Поверхностная часть гидросферы.

Водный баланс суши

Собственно поверхностная часть гидросферы планеты, как видно из табл. 1.1, представлена водными массами Мирового океана и поверхностными водами суши (реки, озера, болота, лед­

ники и снежники). Основные процессы движения водных масс поверхностной части гидросферы и ее взаимодействие с водами атмосферы, так называемые малые и большой круговороты воды в природе, знакомы уже из курса средней школы. Составными частями таких круговоротов являются выпадение атмосферных осадков, конденсация, испарение воды и поверхностный сток.

Соотношение этих составляющих в наиболее наглядной форме может быть представлено так называемым уравнением водного ба­ланса (1.1), 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. (Горшков, 1979).

Для участка поверхности земли (суша), ограниченного произ­вольным контуром, уравнение водного баланса может быть пред­ставлено в следующем виде (все составляющие водного баланса выражены в слое воды в мм, или в объемах м³ и т.д. за опреде­ленный период времени):

Х+ K±AY-Z_x-Z₂±AW=±AU, (l.l)

где X — атмосферные осадки; К — конденсация; А Г — разность притока и оттока поверхностных вод (поверхностный приток и отток); Z, — испарение с водной поверхности (поверхность реч­ных вод, озер и др.); Z₂ — суммарное испарение с поверхности суши, в том числе транспирация растительностью; A W — разность между просачиванием поверхностных вод через поверхность зем­ли и притоком подземных вод на поверхность (подземный при­ток и отток); AU — изменение запасов воды на площади балансо­вого участка (в руслах рек и ручьев, озерах, болотах, в почвенном слое и др.).

Атмосферные осадки. Атмосферными осадками называются 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, поступившее на поверхность земли (или любую другую поверхность) за определенный период времени, может быть выражено объемом воды (см³, л, м³ и др.) или слоем (мм, см, м). Наиболее удобной и применяемой формой является оценка количества атмосферных осадков в виде слоя воды (мм), поступившего на рассматриваемую поверхность за единицу вре­мени (мм/ч, мм/сут, мм/год). Количество атмосферных осадков.

выпавших в течение года, называется годовой суммой осадков (мм/год) и является важнейшей характеристикой при проведении воднобалансовых расчетов.

Непосредственные измерения количества атмосферных осад­ков (испарения, температуры воздуха и др.) выполняются на спе­циальных постах и станциях Гидрометеорологической службы России (Росгидромет) и ряда других ведомств^I. Данные измерений и результаты их обработки (характерные значения атмосферных осадков) публикуются в «Метеорологических ежегодниках». Эти материалы позволяют количественно охарактеризовать (для дан­ного пункта наблюдений) распределение атмосферных осадков в течение года и от года к году (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Распределение годовых сумм атмосферных осадков и их среднемноголетнее (норма) значение, мм/год

(Справочник климата, вып. 15, 1971)

¹ Методика количественного определения осадков, устройство приборов, а также методы обработки регистрируемых данных подробно рассмотрены в учеб­никах по метеорологии и специальных справочниках.

Наличие в конкретном пункте материалов длительных наблю­дений позволяет охарактеризовать распределение атмосферных осадков в течение многолетнего периода (так называемый много­летний ряд, в котором каждая конкретная годовая сумма атмосфер­ных осадков рассматривается в качестве случайной величины).

Одной из важнейших характеристик ряда случайных величин (метеорологические, гидрологические, гидрогеологические) являет­ся его среднее многолетнее значение — норма, в качестве которой рассматривается среднее значение данной величины за многолет­ний период наблюдений такой продолжительности, когда при дальнейшем увеличении периода наблюдений, полученное среднее значение изменяется в пределах ошибки измерения.

Исходя из этого норма годовых осадков определяется выраже­нием

п

(1.2)

где X_Q — норма годовой суммы осадков, мм/год; х- — сумма осад­ков в конкретный год, мм/год; N — необходимое число лет на­блюдений.

Поскольку практически во всех случаях годовая сумма атмос­ферных осадков (в конкретном пункте наблюдений) существенно меняется год от года (см. табл. 1.2), наличие многолетнего ряда наблюдений и оценка нормы атмосферных осадков позволяют объективно оценивать так называемые маловодные (ниже нормы) и многоводные годы (периоды), годы с максимальной и минималь­ной водностью, конкретно оценивать различие сумм атмосферных осадков в годы с различной водностью и т.д.

Изменение годовых сумм атмосферных осадков (и других ха­рактерных значений) осуществляется не только во времени, но и по площади (от пункта к пункту). Распределение атмосферных осадков на площади изучаемого района отражается (в зависимости от размера района и характера распределения) или в виде карты изогиет', или путем выделения районов (площадей), характери­зующихся едиными величинами атмосферных осадков.

Оценка среднего значения слоя атмосферных осадков для лю­бого по площади участка выполняется с помощью графоаналити­ческих приемов, простейшими из которых являются расчет сред­него арифметического (из показаний всех метеорологических по­стов и станций, расположенных на рассматриваемой террито­рии), метод квадратов и способ изогиет (Горшков, 1979).

Общей закономерностью являются изменение годовых сумм атмосферных осадков (их распределение внутри года, интенсив­ность и др.) с изменением широты местности (климатические зоны Земли), их уменьшение в направлении от океанических по­бережий к центральным районам континентов и относительное увеличение с возрастанием абсолютных отметок поверхности земли (так называемое “орографическое” увеличение атмосфер­ных осадков) (рис. 1.1).

Испарение. Под испарением воды понимают процесс перехода молекул Н₂0 при достижении скорости, достаточной для преодо­ления сил молекулярного притяжения с поверхности жидкости или твердого тела в атмосферу (в окружающее пространство).

Собственно величиной испарения является разность между числом молекул Н-,0, перешедших с поверхности воды или твердого тела в окружающее прост­ранство, и числом молекул, снова поглощенных этой поверхностью.

В случае, если число молекул, поглощенных поверхностью, превышает число молекул, оторвавшихся от нее, этот процесс называется конденсацией (Чебота­рев, 1975).

Наряду с этим существует так называемое понятие “испаряе­мость”, под которой понимается максимально возможное испа­рение при данных метеорологических условиях с достаточно ув­лажненной испаряющей поверхности (водная поверхность или постоянно увлажняемая поверхность грунта).

При расчетах водного баланса поверхности суши по форму­ле (1.1) обычно рассматриваются три основных вида испарения: испарение с поверхности водных объектов, имеющихся на пло­щади балансового участка, — испарение с водной поверхности, от­бор влаги корнями растений — транспирацию и так называемое суммарное испарение с поверхности суши, или эвапотранспирацию, включающее испарение с почвы, транспирацию растительности и испарение воды, попавшей на листья и стебли растений при вы­падении атмосферных осадков.

Количество воды, испарившееся с поверхности воды или суши (испарение), аналогично атмосферным осадкам может быть выра­жено объемом (л, м³) или слоем воды (мм, см, м). Так же как ат­мосферные осадки, величина испарения обычно выражается слоем воды (мм), испарившимся с рассматриваемой поверхности за еди­ницу времени (мм/сут, мм/мес, мм/год). Годовая и средняя много­летняя (норма) величины испарения рассчитываются так же, как характеристики атмосферных осадков (см. формулу (1.2)).

Рис. 1.1. Распределение годовых сумм атмосферных осадков (мм/год) на терри­тории европейской части России (Мировой водный баланс, 1974)

При наличии данных метеорологических наблюдений величина суммарного испарения может быть определена с использованием эмпирических зависимостей, учитывающих количество атмосфер­ных осадков, среднегодовые температуры, радиационный приток тепла и другие характеристики (1.3), или графоаналитическими методами (рис. 1.2):

Jo,9 + {P/Lf ’

где Е — норма годового суммарного испарения (мм/год); Р — норма атмосферных осадков (мм/год); L = 300 + 25 7"+ 0,05 Т² (Шестаков, Поздняков, 2003; Тигс, 1961).

/., см/год

О 40 80 120 160 200 240 X, см/год

Осадки

Рис. 1.2. График для расчета величины испарения с поверхности суши по норме осадков и величине радиационного прихода тепла (по М.И. Будыко)

Распределение величины испарения с поверхности земли (воды) в пределах изучаемой территории (участок, район, континент и др.) изображается обычно с помощью изолиний, соединяющих пунк­ты (точки) с одинаковыми величинами испарения с однотипной испаряющей поверхности за единый период времени (мм/сут, мм/мес, мм/год и т.д.) (рис. 1.3). Расчеты среднемноголетних ве­личин, а также средних величин испарения для данного района (изменения по площади) выполняются аналогично расчетам сред­них сумм атмосферных осадков.

Распределение величин испарения по поверхности земного шара тесно связано с климатическими зонами Земли. Испарение с водной поверхности (испаряемость) определяется главным обра­зом радиационным балансом местности (ккал/см² • год) и в общем случае увеличивается от арктических областей к экваториальной зоне Земли от 100 до 2000 мм/год (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Распределение годовых величин испаряемости (мм/год) на территории европейской части России (Мировой водный баланс. 1974)

Суммарное испарение с поверхности суши помимо величины ра­диационного баланса тепла тесно связано со степенью увлажнения поверхности земли (количество атмосферных осадков) и изменя­ется от 100—150 мм/год в арктических и засушливых внутрикон- тинентальных областях до 1200—1500 мм/год и более в подзоне влажных тропиков^I.

Степень увлажнения поверхности характеризуется коэффици­ентом увлажнения, определяемым из соотношения атмосферных осадков и величины максимально возможного испарения (за тот же период):

*_у=4^ П.4)

о

где К_у — среднее значение коэффициента увлажнения; Х_{) — среднее многолетнее значение (норма) суммы осадков (мм/год); Z₍₎ — максимально возможное испарение (испаряемость) (мм/год).

Поверхностный сток. Под поверхностным стоком понимают процесс движения воды, происходящий в форме ее стекания по земной поверхности. Основными видами поверхностного стока являются: склоновый, формирующийся в виде широких, но мел­ких потоков на поверхности склонов; так называемый тальвего- вый сток — в виде сосредоточенных потоков в более или менее разработанном русле (балки, лога и др.) главным образом в ко­роткие периоды интенсивного увлажнения поверхности земли (период снеготаяния, ливневые осадки и др.) и речной сток, фор­мирующийся в виде сосредоточенного потока поверхностных вод в хорошо разработанном речном русле (А.И. Чеботарев).

При воднобалансовых исследованиях суши в качестве обобща­ющей характеристики поверхностного стока обычно рассматрива­ется сток, суммарно учитывающий склоновый, тальвеговый и приток подземных вод в русло реки (подземный приток в реки) (рис. 1.4).

Речной сток формируется на площади так называемого водо­сборного бассейна (речной бассейн, водосбор), представляющего собой участок земной поверхности, с которого поступают воды в данную речную систему, реку, озеро и др. Аналогично этому эле­мент подземной части гидросферы, из которого происходит поступ­ление подземных вод в данную речную систему (реку), называется ее подземным водосбором. Гра­ница (в плане) между двумя смежными водосборными бас­сейнами называется водоразде­ломпричем в зависимости от строения гидрогеологического разреза, размеров бассейна и других факторов поверхност­ный и подземный водоразделы (водосборы) данной речной системы могут как совпадать, так и не совпадать друг с дру­гом (см. гл. 3).

I \1 ГПТП 2 ЕЕЗз

Месяцы

Рис. 1.4. Расчленение гидрографа реки по видам ее питания: 1 — поверхностный сток; 2 — подземный сток; 3 — периоды с наличием ледяного покрова; а — зимняя межень; 6 — весеннее половодье; в — лет­няя межень с периодами дождевых павод­ков; г — период летне-осенних паводков

Количественно речной сток может быть охарактеризован в любом створе (поперечнике) русла реки объемом воды, про­шедшим через створ за опреде­ленный период времени (м³, км³ и т.д.), или расходом воды, под которым понимается количество воды, протекающее через поперечное сечение потока (русла) в единицу времени (л/с, м³/с).

В расчете на всю площадь бассейна, расположенного выше расчетного (замыкающего) створа, величина речного стока может быть охарактеризована также модулем стока, представляющим собой расход стока (л/с) с 1 км² площади водосбора:

М = 1000 — , л/с-км², (1.5)

F

где Q — расход воды в замыкающем створе, м³/с; F — площадь водосбора выше замыкающего створа, км²; и так называемым слоем стока, определяемым обычно в расчете за годовой период (декада, месяц, сезон года)

Y = 1000-, (1.6)

F

где Y — слой стока, мм/год; Q — объем стока, м³/год; F — пло­щадь водосбора, м². Модуль стока (л/с • км²) и годовой слой стока

(мм/год) связаны между собой простым соотношением:

Г= 31,5 Л/, (1.7)

где 31,5 — числовой коэффициент, учитывающий число секунд в году и размерность величин.

Величина речного стока может быть выражена также коэффи­циентом стока, характеризующим отношение слоя стока к сумме атмосферных осадков за тот же период, в долях единицы или процентах:

(1.8)

К =-100%,

х

где К — коэффициент речного стока; Y — слой стока, мм/год; х — сумма атмосферных осадков, мм/год.

График изменения расхода речного стока в конкретном сечении русла (створе) в течение годового периода (месяца, сезона и др.) называется гидрографом, или гидрограммой стока (см. рис. 1.4). Форма гидрографа в общем случае определяется соотношением составляющих речного стока (дождевое питание, снеговое, ледни­ковое, подземный приток в реку и др.), их величиной и распре­делением во времени.

При наличии данных наблюдений или гидрографа стока величи­на речного стока (в данном створе) может быть охарактеризована средним расходом (м³/с) за любой период времени (среднемесяч­ный расход, средний расход зимней межени и т.д.) или среднего­довым расходом, определяемым из соотношения

(1.9)

где Q — значение среднегодового расхода, м³/с; V — годовой объем речного стока, м³; N — число секунд в году.

В соответствии с формулой (1.9) для каждого значения расхода могут быть рассчитаны также величины модуля, слоя и коэффи­циента речного стока для любого характерного периода.

При наличии данных многолетнего ряда наблюдений могут быть рассчитаны средние многолетние значения среднегодового расхода (среднего расхода за любой характерный период) и соответственно модуля, слоя и коэффициента речного стока.

Систематические наблюдения за расходами речного стока (уров­нями, температурой, минерализацией воды и др.) выполняются на гидрометрических станциях и постах Росгидромета и других ведомств и публикуются в «Гидрологических ежегодниках».

Уравнение водного баланса для площади речного бассейна, огра­ниченного водоразделом (граница водосбора) и замыкающим створом, в котором измеряется речной сток за любой расчетный период, может быть представлено в виде

Y= X- Z±AW±AU, (l.lO)

где У — речной сток в замыкающем створе; X — атмосферные осадки; Z— суммарное испарение с площади речного бассейна за вычетом конденсации; AW — разность между просачиванием воды через поверхность земли (инфильтрация атмосферных осад­ков, поглощение части склонового стока и др.) и поступлением подземных вод в речную сеть бассейна; ДU — изменение запасов поверхностных вод на площади бассейна (все элементы уравнения выражены в одних единицах измерения — м³, мм слоя и т.д.).

Для многолетнего периода (в расчете на годовой цикл) при характеристике балансовых величин их средними многолетними годовыми значениями или нормой (мм/год и т.д.) уравнение при­нимает вид

Х₍₎-Y_n~Z₍₎±AW= 0, (111):

поскольку для многолетнего периода с многократным чередова­нием маловодных и многоводных лет ±А[/=0.

Приведенные выше балансовые уравнения для произвольно ограниченного участка суши (l.l) и площади речного бассейна (ПО), (l.ll) показывают, что в общем случае во всех балансовых уравнениях поверхности суши фигурирует эле­мент уравнения, учитывающий процессы взаимодействия поверхностной (суша) и подземной частей гидросферы (±ЛШ). Значение (и величина) этого элемента баланса для каждого конкретного района определяется, с одной стороны, всеми элементами уравнения, с другой — собственно строением подземной части гид­росферы: строением разреза земной коры (особенно верхней части), свойствами горных пород, видами подземных вод и условиями их залегания.

Контрольные вопросы к главе 1

1. Современные представления о формировании гидросферы Земли.

2. Уравнение водного баланса произвольно ограниченного участка поверхности.

3. Понятие “норма” — атмосферных осадков, испарения и др.

4. Что такое “коэффициент увлажнения'’ ?

5. Что такое “модуль стока", “слой стока", "коэффициент сто­ка" , их соотношение?

6. Уравнение водного баланса речного бассейна.