Элементы водного баланса

Превышение приходной или расходной части уравнения водного баланса определяет возможное заболачивание или иссушение территории. Поэтому необходимо знать особенности формирования и количественные характеристики элементов водного баланса в различных климатических зонах. Основными элементами водного баланса являются атмосферные осадки, испарение и сток.

Атмосферные осадки. Роль осадков в формировании водного режима почв очень велика. Как отмечалось выше, на территории России выпадает 11700 км³ осадков. При равномерном распределении по территории средний слой осадков (норма осадков) составляет 530 мм в год. Однако выпадающие осадки распределяются по отдельным районам неравномерно.

Осадки оказывают огромное влияние на заболоченность территорий, хотя и не являются единственной причиной заболачивания. Заболоченные территории страны находятся в основном в районах, где годовая сумма осадков превышает испарение.

На величину осадков существенное влияние оказывает лес. На облесенных территориях за счет шероховатости поверхности древесного полога количество осадков несколько увеличивается. Особенно велика роль леса в задержании выпавших осадков и аккумуляции их лесной подстилкой. Большое влияние оказывает лес на распределение твердых осадков. Он задерживает снег, удлиняет на 1-2 недели период снеготаяния, способствует замедлению стока талых вод весной и обеспечивает инфильтрацию значительной их части в почву с последующим внутрипочвенным стоком.

Испарение. Испарение - процесс перехода влаги из жидкой или твердой фазы в парообразное состояние и перенос пара на определенные расстояния от испаряющей поверхности (земли, растений) в результате солнечной радиации (физического испарения) и за счет транспирации растениями в процессе их жизнедеятельности. Общий расход влаги на физическое испарение и транспирацию называется суммарным испарением (эвапотранспирацией).

При определении испарения следует различать понятия «испарение» и «испаряемость». Под испарением понимают расход воды, который происходите поверхности земли в конкретных почвенноклиматических условиях. Под испаряемостью подразумевают максимально возможное испарение при неограниченном поступлении влаги к испаряющей поверхности. Обычно испаряемость определяют по величине испарения с водной поверхности.

Испарение колеблется в значительных пределах в зависимости от количества осадков, температуры воздуха и испаряющей поверхности, относительной влажности воздуха, геоморфологии местности и экспозиции склона, водно-физических свойств почвогрунтов, их влажности, характера растительности и др.

Сток

Стоком называется движение воды по поверхности земли, а также в толще почв и горных пород в процессе круговорота ее в природе.

В зависимости от условий и среды прохождения сток подразделяется на поверхностный, проходящий по земной поверхности, склоновый - по склонам, почвенный - в почвенной толще, русловой и речной - по русловой и речной сети. К русловому можно отнести и сток по каналам осушительной сети.

Сток воды зависит от множества природных и антропогенных факторов.

Характеристика стока. Количественно сток характеризуется объемом, модулем, коэффициентом и слоем стока.

Объем стока Wc - объем воды, стекающей с водосбора за определенный интервал времени. Определяется по расходу воды в водотоке (реке, ручье, канале и т.д.) за определенный период времени (сутки, месяц, год, период года и т.д.), м³:

Wс = Q t, (5)

где Q - средний расход воды, м³/с; t - время расчетного периода.

Модуль стока q - количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, л/с с 1 га или м³/с с 1 км²:

q = Q/F, (6)

где q - модуль стока; Q - расход воды в водотоке, л/с; F - величина водосборной площади, га.

Слой стока hст - количество воды, стекающее с водосбора за определенный интервал времени, равное толщине слоя воды, равномерно распределенной по площади этого водосбора. Слой стока определяется по формуле, мм:

hст = Wc 1000/F, (7)

где Wc - объем стока, м³; F - площадь водосбора, м².

Годовой слой стока (мм/год) по модулю стока можно вычислить по зависимости:

hст = 3154q, (8)

где q - среднегодовой (или средний за период) модуль стока, л/с с 1 га.

Коэффициент стока ơ - отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших сток:

ơ = С/О, (9)

где С - величина стока; О - величина осадков.

Средняя многолетняя величина стока называется нормой стока.

Методы изучения стока. Существует несколько методов изучения стока. Для изучения особенностей формирования стока в зависимости от характера почвогрунтов и состояния растительности используют метод стоковых площадок.

Стоковые площадки устраивают на местности, имеющей уклон с определенной площадью водосбора. Во избежание притока поверхностных вод по границам стоковых площадок устраивают оградительные канавки. Для предотвращения притока грунтовых вод на необходимую глубину врезают водонепроницаемый экран из глины или бетона (в отдельных случаях можно использовать полиэтиленовую пленку). Для регистрации стока в нижней части склона площадки устраивают сооружения для сбора воды. На стационарных стоковых площадках длительного действия для учета стока на глубине ниже поверхности почвы в нижней части площадок устраивают траншеи, собирающие воду, и сооружают землянки, в которых устанавливают ёмкости для сбора воды, оборудованные самописцами, позволяющими отдельно учитывать поверхностный сток и сток с различных горизонтов почвы.

Особенности режима стока с осушенных земель и определение суммарного испарения на основе метода баланса проводят на небольших водосборах с помощью гидрометрических водосливов. При устройстве водосливов на каналах строят простейшие плотины с вырезом определенного сечения для пропуска воды. Определяют площадь водосбора, с которого стекает вода в данный канал (каналы), расход воды через водослив вычисляют по величине напора путем измерения уровней воды с помощью самописцев. Расход воды рассчитывают по формулам расхода или по кривой расхода, построенной для данного водотока. Данный метод можно применять и при определении стока с малых водосборов, дренируемых естественными водотоками.

При определении стока с больших водосборов в целях выявления характеристик стока, получения расчетных модулей стока для определения размеров проводящих каналов осушительных систем используют гидрологические посты на реках.

При осушении болот сток увеличивается по мере уменьшения расстояний между каналами. Соответственно увеличиваются и модули стока. Уменьшение расстояний между каналами при осушении болот обеспечивает равномерность стока, особенно летом.

Лекция 2