Уравнение водного баланса для водохранилища

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (НИ ТГУ)

РЕФЕРАТ
по дисциплине «Введение в специальность»

на тему «Водохранилища»

________ Рыбаков В.В.

Доцент, каф. метеорологии и климатологии

зачтено /не зачтено

1.Что же такое водохранилище. 3

1.2Основные характеристики водохранилища……………………….3

1.4Термический и ледовый режим водохранилища…………………4

1.5 Гидрохимический и гидробиологический режим водохранилища………………………………………………………. 4

1.6Заиление водохранилища и переформирование его берегов…….5

1.7Водные массы водохранилища…………………………………….6

1.8Влияние водохранилища на речной сток и окружающую природную среду……………………………………………………….6

2.Анализ практических наблюдений за регулированием стока и природными процессами………………………………………………6

Цель моей работы является определить роль водохранилища в природе. В целом, я знаком с понятием водохранилища, так как сам родом я из Республики Казахстан, из небольшого городка на берегу Капчагайского водохранилища, занимался парусным спортом в акватории водохранилища более четырех лет.

1. Что же такое водохранилище?

Водохранилище – это искусственный водоем, созданный для накопления и последующего использования воды и регулирования стока. Сооружение водохранилищ – пример техногенного вмешательства в природу в условиях неравномерного, естественного распределения водных ресурсов в пространстве и особенно во времени. Водохранилища решают целый ряд важнейших социально-экономических задач, удовлетворяя потребности человека в воде или защищая его от водной стихии. Гидрологический режим водохранилищ управляется человеком, который выбирает заранее нужные параметры водоема и технические приемы его эксплуатации. Многие черты гидрологического режима водохранилищ определяются хозяйственными потребностями и регулируются. Вместе с тем искусственно созданные водоемы начинают участвовать в круговороте воды в речных системах, оказываются под влиянием комплекса природных факторов и подчиняются закономерностям, свойственным естественным водным объектам – рекам и особенно озерам. Водохранилища своеобразные водные объекты, новый природно-техногенный компонент ландшафта. Они преобразуют режим рек, влияют на окружающую среду. Потребности практики заставляют изучать режим водохранилищ, разрабатывать стратегию рационального управления ими, принимать меры на предотвращение негативных факторов сооружений этих водоемов. Поэтому вполне правомочно говорить о разделе новом, т.е. о возникновении нового раздела в гидрологии – гидрология водохранилищ. Водохранилища могут быть подразделены на типы по характеру ложа, способу его затопления водой, географическому положению, месту в речном бассейне, характера регулирования стока.

1.1 Типы водохранилищ.

Рассмотрим тип водохранилища на примере водохранилища на реке Степной Зай в городе Альметьевск Республики Татарстан Российской Федерации. По морфологии ложа данное водохранилище относится к долинным, русловым. Водохранилище находится в пределах русла и низкой поймы реки Степной Зай. По способу затопления водой водохранилище в городе Альметьевск является запрудным, так же и затопляется водой водотоком реки Степной Зай, на котором оно находится. По географическому положению водохранилище – равнинное, 30м не более высоты напора. По месту в речном бассейне реки Степной Зай, рассматриваемое водохранилище является верховным. По степени регулирования речного стока водохранилище в городе Альметьевск является – сезонное регулирование.

1. 2 Основные характеристики водохранилища.

Из морфометрических характеристик водохранилища наиболее важны площадь его поверхности S и объем V. При нормальном подпорном уровне площадь поверхности водохранилища S=5.62 см, объем V=18265000 м

1.3 Водный баланс.

Водный баланс водохранилища может быть охарактеризован с помощью уравнения водного баланса X+Y+Y+Z+W=Y+Y+Z+W±U. Составляющими пригодной части водного баланса служат атмосферные осадки X, поверхностный приток Y, конденсация водяного пара на поверхность водохранилища Z, подземный приток W. Поверхностный приток может быть, как естественным (речной сток Y), так и антропогенным (сброс отработанных вод, например возврат вод орошения, а так же промышленных, коммунальных и сточных вод, Y). Составляющие расходной части уравнения водного баланса водохранилища – это поверхностный отток из водохранилища,Y подземный отток (фильтрация из водохранилища) W, испарение с поверхности озера Z. Поверхностный отток складывается из стока, вытекающего из водохранилища Y и искусственного водозабора на хозяйственные нужды Y (на орошение, водоснабжение и т.д.). Изменение запасов воды в водохранилище обозначается через . Под структурой водного баланса любого водоема понимают соотношение между различными приходными и расходными составляющими управления водного баланса. Для характеристики структуры проходной и расходной частей водохранилища для многолетнего периода учитывают долю осадков и испарения в обеих частях уравнения. Тогда уравнение водного баланса с неизменным уравнением воды будет выглядеть в объемных единицах следующим образом: Для рассматриваемого водохранилища: Следовательно: В объемных величинах это будет выглядеть: Характерная черта структуры водного баланса водохранилища — преобладания притока речных вод приходной и преобладания стока вод в расходной части уравнения водного баланса. На долю осадков приходится лишь 2-3% прихода вод, на долю испарения – не более 10% расхода вод. В период половодья и паводков на реке уровень воды, в рассматриваемом водохранилище, поднимается на незначительную величину вследствие регулирования стока, и может быть оценки с помощью полного уравнения водного баланса. Течение воды в рассматриваемом водохранилище отличается сложной и пространственной структурой, и нестационарным характером. Наиболее сильным течением наблюдается в затопленном речном русле реки Степной Зай. В заливах преобладают застойчивые воды. Наблюдаются ветровые и плотностные течения.

1.4 Термический и ледовый режим водохранилища.

Термический режим водохранилищ отличается от термического режима рек, неоднородностью распределения температуры воды по длине, ширине, глубине. На водохранилище в городе Альметьевск ледостав начинается в начале ноября, когда на реке Степной Зай ледостав еще не наблюдается. Толщина льда достигает 60см. Таяние льда происходит с начала апреля до середины апреля.

1.5 Гидрохимический и гидробиологический режим водохранилища.

Особенности гидрохимического и гидробиологического режимов водохранилищ определяется в основном тремя обстоятельствами:

1) интенсивностью водообмена,

2) характером грунтов и растительности, затопления и подтопления,

3) режимом накопления и сработки вод, величиной и интенсивностью колебаний уровня воды.

Гидрохимический гидробиологический режим водохранилища на реке Степной Зай в городе Альметьевске отличается от речного. В результате сооружения водохранилища происходит трансформация речного гидрохимического и гидробиологического режима в режим, характерный для озер. Отмечает минерализация воды и уменьшения содержания растворенного кислорода с глубиной. В природных слоях наблюдается скопление вод технического качества. В теплое время года возможно цветение воды в застойных зонах водохранилища. Медленно происходит формирование ихтиофауны. Различного вида растительность в глубине водохранилища отсутствует или выражена очень слабо

1.6 Заиление водохранилища и переформирование его берегов.

Водохранилища являются аккумуляторами наносов. Баланс взвешенных наносов в водохранилище складываются из следующих основных составляющих: природная часть – наступления наносов с речным стоком R, в следствие разрушения берегов R, эолового притока R, отмирания живых организмов R, кислородная часть – унос со стоком R, аккумуляция на дне R, изменение содержания взвесей в воде равно . Все упомянутые величины должны быть выражены в единицах массы и отнесены к определенному интервалу времени . Таким образом уравнение баланса наносов в водохранилище выглядит следующим образом: . У рассматриваемого водохранилища основной вклад в баланс наносов дают R и R в приходной части и R и R в расходной части. Аккумуляция наносов и формирование данных отложений, которые по происхождению слагающих их частиц подразделяются на терригенные (в основном минеральные частицы, не6 ступающие с водосбора и берегов озера), биогенные и хемогенные ( являющиеся в основном результатом гидробиологического и гидрохимического процессов в водной толще водохранилища). По составу данные отложения подразделяют на минеральные (песок, минеральный ил, соли), сапропели (биогенные илы) и торфянистые. Мощность сапропеля в рассматриваемом водохранилище невелика, наблюдается лишь в застойных зонах заливов и составляет не более 0,5-1м. Самосадочные соли образуются за счет стоков из родников и вымывания нерастворимых солей из грунта. Торфянистые отложения не наблюдаются совсем. Наибольшие отложения наблюдаются в тех зонах, где течения воды незначительные, т.е. в застойных зонах. Значительную часть данных отложений составляют биогенные частицы, попадающие в водохранилище с дождевыми и паводковыми водами. Наблюдения показывают, что доля транзитного выноса осадков и наносов составляет примерно 65%, аккумулируется примерно 35% транзитных наносов. Отложение в водохранилище мелких (взвешенных) наносов называют заилением, крупных – занесением. В результате заиления формируется толща донных отложений водохранилища. Процесс заиления характеризуется коэффициентом . При равномерном отложении наносов в период заиления мертвого объема водохранилища можно определить по формуле:

=Vмо/WR(1-σ) Где Vмо – мертвый объем водохранилища

(), σ – доля стоков наносов, проходящие через водохранилище транзитом (σ = 0,3-0,4).

WR – средний годовой сток наносов реки.

Sотл – плотность донных отложений равная 700-900кг/м для илистых отложений,

1200-1300кг/м, для песчаного ила,

1800-2200кг/м, для песков и гравия с галькой.

Интенсивность отложений наносов в рассматриваемом водохранилище составляет 1,9-6,0см/год.

Мертвый объем водохранилища Vмо = 18265000м.

Средний годовой сток наносов реки WR = 913000м, σ =0,68

В результате разрушения берегов наиболее крупные фракции продуктов волнового разрушения берегов водохранилища идут в основном на формирование аккумулятивной части отмели, а более мелкие отличаются в его глубоководных местах или выносятся в нижний бьеф.

1.7 Водные массы водохранилища.

Водные массы водохранилища, в городе Альметьевске, состоят из первичной (речной) и основной (водная масса самого водохранилища). На долю речной водной массы приходится примерно 55% от общей водной массы водохранилища. В приплотинном районе сформировалась специфическая придонная масса воды, как модификация основной водной массы.

1.8 Влияние водохранилища на речной сток и окружающую природную среду.

Водохранилище замедляет водообмен в гидрографической сети речного бассейна реки Степной Зай. Сооружения водохранилища привело к уменьшению, как стока воды, в следствие дополнительных потерь на испарение с поверхности водоема, так и стоков наносов, биогенных и органических веществ в следствие их потопления в водоеме. Уменьшение водообмена привело к уменьшению скорости течения в речных системах, и к уменьшению способности рек к самоочищению. После сооружения водохранилища изменяется почвенно-растительный покров на затопленных и подтопленных землях. Кроме того, в результате сооружения водохранилища часто нарушаются условия прохода на нерест многих пород рыб, нередко ухудшается качество воды вследствие возникновения в некоторые периоды года и дефицита кислорода в придонных слоях, накопление солей и биогенных веществ.

1. Анализ практических наблюдений за регулированием стока и природными процессами.

Практические наблюдения за режимом развития водохранилища показали, что динамическое равновесие между жидкой и твердой средой, свойственно реке Степной Зай в ее среднем течении при затоплении водохранилища нарушается. Надо заметить, что выражение «затопление водохранилищ» не совсем точно. Ложе водохранилища не было подготовлено заранее. Ложе и берега сформировались лишь после затопления. Положение береговой линии водохранилища определяется высотой подпора. Достигнув участка реки, где уровень воды равен уровню подпора, подтопление выилинивается. По длине реки Степной Зай подтопление достигает 2,5км. Выше линии подтопления река сохраняет практически туже скорость течения и те же глубины, что и до затопления водохранилища. Максимальная глубина водохранилища характерно для нижней приплотинной части и достигает8,5м. В зоне выиливания подпора главного русла реки и всех ее притоков глубины наименьшие и составляют 2,5-1,5м. Общая закономерность распределения глубин в продольном профиле водохранилища нарушается частными изменениями, зависящими от наличия впадин на затопленной поверхности. Максимальная глубина впадины, которая наблюдалась при практическом обследовании русла, составила 12м. Конфигурация берегов и ширина искусственной части водоема также зависят от рельефа затопленной площади. Узкие, так называемые участки чередуются с озеровидными. Глубокими, узкими заливами вдаются воды водохранилища не притоком главной реки. Вследствие этого, береговая линия отличается чрезвычайной извилистостью. Характерно наличие мелководной до 2м площади, глубины и очертания которой изменчивы. В течение года наблюдается изменение глубин, что резко сказывается на очертании береговой линии. Новый гидрологический режим заключается, прежде всего, в резком уменьшении скорости течения реки. В определенных участках водохранилища создаются застойные условия, пойма отсутствует. Твердая часть весеннего стока превращается в донный ил. Заиление дна водохранилища наиболее интенсивно происходит в низших зонах и в заливах на месте устьев притоков. Взвешенные в речной воде частицы грунта, попадают в зону подтопления со стоячей водой, быстро осаждаются на дно. Накопление илодородных слоев усиливается оседанием сине-зеленых водорослей. Наконец произошло изменения качества воды. На отдельных участках водохранилища наблюдаются застойные условия, наблюдаются так же процессы насыщения воды органическими и минеральными осадками, отчего ухудшается ее качество. При развитии водорослей вода приобретает неприятный вкус и запах. Увеличить мощность воды водохранилища несравненно с речной водой. Водохранилище является небольшим по объему и мало влияет на природу окружающей среды и территории. По берегам разрастается ивляк, мелководы зарастают водными растениями. Воздух в непосредственно к водной поверхности в летнее время насыщенно влагой. Наблюдения показали, что длительная поддержка высокого уровня воды приводит к разному усилению обрушения берегов. Следует предположить, что разрушение берегов будет продолжаться в течение всего периода существования водохранилища. Возможны периодические вспышки обрушения берегов в периоды высокого стояния уровня и они могут достичь катастрофических величин. Скорость заиления нижних зон водохранилища значительно выше, чем это предполагалось при проектировании. Вода зацветает от микро организмов, приобретая зеленый цвет, мелководья зарастают водорослями. К концу лета в отдельных местах возникают низкие острова с грубой осокой непригодной для корма. При анализе режима стоков и методов эксплуатации водохранилища можно сделать вывод, что избегать нежелательных изменений природной среды данного водохранилища было невозможно из-за ошибок при проектировании. Наблюдение за уровнем воды в водохранилище непосредственно у плотины и ниже плотины по течению реки, проводились нивелированием от высотного рейера, заложенного при строительстве плотины. Уровень воды в самом водохранилище в течение всего времени не менялся вследствие регулирования (стока) сброса и оставался в среднем на отметке 98,5 в балтийской системе высот.
Заключение.

Таким образом водохранилища оказывают довольно сложное и неоднозначное воздействие и на природные условия сопредельных территорий. Давая несомненно положительный экономический эффект, они нередко вызывают и весьма негативные экологические последствия. Все это требует , чтобы при проектировании водохранилищ более внимательно учитывался весь комплекс гидрологических, физико-географических, социально-экономических и экологических аспектов. Возникает необходимость в экологическом прогнозе, который невозможен при помощи гидрологии.

1. . Овчинников В.П. «Образионно-аккумулятивные процессы в береговой зоне

2. Шардаков А.С. «Водный баланс речных бассейнов»

3. Михайлов В.М., Добровольский А.Д. «Общая гидрология», М., 1991г.

4. Шаниковский А.В. «Водные и водохозяйственные ресурсы». 2003г.

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 u_подз 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:
S_ср — поглощаемая водой (снежным, ледяным покровом) суммарная (прямая и рассеянная) коротковолновая солнечная радиация;
S_иа — поглощаемое водой (снежным, ледяным покровом) встречное длинноволновое излучение атмосферы;
S_ив — потери тепла водой (снежным, ледяным покровом) путем длинноволнового излучения;
S_тa — турбулентный обмен тепла с атмосферой путем конвекции, молекулярной и турбулентной теплопроводности (за счет разности температуры воды и воздуха);
S_ик — тепло, затрачиваемое на испарение или выделяемое при конденсации;
S_тд — теплообмен с дном;
S_пр — 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;
S_oc — тепло, поступающее от дождевых осадков или затрачиваемое на таяние снега, выпадающего в водоем;
S_ик — тепло, теряемое вместе с испарившейся водой или приходящее вместе с конденсирующимся паром воды;
S_л — тепло, выделяемое при образовании льда или затрачиваемое при его таянии на месте (в пределах данного водоема или в пределах рассматриваемого участка);
S_лп — тепло, затрачиваемое на таяние льда, внесенного на рассматриваемый участок реки или водоем притоками;
S_кэ — 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 S_cp, S_иа, S_пр и S_кэ всегда положительны; S_ив, S_ст и S_лп 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 S_л, S_лп. Применительно к условиям бессточных озер отпадает тепловой поток S_ст.

Часто можно пренебречь теплом, приносимым притоками (S_пр), дождевыми осадками (S_oc) и затрачиваемым на таяние льда (S_лп), приносимого притоками. На глубоких озерах (глубиной более 20 м) можно пренебречь и членом S_тд, 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 S_тд уже нельзя.

Для периода, когда на водоеме отсутствуют ледовые образования, основную роль в тепловом балансе играет суммарная солнечная радиация S_cp, излучение атмосферы S_иа, излучение воды S_ив, расход тепла на испарение S_ис и турбулентный теплообмен с атмосферой S_та, характеризующие теплообмен водной массы с атмосферой.

При наличии снежно-ледяного покрова и установившегося в его толще теплового режима тепловые потоки, характеризующие теплообмен с атмосферой (S_cp, S_иа, S_ис, S_та), 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 S_тд (теплообмен с дном) и S_л (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 Q_c 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 Q_c 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 q_э — 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, q_э и q_д иногда пренебрегают за их малостью. Слагаемое q_л также выпадает, так как льда на реке нет и таяние его или образование не происходит. В некоторых случаях можно пренебречь и слагаемым m_r, 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.

Водный баланс водоемов

Водный баланс — это совокупное воздействие всех факторов, влияющих на запас воды в водоеме. Своего рода результирующая баланса — уровень воды в водоеме, характеризующий водные ресурсы водоема. Уровень же водоемов меняется практически постоянно. На основе водного баланса изучаются водооб­мен, физические и химические процессы, происходящие в водоемах, оце­нивается уровень антропогенной нагрузки.

Водный баланс состоит из приходных, расходных и аккумуляционных составляющих. Эти составляющие не остаются постоянными во времени и пространстве, а их величины определяются особенностями климата и строения озерных систем. Непостоянство составляющих приводит к из­менчивости уровня, а следовательно, меняются размеры озера, его глуби­ны, водные ресурсы и т.п. Все это приводит к изменению целого ряда эле­ментов, формирующих озерную экосистему (минерализация, прозрач­ность воды и т.п.). Поэтому изучение водного баланса, его структурных особенностей, совершенствование способов расчета составляющих явля­ются очень важными задачами.

К основным приходным составляющим относятся поверхностный и подземный приток воды, осадки, выпадающие на зеркало водоема, и кон­денсация водных паров. Расходные составляющие — поверхностный и подземный сток, испарение с поверхности. Алгебраическая сумма приходных и расходных составляющих представляет изменение объема воды в водоеме.

В отличие от озер, водный баланс которых обусловлен в первую оче­редь природными факторами, баланс водохранилищ определяется преи­мущественно характером регулирования стока, а в уравнении баланса по­являются составляющие, которые не играют заметной роли в балансе озер (приток и сток через гидротехнические сооружения, забор воды для шлюзо­вания судов, хозяйственных нужд и т.п.). Водный баланс можно пред­ставить в виде уравнения, причем для водоемов разного типа структура баланса будет различной. Уравнение водного баланса (в объемных едини­цах, м 3 ) имеет вид:

V_пр – приток воды по рекам и подземным путем, V_ос – осадки, выпадающие на зеркало, V_исп – испарение с поверхности водоемов, V_ст – сток воды по вытекающей из озера реке и подземным путем (для во­дохранилищ – сток через гидротехническое сооружение и фильтрация через плотину), V_ак – изменение объема воды, σ – невязка баланса, зависящая от степени точности расчета составляющих и не­учета других источников прихода и расхода. Для бессточных водоемов V_ст = 0. Уравнение составлено за многолетний период Т. При определенной длине этого периода, когда достигается равенство приход­ной и расходной частей баланса, V_ак равен нулю. Такой баланс назы­вается равновесным, а уровень воды, при котором это условие достигает­ся – уровнем равновесия.

Удельный вес различных составляющих неодинаков и определяет­ся климатическими условиями системы, морфологическими особенностя­ми водоема, величиной удельного водосбора, уровнем хозяйственной дея­тельности на водоеме и в его бассейне, продолжительностью периода, за который составляется баланс, водностью этого периода.

Соотношение составляющих водного баланса лежит в основе вод­но-балансовой классификации водоемов. По соотношению со­ставляющих расходной части баланса они делятся на стоковые и испаряющие. Распределение групп и типов по территории имеет зональный харак­тер. Стоковые озера характерны для увлажненных зон, испаряю­щие – для засушливых.

Дата добавления: 2014-11-13 ; просмотров: 94 ; Нарушение авторских прав