Составные части уравнения водного баланса ледника

ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС

ВО́ДНЫЙ БАЛА́НС, со­от­но­ше­ние ме­ж­ду при­хо­дом, рас­хо­дом и из­ме­не­ни­ем за­па­сов во­ды в пре­де­лах всей Зем­ли, ат­мо­сфе­ры, Ми­ро­во­го ок., кон­ти­нен­тов, час­ти су­ши или вод­но­го объ­ек­та за оп­ре­де­лён­ный ин­тер­вал вре­ме­ни. В. б. – это от­ра­же­ние за­ко­на со­хра­не­ния ве­ще­ст­ва, ко­ли­че­ст­вен­ное вы­ра­же­ние кру­го­во­ро­та во­ды на Зем­ле, ха­рак­те­ри­зуе­мое урав­не­ни­ем В. б. Стро­го го­во­ря, еди­ни­ца­ми из­ме­ре­ния со­став­ляю­щих урав­не­ния В. б. долж­ны быть еди­ни­цы мас­сы, од­на­ко обыч­но это урав­не­ние за­пи­сы­ва­ют в еди­ни­цах объ­ё­ма (км 3 ) или слоя во­ды (мм). До­пус­ти­мость за­ме­ны еди­ниц мас­сы еди­ни­ца­ми объ­ё­ма объ­яс­ня­ет­ся не­зна­чит. из­ме­не­ния­ми плот­но­сти во­ды при из­ме­не­нии её тем­пе­ра­ту­ры.

Уравнения водного баланса

Для водного объекта или замкнутого контура суши и для любого интервала времени уравнение сохранения вещества можно записать в виде уравнения водного баланса: 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.

Пользуясь методом водного баланса, возможно 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.

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, поэтому рассмотрим уравнение водного баланса более подробно.

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 (их учитывают как в жидком, так и твердом состоянии);

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 (приток или отток поверхностных и подземных вод может осуществляться как естественным, так и искусственным путем, например, при подаче воды из-за пределов объекта, заборе поверхностных вод, откачке или закачке подземных вод);

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 величину и₁, характеризующий убыль запасов влаги за рассматриваемый период, а в правую (расходную) часть — член и₂, 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 (2):

(2)

_∆и – изменение объема воды в пределах объекта (эту величину определяют соотношением приходной и расходной частей уравнения водного баланса: если приход больше расхода, то происходит накопление воды, т.е. повышение уровня в пределах объекта и _∆и>0; если же приход меньше расхода, то идет сработка запасов накопленной ранее воды, т.е. понижение уровня в пределах объекта и _∆и 3 воды. Объем влаги, испарившейся с периферийной части суши составляет около 62 тыс. км 3 в год, а замкнутой части округленно 7 тыс. км 3 в год.

Большая часть атмосферных осадков, выпадающих на поверхность Мирового океана, равна приблизительно 412 тыс.км 3 в год. На поверхность суши выпадает 106 тыс.км 3 в год для ее периферийной части и округленно 7 тыс.км 3 – для замкнутой. И, наконец, сток речных вод в Мировой океан, включая сток подземных вод непосредственно в Мировой океан, а также воды и льда с полярных ледников, составляет 44 тыс.км 3 воды в год.

Таким образом, если подсчитать, то для земного шара в целом приходная часть водного баланса Земли (осадки) и его расходная часть (испарение) тождественно равны.

Закон сохранения энергии:

Закон сохранения тепловой энергии характеризует неизменность энергии в замкнутой (изолированной) системе с учетом возможного перехода одного вида энергии в другой. Применительно к открытым природным системам (какими являются водные объекты) закон сохранения тепловой энергии определяет условия баланса прихода и расхода теплоты и изменение теплосодержания объекта. Количественным выражением закона сохранения тепловой энергии применительно к любому объему воды (водному объекту) или любому замкнутому контуру суши служит уравнение теплового баланса, которое за некоторый интервал времени можно записать в виде:

, (8)

где — теплота, поступающая к данному объекту извне и выделяющаяся в пределах объекта при переходе части механической энергии в тепловую, а также при ледообразовании, конденсации водяного пара, разложении некоторых веществ; — теплота, удаляемая за пределы объекта, затрачиваемая в пределах объекта на испарение воды, плавление льда, химические и биохимические процессы; — изменение за время _∆t содержания теплоты в объекте, равное , где т – масса объекта, с_р – его удельная теплоемкость при постоянном давлении, _∆Т – изменение температуры Т_кон-Т_нач.

Единицами измерения членов уравнения служат единицы теплоты (Дж).

Закон сохранения механической энергии означает, что полная энергия какой-либо механической системы складывается из потенциальной и кинетической энергии и остается всегда постоянной с учетом потерь энергии на трение:

, (9)

где Е_дис – диссипация энергии (переход части механической энергии в тепловую в результате трения).

Закон сохранения механической энергии применительно к водным объектам определяет характер перехода потенциальной энергии (энергии покоящейся воды) в кинетическую энергию движущегося потока. Единицами измерения членов уравнения служат единицы теплоты (Дж).

Закон сохранения количества движения (импульса) гласит, что в пределах замкнутой механической системы количество движения остается неизменным: , где т – масса системы, — ее ускорение.

Но применительно к открытым системам, к которым относятся и все водные объекты, закон сохранения количества движения (импульса) трансформируется в закон изменения количества движения (импульса), который означает, что изменение количества движения (импульса) открытой системы равно сумме всех внешних сил, действующих на эту систему.

Закон изменения количества движения лежит в основе изучения динамики во всех водных объектах. Количественным выражением закона изменения количества движения (импульса) является уравнение движения, которое применительно к любому объему воды можно записать в виде , где т – масса выделенного объема, — изменение средней скорости движения этого объема; — сумма действующих на этот объем внешних объемных (массовых) и поверхностных сил.

Объемные (массовые) силы действуют на весь объем воды, а поверхностные – лишь на его грани. Единицами измерения членов уравнения служат единицы силы (Н или кг м/с 2 ).

Все процессы, протекающие в водных объектах и состоящие в изменении массы или объема воды, ее минерализации, химического состава, температуры, характеристик ледового режима, параметров движения водного потока и т.д., представляют собой реакцию водных объектов на изменение составляющих баланса вещества, тепловой и механической энергии и действующих сил под влиянием внешних и внутренних факторов.

Дата добавления: 2015-02-16 ; просмотров: 334 | Нарушение авторских прав

Поверхностная часть гидросферы. Водный баланс суши.

Поверхностная часть гидросферы представлена водными массами Мирового океана и поверхностными водами суши (реки, озера, болота, ледники и снежники). Основные процессы движения водных масс поверхностной части гидросферы и ее взаимодействие с водами атмосферы – это так называемые малый и большой круговороты воды в природе. Составными частями таких круговоротов являются выпадение атмосферных осадков, конденсация, испарение воды и поверхностный сток. Соотношение этих составляющих может быть наиболее наглядно представлено так называемым уравнением водного баланса, являющимся математическим выражением, описывающим соотношение прихода и расхода воды с учетом изменения ее запасов за определенный интервал времени для участка территории, водного объекта, элемента подземной части гидросферы и др. Для участка поверхности земли (суша), ограниченного произвольным контуром, уравнение водного баланса может быть представлено в следующем виде:

где X– атмосферные осадки, K– конденсация, ∆Y – разность притока и оттока поверхностных вод, Z₁ – испарение с водной поверхности, Z₂ – суммарное испарение с поверхности суши, ∆W – разность между просачиванием поверхностных вод через поверхность земли и притоком ПВ на поверхность (подземный приток и отток), ∆U – изменение запасов воды на площади балансового участка (все составляющие выражены в слое воды в мм или в м 3 за определенный период времени).

Атмосферные осадки – жидкие или твердые продукты конденсации водяных паров в атмосфере, выпадающие на поверхность земли (воды) в виде дождя, снега, града, а также осаждающиеся непосредственно из воздуха на поверхность земли в виде росы, инея и измороси. Количество осадков может быть выражено объемом воды (см 3 , л, м 3 и др.) или слоем (мм, см, м).

Испарение – процесс перехода молекул H₂O при достижении скорости, достаточной для преодоления сил молекулярного притяжения с поверхности жидкости или твердого тела в атмосферу. Величиной испарения является разность между числом молекул H₂O, перешедших с поверхности воды или твердого тела в окружающее пространство, и числом молекул, снова поглощенных этой поверхностью. Если число молекул, поглощенных поверхностью, превышает число молекул, оторвавшихся от нее, этот процесс называется конденсацией. При расчетах водного баланса используются 3 основных вида испарения: испарение с водной поверхности, транспирация (отбор влаги корнями растений) и суммарное испарение с поверхности суши, включающее испарение с почвы, транспирацию растительности и испарение воды, попавшей на листья и стебли растений при выпадении атмосферных осадков. Выражается в л, м 3 или в мм, см, м.

Поверхностный сток – это процесс движения воды, происходящий в форме ее стекания по земной поверхности. Основные виды поверхностного стока: склоновый, формирующийся в виде широких, но мелких потоков на поверхности склонов, тальвеговый – в виде сосредоточенных потоков в более или менее разработанном русле (балки, лога) и речной сток, формирующийся в виде сосредоточенного потока поверхностных вод в хорошо разработанном речном русле. Выражается в м 3 , км 3 или в л/с, м 3 /с.

Дата добавления: 2015-04-18 ; просмотров: 13 ; Нарушение авторских прав