Уравнение водного баланса речного бассейна единицы измерения

Водный баланс речного бассейна

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 учету подлежат атмосферные осадки, конденсация влаги, горизонтальный перенос и отложение снега, поверхностный и подземный приток, испарение, поверхностный и подземный сток, изменение запаса влаги в почво–грунтах и др.

Приходная часть баланса состоит из осадков, искусственного притока,

подземного притока извне, а расходная часть включает сток реки, искусствен- ный отток (каналы, оросительные системы), подземный сток, испарение и на- копление воды.

В упрощенном виде уравнение водного баланса для речного бассейна имеет следующий вид:

y – поверхностный сток;

Δu – подземный сток.

Если приходная часть превышает расходную (например, зимой при нако- плении снега, в период дождей), то запасы воды в бассейне увеличиваются: Δu > 0. Если расходная часть больше приходной (в период снеготаяния, в ме- жень), то запасы воды в бассейне истощаются: Δu

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 труд-

но измерить, но знание которого бывает необходимо или для решения чисто инженерных задач, или для выяснения общих закономерностей влагооборота к пределах рассматриваемого пространства.

2.4. строение реки Главная река со всеми ее притоками образует речную систему, которая характеризуется густотой речной сети, т. е. совокупностью рек, изливающих воды одним общим руслом или системой протоков в море, озеро или другой водоем. Поверхность суши, с которой речная система собирает свои воды, назы- вается водосбором, т. е. частью земной поверхности, с которой вода поступает в отдельный водоток или водосборной площадью. Водосборная площадь вместе с верхними слоями земной коры, включающая в себя данную речную систему и отделенная от других речных систем водоразделами, называется речным бас- сейном. Реки обычно текут в вытянутых пониженных формах рельефа – долинах (рис. 8), т. е. отрицательных, линейно вытянутых формах рельефа разнообраз- ного профиля с однообразным падением, наиболее пониженная часть которых называется руслом, а часть дна долины, заливаемая высокими речными водами, – поймой. Кроме того долина имеет ряд надпойменных террас (обычно 2-3) (рис. 9).

Рис. 8. Виды поперечных профилей

а б речных долин: а – корытообразный (трог);

б – V – образная щелевая; в – трапециевид-

ная (террасированная); г – U – образная

в г

Рис. 9. Схема расположения и строения волжских террас в районе г. Сызрани (по объяснительной записке к временной стратиграфической схеме четвертичных отложений Прикаспийской низменности, 1951): 1 – аллювиальные пески с галькой;

2 – аллювиальные пески; 3 – суглинистые пойменные фации; 4 – раннехвалынские шоколадные глины; 5 –хазарская, или волжская, фауна млекопитающих; 6 – неоген и более

Речные террасы представляют собой горизонтальные или слабо накло- ненные поверхности на склонах речных долин, ограниченные уступами. Обра- зованы размывающей и аккумулятивной деятельностью реки и сложены обыч- но аллювием. По происхождению они делятся на вложенные и наложенные тер- расы; по слагаемому материалу – на аккумулятивные, цокольные и коренные (рис. 10).

Рис. 10. Речные террасы: 1 – аккумулятивная; 2 – эрозионная;

3 – наложенная; 4 – вложенная

Исток – место, где водоток (напр., река или ручей) берет свое начало.

На географической карте исток обычно представляется условной точкой.

Истоком обычно является начало ручья, получающего воду из родника, конец ледника, озеро, болото. На болотных реках за исток часто принимается точка, с которой появляется открытый поток с постоянным руслом.

Устье – место впадения реки в водохранилище, озеро, море или другую реку. Часть реки, примыкающая к устью, может образовывать дельту или эс- туарий (губа, лиман).

Русло – наиболее пониженная часть долины, выработанная потоком воды, по которой осуществляется перемещение основной части донных наносов и сток воды в междупаводочные периоды. Русла больших рек имеют ширину от

нескольких метров до десятков километров (например, в низовьях Оби, Лены,

Амазонки), при этом возрастание глубины русла по мере увеличения размеров реки происходит медленнее, чем увеличение ширины. По длине русла глубокие места (плесы) чередуются с мелкими (перекатами). Русла равнинных рек обычно извилистые или разделены на рукава, сформированы в илистых, песча- ных или гравелистых отложениях. Как правило, русло в плане имеет сложные очертания; наряду с относительно прямолинейными участками имеются изги- бы, которые называют меандр, т. е. плавный изгиб русла реки. Меандрируя, ре- ки постепенно увеличивают свои излучин, подмывая вогнутый берег и откла- дывая переносимый материал у противоположного выпуклого берега. Посте- пенно днище долины расширяется и формируется пойма. На определенной ста- дии развития река может спрямить свое русло. Отделившийся от реки меандр превращается в старицу – замкнутый водоем – озеро, имеющую продолгова- тую, извилистую или подковообразную форму (рис. 11).

Рис. 11. Схема последо-

вательного смещения реч-

ных меандр по мере их развития:

а – начальная стадия; б – рост и смещение меандра; в – образование старицы

В руслах чередуются более глубокие места – плёсы и мелководные участ- ки – перекаты. Линия наибольших глубин русла образует фарватер, а линия наибольших скоростей течения называется стрежнем.

Пойма – часть речной долины, затопляемая в половодье или во время паводков.

Ширина пойм равнинных рек обычно составляет порядка от ширины рус-

ла до нескольких десятков ширин русла, иногда достигает 40 км.

Плёс – глубоководный участок русла реки, расположенный между мелко- водными участками русла реки (перекатами). Плёс обычно образуется там, где в половодье наблюдается местное увеличение скорости течения реки и интен- сивно размывается ее дно (например, в изогнутых участках русла, в сужениях речной долины). Обычно плёс образуется в русле меандрирующей реки в вер- шине излучины у вогнутого берега. Обычно по течению меандрирующей реки плёсы регулярно чередуются с перекатами.

Перекат – мелководный участок русла реки. Обычно перекат сложен рыхлыми отложениями (аллювием), пересекает русло и имеет вид вала: с поло- гим скатом, обращенным против течения, или с крутым скатом, обращенным по

Перекат образуется в результате неравномерного размыва русла водным потоком и отложения наносов. Перекат часто встречается в местах расширения

русла реки, близ устьев притоков. Над перекатами поток теряет свою энергию.

Разность высот между истоком и устьем реки называется падением реки; отношение падения реки или отдельных ее участков к их длине называется ук- лоном реки (участка) и выражается в процентах (\%) или в промилле (‰).

Дельта – сложенная речными наносами низменность в низовьях реки,

прорезанная разветвленной сетью рукавов и протоков. Дельты, как правило,

представляют собой особую миниэкосистему как на планете в целом, так и в бассейне конкретной реки.

Несмотря на ограниченные размеры (площадь всех дельт мира ненамного превышает 3\% площади суши, а на долю дельтовых берегов приходится около

9\% длины береговой линии Мирового океана), дельты обладают богатыми при- родными ресурсами (водными, земельными, биологическими), что делает их весьма перспективными для сельского и рыбного хозяйства, водного транспор-

та. Благодаря плодородным почвам и обилию влаги дельты рек в условиях теп- лого климата (Хуанхэ, Нила, Амазонки и пр.) стали местом зарождения земле- делия и человеческой цивилизации в целом. Эстуарий – воронкообразное зато-

пляемое устье реки, расширяющееся в сторону моря. Образуется у рек, впа- дающих в моря, где сильно воздействие на устье реки приливов или других движений океанских вод. В северных районах получили название губ (Обская

губа). В пустынных районах образуется так называемое сухое устье.

2.5. морфометрические характеристики реки и русла реки Различают понятия русловой сети (все водотоки (реки, каналы, ручьи)) и речной сети (частный случай русловой, сеть всех рек). Речная сеть по своему рисунку на географической карте бывает древо-

видной, прямоугольной, центростремительной. В каждой речной сети выделя- ют главную реку, впадающую в приемный водоем (океан или бессточное озеро) и притоки разных порядков, реки, впадающие в главную реку, называются при- токами 1 порядка; реки, впадающие в притоки первого порядка, называются притоками второго порядка и т. д. (рис. 12).

Рис. 12. Структура и морфологические характеристики речной сети:

а – схема речной системы; б – зависимость относительной глубины (h/В) от порядка потока (N) и среднего годового расхода (Q0); I-VIII – порядки естественных потоков

К морфометрическим характеристикам реки относятся:

– длина реки – расстояние вдоль русла между истоком и устьем, км;

– протяженность речной сети – общая сумма всех рек в пределах бас-

Уравнение водного баланса речного бассейна

Водные ресурсы и водный баланс земного шара и страны

В земном шаре непрерывно происходит обмен влагой между гидро-, атмо-, и литосферой, состоящий: из испарения, переноса, водяноого пара и его конденсации в атмосфере, выпадение осадков и образования стока. Всё это называется влагооборот земного шара.

Различают несколько видов влагооборота в природе:

1. Большой (или мировой) влагооборот водяного пара, испарившийся с поверхности океанов, переносится ветрами на метрики, выпадает в виде атмосферных осадков и возвращается в океан со стоком.

2. Малый (или океанический) влагооборот- водяной пар, испарившиейся с поверхности океанов, выпадает в виде атмосферных осадков в океан.

3. Внутриконтинентальный влагооборот- вода, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

Водный баланс- cоотношение прихода и расхода воды с учетом изменения её запасов за выбранное время для рассматриваемого объекта.

Для составления водного баланса земного шара принимаем следующие обозначения:

, , — соответственно испарение в среднем за год с поверхности Мирового океана, периферийных областей суши и бессточных областей суши, – испарение с поверхности земного шара.

, , , – соответственно средняя годовая сумма атмосферных осадков, выпадающих на поверхность океана, периферийных и бессточных областей и на континент, –годовую сумму осадков для всего Земного шара, –средний суммарный годовой сток с суши.

U, У, Е –соответственно суммарное испарение, речной сток и подземные воды континента.

При принятых обозначениях водный баланс Земного шара примет следующий вид:

· Для малого круговорота влаги в пределах океана:

= +

· Для большого круговорота влаги:

+Ус=

· Для бессточных областей:

Следует отметить, что суммарные осадки на континент (Х) – включают в себя осадки, выпадающие за счёт влаги, принесенной с океана и сопредельных территорий, осадки, образующиеся за счёт местного испарения и конденсации влаги.

Очевидно, что для всего земного шара в целом справедливо равенство:

= + + = + + или =

Таким образом, количество воды, испаряющейся с поверхности океанов, морей и суши, равно количеству осадков, выпадающих на эти поверхности.

Ресурсы речного стока Российской Федерации

Ресурсы речного стока РФ:

1. Формирующиеся в пределах РФ — 4021 / год

2. Поступающие из сопредельных районов — 220,8 / год

3. Суммарные — 4242 / год

Отметим, что большая часть речного стока (80%) формируется в малонаселенных северных и северо-восточных районах страны и поступает в основном в бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. Так, например, ресурсы речного стока Сибири и Дальнего Востока, с учётом поступающих из сопредельных районов, составляют 3443 / год.

Уравнение водного баланса речного бассейна

Аналитическим выражением закона сохранения и превращения материи применительно к процессу круговорота воды является уравнение водного баланса.

Уравнение водного баланса имеет следующую структуру:

Выпадающие на поверхность суши осадки распределяются на сток, испарение и инфильтрацию. Эти элементы изменяются во времени и в пространстве, но для какого-то отрезка времени и какого-то выделенного объема суши можно составить уравнение водного баланса, исходя из количества вод, поступающих и уходящих из этого объема. Пусть выделен объем, ограниченный вверху поверхностью суши с площадью, равной F, внизу –некоторой поверхностью, лежащей на определенной глубине и боковой цилиндрической поверхности (рис. 2.1)

Все приходные и расходные элементы баланса отнесем к единице площади за некоторый отрезок времени T .

Этими элементами будут: осадки – Х , конденсация – Z ,

испарение — ; приток и убыль воды из объёма русловыми потоками — и ; поступление и уход воды через боковую поверхность — .

Запасы подземных и поверхностных вод в начале и в конце отрезка времени T обозначим через .

Тогда уравнение водного баланса можно представить так:

или приняв обозначение разности без индекса, —

Это – общее уравнение водного баланса выделенного объема суши. Слагаемые X, Y, Z являются существенно положительными, остальные могут быть либо положительными, либо отрицательными.

Первый член правой части уравнения соответствует высоте стока, которая слагается из высот поверхностного и подземного стоков; второй – высоте суммарного испарения с данной поверхности, т.е. испарения с поверхности почвы, воды и путем транспирации; третий – боковому перемещению воды; четвертый – изменению запасов воды в данном объеме, которое может быть представлено тремя частями:

– изменение запаса между верхней и нижней поверхностями выделенного объема, а и — на верхней поверхности объема.

Первая часть относится к изменению запаса подземных вод, вторая – к изменению запаса воды в снежном покрове и третья – к изменению запаса воды в естественных водоемах на поверхности.

Рис. 2.1 Графическое представление элементов водного баланса

Метод водного баланса

Уравнение баланса вещества (энергии) для любой системы имеет следующий общий вид:

Полагаем, что речной бассейн замкнутый, т.е. отсутствует естественный водообмен с соседними бассейнами и в него не поступает и не изымается дополнительная вода с помощью искусственных водоводов (каналы, трубы, пополняющие речной сток или подающие воду на орошение). Уравнение водного баланса бассейна реки для интервала времени t в этом случае получит вид

Здесь х – жидкие осадки и запасы воды в снеге, поступающие на поверхность речного бассейна; у – сток реки в замыкающем створе; z – суммарное испарение с поверхности бассейна (испарение с поверхности почвы, транспирация, а также испарение с поверхностей, покрытых водой, снегом и льдом); DW – изменение запасов воды в бассейне (в руслах рек, водоемах, почве, водоносных горизонтах, в снежном покрове и т. д.) за интервал времени t; W₁ – запас воды в бассейне в конце расчетного интервала t); W₂ – то же в его начале.

Атмосферные осадки составляют приходную часть уравнения водного баланса; сток реки в замыкающем створе и испарение объединяются в расходную часть водного баланса. Если приходная часть превышает расходную (например, зимой, когда снежный покров накапливается, но не тает; или в период выпадения обильных дождей), то запасы воды в бассейне увеличиваются, и DW >0. Если, наоборот, расходная часть больше приходной (например, в межень, когда река питается в основном подземными водами), то запасы воды в бассейне истощаются («срабатываются»), и DW 3 , км 3 ), подсчитанные за расчетный интервал времени (t, месяц, сезон, год и т.д.).

В тех случаях, когда используются системы межбассейнового перераспределения («переброска») стока, в уравнение баланса вводят составляющие, учитывающие дополнительную водоподачу (т.е. поступающий объем воды извне) или водоотбор (т.е. изъятие воды).

Чтобы учесть величину переходящих от года к году запасов воды в снежном покрове, вместо календарного года рассматривается гидрологический год, начало которого в климатических условиях России приходится на осенние месяцы (1 октября или 1 ноября). В этом случае запасы воды в снежном покрове формируют сток весеннего половодья соответствующего гидрологического года.

Наконец, при осреднении составляющих уравнения водного баланса за длительные периоды, изменением запасов воды в бассейне (DW) можно пренебречь. В этом случае уравнение водного баланса записывают в самом простом виде:

.(3.30)

Здесь – соответственно средние за многолетний период годовые осадки, испарение и сток. Распределение величин на земном шаре носит зональный (широтный) характер и зависит от климатических условий.

Разделим уравнение водного баланса для многолетнего периода (3.22) на осадки:

1= = . (3.31)

Отношение стока к осадкам называется коэффициентом стока (а=у/х). Этот коэффициент показывает, какая доля осадков стекает. Отношение z/x можно по аналогии назвать коэффициентом испарения и обозначить через β.

источники:

http://poisk-ru.ru/s16869t11.html

http://helpiks.org/7-2.html