямая и рассеянная) коротковолновая солнечная радиация;
Sиа — поглощаемое водой (снежным, ледяным покровом) встречное длинноволновое излучение атмосферы;
Sив — потери тепла водой (снежным, ледяным покровом) путем длинноволнового излучения;
Sтa — турбулентный обмен тепла с атмосферой путем конвекции, молекулярной и турбулентной теплопроводности (за счет разности температуры воды и воздуха);
Sик — тепло, затрачиваемое на испарение или выделяемое при конденсации;
Sтд — теплообмен с дном;
Sпр — тепло, приносимое водой притоков и источников; на бесприточном участке реки — тепло, поступающее через входной створ участка;
Sст — тепло, выносимое поверхностным и подземным стоком; на бесприточном участке реки — тепло, приносимое через выходной створ участка;
Soc — тепло, поступающее от дождевых осадков или затрачиваемое на таяние снега, выпадающего в водоем;
Sик — тепло, теряемое вместе с испарившейся водой или приходящее вместе с конденсирующимся паром воды;
Sл — тепло, выделяемое при образовании льда или затрачиваемое при его таянии на месте (в пределах данного водоема или в пределах рассматриваемого участка);
Sлп — тепло, затрачиваемое на таяние льда, внесенного на рассматриваемый участок реки или водоем притоками;
Sкэ — тепло, выделяемое при рассеянии кинетической энергии.

Помимо указанных элементов теплообмена, на температуру воды оказывает влияние тепло, выделяющееся при биохимических процессах, тепло, поступающее из недр земли; отраженная от берега и суммарная солнечная радиация и т. п. Существенного влияния эти источники тепла обычно не оказывают и поэтому в тепловом балансе не учитываются. Тепло Sкэ, выделяющееся при движении жидкости за счет сил трения, начинает играть заметную роль лишь при скоростях течения, превышающих 0,4-0,5 м/с, наблюдающихся в реках и сильно проточных озерах и водохранилищах.

Составляющие теплового баланса Scp, Sиа, Sпр и Sкэ всегда положительны; Sив, Sст и Sлп всегда отрицательны; остальные составляющие могут обусловливать как увеличение, так и уменьшение запаса тепла в водной массе. Тепловой поток Sик положителен при конденсации и отрицателен при испарении. Если тепловые потоки Sта и Sтд направлены от водной массы в атмосферу или литосферу, то они будут иметь отрицательный знак, при обратном потоке тепла эти составляющие войдут в уравнение теплового баланса со знаком плюс. При образовании льда тепловой поток Sд положителен, при таянии — отрицателен; значение Soc положительно при дождевых осадках и отрицательно при снеге.

Сопоставляя положительные и отрицательные тепловые потоки, можно найти величину результирующего теплового потока S, характеризующую изменение теплосодержания в рассматриваемом объеме воды за промежуток времени T. При увеличении содержания тепла в озере S положительно, а при уменьшении — отрицательно.

Учитывая изложенное, уравнение теплового баланса для некоторого периода времени T может быть записано в виде

Во многих случаях нет необходимости учитывать все перечисленные составляющие теплового баланса. Так, в теплый период года, а на незамерзающих водных объектах и в течение любого периода нет необходимости учитывать теплоту образования и таяния льда Sл, Sлп. Применительно к условиям бессточных озер отпадает тепловой поток Sст.

Часто можно пренебречь теплом, приносимым притоками (Sпр), дождевыми осадками (Soc) и затрачиваемым на таяние льда (Sлп), приносимого притоками. На глубоких озерах (глубиной более 20 м) можно пренебречь и членом Sтд, так как годовой ход температуры у дна таких озер сильно сглажен и потому теплообмен между водной массой и ложем очень мал. На мелководных озерах, особенно в период ледостава, роль теплообмена с дном возрастает и пренебрегать членом Sтд уже нельзя.

Для периода, когда на водоеме отсутствуют ледовые образования, основную роль в тепловом балансе играет суммарная солнечная радиация Scp, излучение атмосферы Sиа, излучение воды Sив, расход тепла на испарение Sис и турбулентный теплообмен с атмосферой Sта, характеризующие теплообмен водной массы с атмосферой.

При наличии снежно-ледяного покрова и установившегося в его толще теплового режима тепловые потоки, характеризующие теплообмен с атмосферой (Scp, Sиа, Sис, Sта), можно заменить одним потоком Sтлс, выражающим тепловой поток от воды в атмосферу сквозь снежно-ледяную толщу. Допускаемая при такой замене неточность, являющаяся следствием неучета части солнечной радиации, проникающей в воду, становится существенной лишь для условий весны, когда после схода снежного покрова некоторая часть солнечной радиации начинает проникать сквозь лед в воду.

Если уравнение теплового баланса составляется для годового периода, то составляющие Sтд (теплообмен с дном) и Sл (тепло, выделяемое при образовании льда или затрачиваемое при его таянии) в него не войдут, так как в течение года теплоотдача дну компенсируется приходом тепла от него, а тепло, выделяемое при образовании льда, компенсируется затратами тепла при его таянии.

Для периода весеннего снеготаяния уравнение теплового баланса снежного покрова сокращается до вида

В этом случае теплоприход от почвы обычно невелик и им можно пренебречь. Приток тепла за счет жидких осадков также достаточно мал и может не приниматься во внимание. Обычно не учитывается и тепло, расходуемое на изменение температуры снега.

При составлении уравнения теплового баланса все его составляющие должны быть выражены в одинаковых тепловых единицах в виде количества тепла (кал, ккал) или в форме теплового потока, отнесенного к единице поверхности [кал/(см 2 *сут), кал/(см 2 *год)].

Тепловой баланс

Общие положения. Колебания температуры воды в реках и водоемах, нагревание и охлаждение почвы, таяние снега, нарастание и разрушение ледяного покрова — все эти явления связаны с тепловым балансом участков земной поверхности или воды в реках и водоемах. Решая соответствующее уравнение, можно определить интенсивность этих процессов в конкретных условиях.

Уравнение теплового баланса составляется или для некоторого замкнутого объема, например для объема воды на участке реки, как это делается и при расчетах водного баланса, или для поверхности воды, снега, льда. Так, при расчете нарастания льда на водоемах используют уравнение теплового баланса для поверхности воды подо льдом, а при расчете снеготаяния — для самого верхнего слоя снега.

При составлении уравнения теплового баланса включаются все слагаемые, вносящие существенный вклад в баланс данной среды. Некоторые второстепенные элементы не учитываются, если величина их того же порядка, что и погрешность главных слагаемых. Решая уравнение, можно определить неизвестное слагаемое, если известны все остальные. С помощью метода теплового баланса можно вывести также расчетные уравнения, например уравнение для расчета толщины льда на водоемах, как это будет показано в главе о ледовом режиме рек.

Уравнение теплового баланса для участков суши. Используется для определения испарения, таяния снега и ледников.

Для поверхности суши с любым покровом уравнение теплового баланса запишется:

В теплый период, когда на поверхности нет ни снега, ни льда, слагаемое Qc выпадает, но зато F приобретает большое значение, так как происходит нагревание или остывание почвы до значительной глубины. Нагревание наблюдается весной после схода снега и в первой половине лета, а остывание — осенью. Сезонные колебания температуры распространяются до глубины 1 — 1,5 м, а в скальных грунтах — до 3 м.

Зимой, когда поверхность земли покрыта слоем снега, слагаемое Qc ничтожно мало, так как тепло, выделяющееся при замерзании воды в почве, не достигает поверхности снега. Тепловой поток из почвы вообще незначителен и даже при непромерзшей почве не распространяется через толщу снега. Слагаемое F в этом: случае характеризует главным образом изменение количества тепла в самом верхнем слое снега.

Весной, когда снег тает, роль слагаемого Qc резко возрастает. При стаивании 25-30 мм снега в сутки (в пересчете на воду) расходуется 840-1050 Дж (200-250 кал), что составляет около половины суточной суммы прямой солнечной радиации, поступающей к поверхности снега в средних широтах. Слагаемое F по-прежнему мало, так как снег накапливает мало тепла, а теплообмен с почвой при сплошном снежном покрове, как показали исследования П. П. Кузьмина, не превышает ±42 Дж/см 2 (±10 кал/см 2 ) в сутки, что составляет не более 2-3% прихода тепла от радиации.

Уравнение теплового баланса для участка реки. В данном случае рассматривается объем воды на участке реки, ограниченном двумя створами. На участке могут впадать притоки и иметь место поступление грунтовых вод или фильтрация в грунт. Уравнение теплового баланса записывается:

Все слагаемые левой части уравнения выражаются в Дж/см 2 поверхности воды на участке реки и могут быть как положительными, так и отрицательными, за исключением qэ — перехода кинетической энергии в тепловую, которая всегда положительна. Результирующая величина S может иметь как тот, так и другой знак, причем знак плюс означает, что вода приобретает некоторое количество тепла и нагревается, а знак минус — потерю тепла и охлаждение или нарастание льда.

Иногда в уравнении учитывают также поступление тепла с жидкими осадками или его расходование на таяние снега, выпадающего на водную поверхность.

В период открытого русла, когда солнечная радиация и теплообмен с воздухом абсолютно преобладают, qэ и qд иногда пренебрегают за их малостью. Слагаемое qл также выпадает, так как льда на реке нет и таяние его или образование не происходит. В некоторых случаях можно пренебречь и слагаемым mr, когда поступление грунтовых вод или фильтрация речной воды в грунт на участке малы.

При ледоставе картина совершенно меняется. Радиационный баланс воды подо льдом становится очень малым, при этом теплообмен с воздухом также почти прекращается. Зато возрастает роль теплообмена с ложем и поступление тепла с грунтовыми водами, особенно там, где выходы их в русло значительны. Поступление тепла от грунта в зимние месяцы может доходить до 85-125 Дж/см 2 (20-30 кал/см 2 ) в сутки, тогда как в летние месяцы наблюдается расходование тепла приблизительно в тех же размерах. Таким образом, при составлении уравнения баланса применительно к конкретному участку реки и определенному сезону его можно упростить путем исключения малозначащих элементов на основе учета гидрогеологических особенностей местности, фазы водного режима реки и условий погоды.

Источник

Водный баланс

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Смотреть что такое «Водный баланс» в других словарях:

водный баланс — Соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за выбранный интервал времени для рассматриваемого объекта. Примечание Водный баланс может быть рассчитан для водосбора или участка территории, для водного объекта, страны, материка … Справочник технического переводчика

Водный баланс — (a. balance of water; н. Wasserbilanz; ф. bilan d eau; и. balance de agua) количеств. выражение круговорота воды в атмосфере, гидросфере, на Земле в целом или отд. её p нах. Xарактеризует все формы прихода и расхода воды в жидком,… … Геологическая энциклопедия

Водный баланс — – соотношение за какой–либо промежуток времени (год, месяц, декаду и т.д.) прихода, расхода и аккумуляции (изменение запаса) воды для речного бассейна или участка территории, для озера, болота или другого исследуемого объекта. В общем случае… … Википедия

ВОДНЫЙ БАЛАНС — количественная характеристика прихода и расхода воды на данной территории. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии. И.И. Дедю. 1989 … Экологический словарь

водный баланс — Соотношение приходной и расходной частей круговорота воды на каком либо пространстве … Словарь по географии

водный баланс — vandens balansas statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Vandens pritekėjimo ir sunaudojimo elementų tam tikrame plote (vandeningoje sistemoje) kiekybinė išraiška (elementų algebrinė suma). Vandens pritekėjimo elementai yra šie:… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas

водный баланс — 3.1 водный баланс : Соотношение прихода и расхода воды или изменение запаса (аккумуляции) воды для исследуемого объекта (речного бассейна, озера, болота или участка территории) за определенный промежуток времени (год, месяц, декаду и т.д.).… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ВОДНЫЙ БАЛАНС — соотношение между приходом, расходом и изменением запасов воды за определ. отрезок времени для участка земной поверхности (водосборный бассейн, озеро, болото, поле). Приходную часть В. б. составляют атм. осадки, конденсация влаги в почве и на её… … Сельско-хозяйственный энциклопедический словарь

ВОДНЫЙ БАЛАНС — соотношение между приходом и расходом воды в пределах конкретного района. Составными частями В. б. являются атмосферные осадки, поверхностные воды, испарение и сток коды (поверхностный и подземный). (См. Балансовое уравнение.) … Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии

водный баланс — водный баланс, соотношение между приходом, расходом и изменением запасов воды за определенный отрезок времени для участка земной поверхности (водосборный бассейн, озеро, болото, поле). Приходную часть В. б. составляют атмосферные осадки,… … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь

Источник

Водный баланс и водные ресурсы

Общий объем гидросферы равен примерно 1800 млн. км 3 . Большая часть воды — 1370 млн. км 3 — приходится на мировой океан, 340 млн. км 3 — на долю связанной воды земной коры (включая воду живых организмов), приблизительно 13 тыс. км 3 воды в виде пара находится в атмосфере и немного более 90 млн. км 3 приходится на воды суши (табл. 1).

Из приведенных выше данных видно, что объем почвенных и речных вод ничтожно мал по сравнению с другими видами природных вод. Тем не менее им принадлежит важная роль в природных процессах и в жизни человека.

Все воды на Земле находятся в постоянном движении, которое происходит в процессе одного из грандиознейших явлений природы — круговорота воды. Поэтому охарактеризованные выше единовременные запасы различных вод не дают сколько-нибудь полного представления о водных ресурсах. Последние могут быть оценены лишь на основании водного баланса. С этой целью нами применяется дифференцированное уравнение водного баланса

где Р — атмосферные осадки, S — поверхностный (паводочный) речной сток, U — подземный (устойчивый) речной сток, N — испарение непосредственно с почвы, Т — транспирация растений. Два последних члена этого уравнения в общем виде пока еще не решаются и оцениваются лишь по результатам отдельных экспериментов. Однако для агрономии не безразлично — расходуется ли почвенная влага на транспирацию или на испарение с почвенного покрова, не участвуя при этом в формировании растительной массы. Непродуктивное испарение — резерв для земледелия, для повышения урожайности в зонах недостаточного увлажнения. Поэтому для использования этого важного резерва, особенно учитывая условия земледелия в указанных зонах, необходимо изучать испарение дифференцированно, разделяя его на продуктивное и непродуктивное. Однако таких исследований проводится, еще очень мало; важно, чтобы они стали массовыми, чтобы на опытных сельскохозяйственных станциях определялось количество воды, расходуемой разными сельскохозяйственными культурами в различных условиях, подобно тому, как изучается количество пищи, потребляемой растениями. В агрономии поставлена задача удобрять не почву, а снабжать необходимой пищей непосредственно растения. Подобная же задача стоит в отношении использования водных ресурсов. Следует не увлажнять почву, с которой непродуктивно расходуется много воды, а обеспечивать необходимым количеством воды растения.

Пока данных о продуктивном испарении еще мало, дифференциация водного баланса ограничивается подразделением речного стока на поверхностную и подземную составляющие, а испарение оценивается суммарно. Тем не менее такая дифференциация речного стока представляет существенный шаг в развитии исследований водного баланса, так как позволяет решить ряд вопросов, остававшихся невыясненными при использовании уравнения водного баланса P = R + E ( R — полный сток, Е — испарение), применявшегося в течение многих десятилетий и создавшего целую эпоху в развитии гидрологии.

Теоретическое значение этого уравнения заключалось в том, что на его основе были установлены закономерности изменений стока и испарения в зависимости от осадков (Ольдекоп, 1911). Оно служило также для определения величин речного стока, когда измерений этого элемента водного баланса было мало (примерно до конца прошлого—начала текущего столетий), а для районов, не изученных в гидрологическом отношении, используется еще и в настоящее время.

Это уравнение не утратило значения для оценки испарения с суши по данным об осадках и речном стоке, которых в последние десятилетия появилось довольно много, и территории Европы, Азии, Северной Америки, значительной части Южной Америки, Африки в литературе освещены в этом отношении хорошо.

Уравнение водного баланса Р = R + Е не раскрывает литологического звена круговорота воды — гидрологических процессов, связанных с почвой и земной корой. Его недостаточность стала ощущаться уже давно, и В. Г. Глушков (1934), развивая представления о закономерностях взаимосвязей между осадками, стоком и испарением, ввел в уравнение водного баланса еще один элемент — инфильтрацию. Это имело важное теоретическое значение, но уравнение водного баланса В. Г, Глушкова практически не могло быть решено, так как четвертый член уравнения— инфильтрация —оставался нераскрытым.

Этот вопрос решается с помощью применяемого нами дифференцированного уравнения водного баланса. Из уравнения

где W — инфильтрация, или валовое увлажнение почвы, К U — коэффициент питания рек подземными водами и К E коэффициент испарения. Последним коэффициентом характеризуют долю почвенной влаги (количество воды, профильтровавшейся в почву), расходуемой на питание рек подземными водами и на испарение.

Питание рек подземными водами в общем виде характеризует и питание подземных вод. Это связано с тем, что подземные воды, дренированные реками, наиболее активно участвуют в водообмене. Запасы подземных вод, залегающие ниже уровня речного дренажа, велики по объему, но малоактивны, их участие в кругообороте воды незначительно и, как правило, они относятся к застойным водам. Ярким примером таких вод могут служить глубинные подземные воды — рассолы. Их питание происходит чрезвычайно медленно, а возраст соизмерим, по-видимому, с геологическими периодами, с возрастом материков и отдельных частей суши.

Поверхностный сток — вода, стекающая по склонам, теряется для почвы и, сосредоточиваясь в руслах рек, образует паводки. Вместе с тем за счет питания рек подземными водами в реках образуется устойчивый сток, который можно довольно уверенно отделить от паводочного, Такая непосредственная связь между поверхностным стоком с территории и речными паводками, а также подземным питанием рек и устойчивым стоком имеет важное методическое значение, так как позволяет практически решать дифференцированное уравнение водного баланса.

Следовательно, водный баланс территории речного бассейна может быть раскрыт путем анализа речного стока. Разделяя его на поверхностную и подземную составляющие и располагая данными об осадках, можно определить и другие элементы водного баланса — инфильтрацию и испарение.

Сказанное представляет собой схему. В природе встречаются условия, усложняющие практическое решение уравнения водного баланса. Это относится к отдельным районам—областям питания артезианских подземных бассейнов или к областям их разгрузки. В таких условиях в уравнение водного баланса территории необходимо дополнительно включить соответствующие члены. Современный метод водобалансового анализа позволяет решить уравнение водного баланса и для таких более сложных природных условий.

Следует все же предостеречь от шаблонного применения уравнения водного баланса. Предлагаемая схема водного баланса, как, впрочем, и его прежнее уравнение, применимы для территорий, в пределах которых водный баланс практически замкнут. Территорий с идеально замкнутым водным балансом, по-видимому, мало, но если питание подземных вод, не дренированных реками в одних районах, или разгрузка этих вод и питание ими рек в других районам составляет сравнительно небольшую величину, как это чаще всего бывает в природе на более или менее значительных территориях, то для таких условий уравнение водного баланса вполне применимо при решении практических задач.

Примером может служить Днепровско-Донецкий артезианский бассейн, питающийся в пределах бассейнов верхнего течения левых притоков средней части Днепра. Разгрузка этого бассейна происходит в низовьях этих притоков и в среднем течении самого Днепра. В целом для этого бассейна, который нередко использовался в качестве примера больших нарушений водного баланса территории в результате перераспределения вод в артезианских бассейнах, это перераспределение оценивается в пределах ± 10 мм (Идзон, 1962), что составляет лишь 2% от количества осадков, 2,5—3% от величины валового увлажнения почвы (инфильтрации) и примерно 8—12% от объема стока. Это не значит, что в отдельных частях района и в других местах подземное перераспределение вод не может играть более значительную роль в формировании водного баланса. Такие условия необходимо учитывать.

Однако для географического распределения элементов водного баланса, в том числе и для питания рек подземными водами — элемента, наиболее тесно связанного с геологическим строением, весьма характерны и наиболее ярко проявляются зональные закономерности. Этого вопроса мы еще коснемся ниже, а здесь отметим, что при составлении первой карты подземного питания рек СССР, в основу которой были положены данные для 480 речных бассейнов, не обнаружилось каких-либо существенных отклонений в распределении указанного элемента от зональных закономерностей (Дрейер, 1962).

Таким образом, дифференцированное уравнение водного баланса позволяет вполне уверенно решать задачу генерализованно, для мелкомасштабного картирования. Дальнейшие исследования, основной путь которых уже вполне вырисовывается, позволят перейти к увеличению масштаба карт подземной составляющей водного баланса и, по-видимому, дадут возможность выявить нарушения зональных закономерностей этого элемента, обусловленных геологическим строением верхних частей земной коры.

Выше мы говорили о распределении элементов водного баланса, его подземной составляющей в пространстве. Не меньший интерес представляет оценка соотношений его элементов во времени.

То, что было оказано о прежнем и дифференцированном уравнении водного баланса, относится к водному балансу продолжительных периодов или к средним многолетним условиям. Для таких условий водный баланс носит практически замкнутый характер. Но для непродолжительных периодов — сезонов и отдельных лет — велика вероятность того, что не все его элементы замыкаются. Особенно это относится к литологическому звену круговорота воды. В этом случае в уравнение водного баланса следует ввести еще один дополнительный член (± V ), характеризующий количество воды, переходящей из данного периода в следующий или расходуемой в течение данного периода за счет накопления воды в предыдущем периоде. Тогда прежнее и дифференцированное уравнения получат следующий вид:

В течение многих лет делались попытки оценить размеры перераспределения во времени элементов водного баланса. Эти исследования затруднены тем, что истинные величины испарения с суши, особенно для отдельных периодов, определить очень трудно. Практически и сейчас этот вопрос не разрешен. Точность определений величин испарения с суши для конкретных периодов времени остается еще настолько невысокой, что оценить величину ± V таким путем чаще всего не представляется возможным.

Исследования этого вопроса применительно к прежнему уравнению водного баланса (Р = R + Е ± V ) показали, что V достигает в балансе за год больших величин (Великанов и Львович, 1930), но точность его определений зависела от несовершенных приемов вычислений испарения с суши. Для того, чтобы разобраться в поставленном вопросе, необходимо проанализировать происхождение этого элемента водного баланса. В основу анализа примем дифференцированное уравнение водного баланса.

Атмосферные осадки могут сыграть роль в перераспределении элементов водного баланса за счет снежного покрова. Формируясь в один период, снежный покров может залегать в речение более или менее длительного времени и перейти в другой период, если граница последнего придется на предвесеннее время. Однако такого случая можно избежать путем соответствующего подбора периодов. Гидрологический год соответствует этому условию.

Поверхностный сток настолько динамичен, что сколько-нибудь существенного перераспределения во времени водного баланса за счет этого элемента произойти не может. Действительно, стекание воды со склонов до ближайшего русла продолжается в течение нескольких часов и количество текущей воды, единовременно находящейся на склоне, невелико. Поэтому нет оснований считать, что поверхностный сток может повлиять на распределение водного баланса во времени.

Отсюда следует, что соотношение W = Р — S одинаково применимо как для длительных периодов времени и средних многолетних условий, так и для любого отрезка времени, если соблюдено условие, отвечающее гидрологическому году. В отношении инфильтрации ( W ) этот вывод не только вытекает из выражения W = Р — S , поскольку ни осадки, ни поверхностный сток не влияют на перераспределение элементов водного баланса, но его правомерность определяется также и самим процессом инфильтрации. Это явление происходит во время выпадения дождя или во время снеготаяния и продолжается в течение короткого времени — до достижения поверхностным склоновым стоком русловой сети, т. е. в течение времени добегания поверхностного стока после прекращения дождя или после окончания снеготаяния. Таким образом имеется вполне достаточное основание считать, что инфильтрация за год или за сезон, определяемая по количеству осадков и по объему поверхностного стока, не участвует в перераспределении водного баланса во времени и не зависит от значений его элемента.

Трудно переоценить теоретическое и практическое значение этого факта. Он свидетельствует о том, что соотношением W = РS можно пользоваться для любого не очень короткого периода времени, например для теплой части года или для года в целом. В одной из наших прежних работ (Львович, 1960) валовое увлажнение почвы для отдельных засушливых и влажных лет, как мы теперь видим из проведенного нами анализа, определялось вполне обоснованно по указанному уравнению. Но трактовка полученных величин годовой инфильтрации была дана не точно, так как она исходила из предположения, что валовое увлажнение почвы (инфильтрация) за год включает и «колебание запасов воды в бассейне, вызванное способностью подземной части бассейна аккумулировать воду и отдавать ее в реку в последующее время» (стр. 82). Этот процесс, как мы видим, не отражается на значениях валового увлажнения почвенного покрова. Другое дело, если сопоставляется инфильтрация с испарением и питанием подземных вод ( W = U + Е). Эти процессы происходят неодновременно. Вода, аккумулированная в почве, расходуется на испарение и на транспирацию в течение последующего, иногда продолжительного времени. Известно, например, что от весенней влагозарядки почвы очень сильно зависит рост и развитие растений в течение значительной части вегетационного периода. Вода, аккумулированная в почве осенью, часто сохраняется в течение всей зимы и расходуется на испарение в следующем году. Точно так же процесс питания подземных вод продолжается в течение длительного времени после почвенной влагозарядки. Отсюда следует, что, сопоставляя валовое увлажнение почвы с испарением и глубоким просачиванием воды, необходимо считаться с неодновременностью этих процессов и учитывать регулирующую роль почвенной влаги.

Интересно, однако, что эта роль связана с питанием рек только через подземные воды, а влияние разновременности процессов инфильтрации и испарения на питании рек непосредственно не сказывается. Это обусловлено тем, что вода, профильтровавшаяся в почву, исключая ту ее часть, которая израсходована на питание подземных вод, уже не участвует в питании рек.

Сказанное дает основание рассматривать два различных фактора, участвующих в регулировании водного баланса в речном бассейне. Тогда V = W + U , где W — регулирующая способность почвенной влаги, a U — регулирующая способность подземных вод.

Первый из этих элементов, как было показано, непосредственно не влияет на питание рек, а второму принадлежит та или иная роль в формировании подземной части речного стока.

Регулирующее воздействие подземных вод на питание рек выражается в следующем: движение подземных вод происходит медленно; в периоды с большим количеством осадков, при относительно малом испарении, они питаются обильно, а их разгрузка происходит с опозданием той или иной продолжительности. Поэтому в соотношениях между осадками, питанием рек подземными водами и испарением необходимо принимать во внимание элемент U .

Большой практический интерес представляет оценка величин этого элемента. Их можно приближенно оценить на основании определений за отдельные годы подземной составляющей речного стока. Так, например, в центральных черноземных областях питание рек подземными водами в среднем за год составляет 38 мм. В маловодные годы (95-процентной обеспеченности) эта величина уменьшается до 24 мм, а в многоводные — до 50 мм. Полная амплитуда колебания годовых величин подземной составляющей речного стока в центральных черноземных областях равна 26 мм, а значение U — ±13 мм. Для Орловской и Курской областей эта величина -колеблется примерно в пределах ±10 — ±12 мм, для Тамбовской, Воронежской и Липецкой — в пределах ± 15 — ± 18 мм.

Таков порядок величин, характеризующих регулирующую роль речных бассейнов в условиях лесостепной зоны. В более увлажненных районах значение элемента ± U должно быть больше, в засушливых — меньше. В общем, однако, регулирующая роль подземных вод в формировании ©одного баланса за год не так велика, как это предполагалось раньше. Применяемый метод позволяет приблизительно оценить эту величину для каждого отдельного случая но гидрометрическим данным.

Водный баланс всей суши земного шара и суши СССР охарактеризован в табл. 2.

Зная объем отдельных частей гидросферы и водный баланс, мы можем оценить активность их водообмена (табл. 3).

Данные табл. 3 характеризуют общую активность водообмена указанной части гидросферы. Наименее активен водообмен океана и подземных вод, но отдельные части мирового океана и подземных вод отличаются более активным водообменом. Почвенная влага сменяется немного чаще одного раза в год, а речные воды в среднем сменяются каждые 12 суток.

Речной сток относительно единовременных запасов речных вод весьма значителен. Это и определяет высокую активность речного звена круговорота воды.

Данные о водном балансе характеризуют водные ресурсы. Их значение неравноценно для хозяйства. Атмосферные осадки, как правило, не представляют самостоятельного источника водных ресурсов. Осадки служат началом всех гидрологических процессов — инфильтрации, поверхностного стока и т. п. Лишь в отдельных случаях дождевые воды собираются и используются для водоснабжения. Наиболее ценный источник водных ресурсов— подземный сток. Он обычно весьма устойчив и поэтому его использование не требует предварительного регулирования. Ресурсы подземной составляющей речного стока примерно соответствуют возобновимым запасам подземных вод. Однако эксплуатационные запасы этого источника водных ресурсов меньше общего объема возобновимых запасов. Использование ресурсов речного поверхностного (паводочного) стока в естественном состоянии весьма ограничено (сплав и судоходство на малых реках во время паводков, послеспадовые посевы в зоне речных разливов и др.). Чаще всего паводочные воды своими разливами приносят больше вреда, чем пользы, и их комплексное, интенсивное использование возможно лишь после регулирования. Таким образом, паводочные воды по существу представляют потенциальные речные водные ресурсы. Устойчивый же сток рек, который может быть использован без предварительного регулирования, относится к реальным речным водным ресурсам.

Современное гидротехническое строительство позволяет осуществлять в больших масштабах перевод потенциальных речных водных ресурсов в категорию реальных. Примером может служить каскад волжско-камских водохранилищ, аккумулирующих почти половину волжского паводочного стока и почти вдвое увеличивающих устойчивый сток Волги.

Поводочный речной сток представляет потенциальные ресурсы не только в отношении перевода его в устойчивый речной сток, но также и для увеличения почвенной влаги. Такое направление использования паводочного стока связано с преобразованием водного баланса территории, с регулированием стока в начальной стадии его развития — в процессе стекания воды по склонам. Увеличение инфильтрационной способности почвенного покрова, осуществляемое различными агротехническими приемами, позволяет перевести поверхностный сток в почву и этим уменьшить паводочный сток. Таким путем потенциальные водные ресурсы — паводочный сток — трансформируются в две более высокие категории водных ресурсов: в устойчивый речной сток и в ресурсы почвенной влаги. С возрастанием количества почвенной влаги связано увеличение питания подземных вод, их возобновимых запасов. Это представляет собой третье направление использования поверхностного стока.

Таковы общие задачи преобразования водного баланса.

Регулирование паводочного речного стока водохранилищами — эффективное средство преобразования водного режима рек. Но для того, чтобы зарегулировать весь поверхностный сток рек СССР потребовалось бы затопление водами водохранилищ 1—1,5 млн. км 2 земель. Регулирование паводочного стока рек земного шара с помощью водохранилищ связано с затоплением не менее 10 млн. км 2 территории. Само собой разумеется, что преумножение водных ресурсов за счет уменьшения земельных ресурсов нельзя считать перспективным. Земли представляют собой не менее важный источник природных ресурсов, чем воды, поэтому затопление территории водами водохранилищ может быть в полной мере оправдано лишь при том условии, что, кроме энергетического водорегулирующего эффекта, который с помощью их достигается, единица площади акватории используется более продуктивно для производства растительной массы, продуктов животноводства и рыбы, чем единица площади сельскохозяйственных угодий. В будущем народнохозяйственная ценность земельных ресурсов будет расти и вместе с ней будет возрастать значение методов почвенного регулирования водного баланса. Уже сейчас с помощью агротехнических и лесомелиоративных приемов водный баланс территории и водный режим рек существенно преобразуются. Широкие перспективы в этом отношении открывают приемы химического воздействия на почвенный покров с целью повышения его инфильтрационной способности. Такой путь регулирования паводочного стока с использованием поверхностного стока для обогащения ресурсов почвенной влаги и с ее утилизацией для производства растительной массы, весьма перспективен и, несомненно, займет, наряду с водохранилищами, одно из ведущих мест в регулировании речного стока.

Будущий водный баланс интенсивно используемых территорий, особенно зоны недостаточного увлажнения с напряженным водохозяйственным балансом, вырисовывается в следующем виде. Почвенное звено круговорота воды приобретает больший вес, чем в настоящее время. Это значит, что под влиянием увеличения инфильтрационной способности почвенного покрова поверхностный сток, а вместе с ним и паводки на реках уменьшатся. Соответственно возрастут ресурсы почвенной влаги и несколько повысится питание рек подземными водами, а следовательно, увеличится и меженный речной сток. Значительная часть речного паводочного стока, сформированного за счет поверхностного стока, будет аккумулирована в водохранилищах, число которых возрастет. В результате речной сток станет значительно более устойчивым и амплитуды его сезонных колебаний уменьшатся. Весьма вероятно, что на многих реках степной и лесостепной зон весеннее половодье станет редким явлением и будет наблюдаться лишь в многоводные годы. Такой характер был, по-видимому, присущ водному режиму рек девственной стели и лесостепи, когда под земледелие использовались небольшие территории. Современный водный режим рек с частыми большими весенними паводками и относительно маловодной меженью сложился под влиянием антропогенных воздействий (распашка больших территорий при низком уровне земледелия и интенсивный выпас скота). Последствия недостаточно рационального использования земли постепенно устраняются применением более совершенных методов земледелия, с помощью водохранилищ.

Структура будущего водного баланса будет выгодно отличаться от структуры современного и соотношением между продуктивным и непродуктивным испарением. Если в настоящее время на образование растительной массы расходуется примерно лишь половина ресурсов почвенной влаги сельскохозяйственных полей, то в дальнейшем этот процент будет повышаться. Уже сейчас с помощью полезащитного лесоразведения количество почвенной влаги, используемой культурными растениями, можно повысить на 10—20%. Будут, несомненно, найдены и другие еще более эффективные меры роста продуктивности использования почвенной влаги.

Таковы резервы для предотвращения количественного истощения водных ресурсов.

Не меньшее значение имеет предупреждение качественного истощения водных ресурсов, связанного со сбросом сточных вод в реки, озера и водохранилища и являющегося едва ли не более угрожающим, чем их количественное истощение. Канализационные воды, сбрасываемые в реки, даже после тщательной очистки становятся пригодными для повторного использования только после 6—10-кратного разбавления их чистой водой. Уже теперь в некоторых городах и промышленных центрах ощущается острый недостаток естественных речных водных ресурсов для соблюдения этих условий. По существу 1 м 3 сточных вод загрязняет и делает непригодными для использования несколько кубометров естественных вод. Еще более напряженной картина станет в будущем с ростом населения и дальнейшего развития промышленности.

Единственный путь предотвращения качественного истощения водных ресурсов — это прекращение сброса каких-либо сточных вод в реки, водоемы и водохранилища. Практическое решение этой проблемы вполне реально. Городские сточные воды наиболее совершенно обезвреживаются с помощью почвенного покроова при использовании их для орошения полей. Что же касается прекращения сброса в реки и озера промышленных сточных вод, непригодных для орошения, то этот вопрос следует решать в сочетании с переводом промышленных предприятий на оборотное водоснабжение. Такая перестройка системы водоснабжения потребует применения особой технологии. Эта проблема не проста и решать ее следует постепенно. Охрана водных ресурсов от качественного истощения — еще один резерв для преумножения речных вод, пригодных для водоснабжения.

Перед человечеством не стоит угроза истощения водных ресурсов суши. Практически водные ресурсы неисчерпаемы, но для того, чтобы они в полной мере удовлетворяли все потребности и в отдаленном будущем, необходимо проведение в жизнь плановых мероприятий, основные принципы которых освещены в настоящей статье.

Развитие и преобразование географической среды. М.: Наука, 1964

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector