Круговорот воды в природе. Водный баланс

Гидрология – наука, изучающая гидросферу, её свойства и протекающие в ней процессы и явления во взаимосвязи с атмосферой и биосферой. Гидрология изучает распределение и движение природных вод, их режим и взаимодействие с окружающей средой

Гидрогеология изучает законы движения воды, залегающей в толщеземной коры. Она изучает происхождение и развитие подземных вод, условия их залегания и распространения, законы движения, взаимодействие с вмещающими горными породами, физические и химические свойства, их газовый состав и агрессивность.

Вода в природе находится в состоянии постоянного обмена. Под действием солнечной радиации и тепла атмосферных масс часть воды испаряется с поверхности суши и водоемов. Часть водяных паров образуется за счет транспирации – выделения воды растениями. Пары воды перемещаются воздушными потоками. Попадая в верхние слои атмосферы, пары охлаждаются и конденсируются. Этот процесс при определенных условиях приводит к выпадению осадков в виде дождя, снега или града. Вода, выпавшая на сушу, частично снова испаряется, частично просачивается в грунт и стекает по поверхности земли в виде отдельных потоков, струек, ручьев и рек. Просочившаяся в грунт вода заполняет его поры и протекает до водоупорного слоя. Достигнув слоя водоупорных пород вода движется по нему и может выходить в отдельных местах на поверхность в виде ключей и родников, давая начало ручьям и рекам, или по водоносному горизонту попадает в речные русла, обеспечивая тем самым подземное питание рек. Образуемые в результате поверхностного и грунтового стока реки несут воду в озера, моря и океаны, замыкая цикл круговорота воды в природе.

Цикл круговорота воды оказывается замкнутым. Он может быть описан общим уравнением водного баланса

Ом + Ос = Ем + Ес ,

где Ом и Ос– среднегодовое количество выпавших осадков соответственно на поверхность океанов и суши; Еми Ес– среднегодовое количество испарившейся воды соответственно с поверхности океанов и суши;

Для океанов и морей круговорот воды в основном определяется испарением с поверхности и выпадением осадков. Для суши процесс круговорота значительней сложнее. Выпадающая на поверхность суши вода в виде осадков частично расходуется на испарение и транспирацию.

Другая часть идёт на создание стока на поверхности суши Ус (главным образом рек) и подземного стока Уп. В соответствии с изложенным можно записать уравнение водного баланса суши:

Ос = Ес + Ус.

Приход и расход воды для произвольно взятой части земной поверхности, например осушаемого торфяного месторождения, можно выразить уравнением водного баланса, отражающего закон сохранения материи: приход-расход = W, где W – изменение запасов воды в пределах балансового участка. Для многолетнего периода W = 0.

Ограничивая балансовый участок в плане границами объекта осушения, а в разрезе – региональным водоупором, уравнение водного баланса записывается следующим образом:

(О+Пп+Пг+Пн+К) – (Еп+Ев+Т+Сп+Сг) = ∆Wп + ∆Wа + ∆Wг , (1.1)

где О – атмосферные осадки; Пп– приток поверхностных вод;Пг– приток грунтовых вод; Пн– приток напорных вод; К – конденсация влаги на поверхности (роса, иней) и в почве; Еп– испарение с поверхности почвы; Ев – испарение с водной поверхности; Т – транспирация влаги растительностью; С – поверхностный отток (сток) за пределы массива (балансового участка); Сг – отток грунтовых вод;

∆Wп, ∆Wа, ∆Wг – изменение запасов влаги соответственно на поверхности почвы, в зоне аэрации и грунтовых вод.

Из уравнения баланса видно, что в целях нормализации водного режима (осушения торфяного месторождения) гидротехнические мероприятия должны быть направлены на уменьшение элементов приходной и увеличение расходной части баланса. Изменение водных запасов бассейна ∆W колеблется в зависимости от засушливости или многоводности отмеченных лет. За многолетний период однородных климатических и геологических условий повышение и уменьшение запасов в бассейне компенсируется (W = 0).

Формирование стока – сложный, многофакторный процесс. Вода попадает в реки, проходя длительный и сложный путь, например при образовании и последующем таянии ледников или за счет образования подземного стока. Подземные воды благодаря общему уклону поверхности водоупорных пластов попадают в реки, а небольшое их количество – непосредственно в моря и океаны. Скорость движения подземных вод при фильтрации значительно ниже, чем при поверхностном стекании. Это приводит к более позднему попаданию подземных вод в реки, способствуя более равномерному их питанию. При отсутствии дождей и таяния снега подземный сток является основным источником питания рек.

Это уравнение (1.1) показывает, что основными составляющими водного баланса являются атмосферные осадки и испарение. На их величину существенное влияние оказывают температура воздуха и почвы, влажность, атмосферное давление и ветер.

Климатические факторы оказывают основное влияние на поверхностный сток. Великий русский гидролог проф. А. И. Воейков говорил: « Реки – продукт климата».

Испарение – физический процесс отрыва молекул жидкости от её свободной поверхности. Влагу испаряют не только океаны, моря и др. водоёмы. Испарение происходит с влажной почвы, растений, поверхности подземных вод. Этот процесс возвращает в атмосферу около 2/3 осадков. На территории России среднегодовой слой испарения колеблется от 200 мм на Крайнем Севере до 1000–1200 мм в южных районах.

Атмосфера в незначительной степени наполняется парами и в результате сублимации – парообразования с твердой поверхности снега и ледников, минуя жидкостную фазу (6–8 % годовой суммы испарения).

Скорость испарения зависит от дефицита влажности d = E–е (где E –.упругость насыщенного пара, е – упругость водяного в воздухе) и определяется законом Дальтона. С поверхности суши испарение идет значительно медленнее, чем с поверхности водоемов. Это объясняется тем, что испарение с суши чаще идет в условиях недостатка в ней влаги. При этом скорость испарения зависит от многих факторов: температуры почвы, глубины расположения подземных вод, структуры грунта и др.

В бассейнах рек соотношение площади водной поверхности и суши может быть различным. Обычно площадь суши во много раз больше. Поэтому общий объем испарения с суши оказывается определяющим по сравнению с испарением с водной поверхности в уравнении многолетнего водного баланса бассейна.

Величина испарения с поверхности торфяных месторождений зависит от их состояния. Испарение с поверхности естественного болота и с поверхности осушенного будет различным. Различным будет испарение с поверхности болота верхового и низинного. Испарение с поверхности сфагнового болота за вегетационный период примерно равно испарению с водной поверхности, а испарение с низинного болота несколько превышает его. Величина испарения с поверхности болотных массивов, представленных преимущественно сфагново-кустарничковыми микроландшафтами, составляет примерно 300 мм/год. Среднее годовое испарение с поверхности торфяных месторождений грядово-мочажинного комплекса приблизительно на 20 % выше средней величины испарения со сфагново-кустарничковых.

Осадки – выпадающая из атмосферы часть водяных паров, образующая в процессе конденсации капли дождя, снег или град. Количество осадков распределяется по территории земной поверхности крайне неравномерно. Например, в Индии есть место, где среднегодовое количество осадков составляет более 11000 мм. Наименьшее среднегодовое количество осадков (0,9 мм) зафиксировано в Чили (пункт Арина). В среднем для поверхности земного шара слой осадков составляет 1130 мм/год, в центральной Европейской части России 500-600 мм/год.

Осадки характеризуются интенсивностью и продолжительностью, их общим количеством, неравномерностью выпадения по времени и площади.

Важной характеристикой осадков является их распределение по времени и внутригодовое распределение осадков. Самым дождливым периодом является лето. Зимние осадки составляют 13–25 % от годовых и имеют большое значение для образования паводков при таянии снега весной.

В период снеготаяния и формирования половодья определяющими факторами является запас влаги в снежном покрове и его состояние, дружность и интенсивность снеготаяния и др.

Факторы стока

Сток в гидрологии – это движение воды по поверхности и в толще грунта в процессе круговорота её в природе.

В узком смысле – сток – количество воды, стекающей с водосбора за определенный промежуток времени.

Различают поверхностный сток, почвенный (над водоупором) и подземный (напорный).

Для решения многих гидротехнических задач определенный интерес представляет сток бассейнов рек. При осушении торфяных месторождений реки выступают в качестве водоприемников, поэтому знание основных элементов речных систем и их параметров имеет важное значение при проектировании и эксплуатации гидротехнических осушительных систем.

Бассейном рек называют часть земной поверхности и толщу почв и горных пород, откуда вода поступает в реку. Вся территория суши делится на речные бассейны. Границы речных бассейнов, называемые водоразделами, проходят по наиболее возвышенным участкам местности. Горизонтальная проекция бассейна за вычетом бессточных областей дает площадь водосбора. Ее определяют по карте с помощью планиметра

Водосбор – участок поверхности земли, в пределах которого происходит сток воды в реку или в другой водоем по поверхности земли (поверхностный водосбор) или по водоносным породам (подземный водосбор). В гидрологических расчётах чаще используется поверхностный водосбор, границей его служит водораздел. Водораздельные линии, проходят по наивысшим отметкам поверхности. Их положение определяют по крупномасштабным топографическим картам.

Водосборная площадь отделяется от смежной с ней водосборной площади водораздельной линией, которая проходит по наиболее высоким точкам местности. Проведением на карте водораздельных линий можно определить площадь водосбора лишь для стока поверхностных вод, т.к. водораздельные линии подземных (грунтовых) вод часто не совпадают с водораздельными линиями поверхностных вод.

На величину и режим поверхностного стока оказывают влияние некоторые факторы речного бассейна, как естественные, так и искусственные.

Площадь речного бассейна. Объём стока реки обычно пропорционален площади бассейна. Однако дело не только в количественной оценке площади бассейна. Величина бассейна имеет большое значение с точки зрения изменчивости факторов, влияющих на сток. Чем больше бассейн, тем колебания этих факторов во времени меньше для всего этого бассейна. На величину стока большое влияние оказывают такие характеристики поверхности бассейна как заболоченность, озерность, распаханность, уклон поверхности, густота речной сети, характер почвогрунтов.

Рельеф бассейна оказывает на сток значительное влияние. Чем круче склоны бассейна спускаются к главной реке и её притокам, чем расчлененнее рельеф, тем быстрее вода стекает от выпавших осадков и тем меньше потери её на испарение и просачивание в почву, тем больше коэффициент стока.

Гидрография бассейна– степень развития речной сети, наличие озер и болот существенно влияет на сток в бассейне. С увеличением густоты речной сети возрастает модуль стока, что объясняется большим дренированием водоносных слоев бассейна.

Озера в бассейне являются регуляторами стока. При прохождении паводков значительная часть стока на какое-то время задерживается в озере, что влечет уменьшение максимальных расходов в реке, вытекающей из озера, и перераспределение меженных. В меженный период озера увеличивают расход рек за счет сработки временно задержанных запасов воды в паводке.

Болота, какфактор стока, рассматриваются с двух сторон: влияние на величину и как регуляторы стока.

Следует различать сток с верховых и низинных болот, имеющий принципиальное различие в процессе своего формирования.

Верховые болота имеют выпуклый рельеф и значительно приподняты над горизонтом грунтовых вод. Основным источником питания верховых болот являются атмосферные осадки. Водный режим верховых болот не зависит от режима грунтовых вод. Сток с верховых болот формируется под влиянием рельефа и верхнего деятельного горизонта. Выпадающие летом на верховое болото осадки расходуются исключительно на испарение и транспирацию и не принимают участия в питании речного стока. Верховые болота отдают стоку воды только при полном влагонасыщении своего сфагнового покрова и в целом деятельного горизонта, что наблюдается обычно ранней весной и редко – поздней осенью.

Низинные болота, в отличие от верховых, питаются или грунтовыми водами при выходе их на поверхность, или за счет поверхностно-приточных вод с окружающих вышележащих суходолов, или за счет разлива рек (пойменные болота), обладают плоским или вогнутым рельефом поверхности и залегают в долинах рек и впадинах,. Низинные торфяные болота могут быть аккумуляторами стока, питать реку и поддерживать экологическое равновесие района. Неровная кочковатая поверхность таких болот и слабый уклон их в сторону рек или озер благоприятствует аккумуляции стока. Поэтому весенние снеговые и летние дождевые паводки под влиянием низинных болот снижаются.

Вместе с тем можно отметить общие черты, характеризующие динамику болотных вод:

1. Обоим типам болот свойственно испарение с поверхности. Это испарение весьма значительно благодаря избытку влаги, усиленному болотной растительностью.

2. Скорость перемещения воды в болотах очень мала (40-60 мм/ч). Поэтому болота непосредственно не отдают попадающую в них воду рекам. Громадное количество ее остается в них без движения и испаряется в атмосферу, уменьшая сток воды в реки.

К искусственным факторам, влияющим на сток, относятся: лесомелиоративные, агротехнические и гидротехнические мероприятия, проводимые на водосборной площади.