Водный баланс в природе

1.

Водный баланс в природе.

2.

Водный баланс — соотношение за какойлибо 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.

3.

Водный баланс
Водообмен между океаном и сушей может
осуществляться принципиально разными путями.
Первый общеизвестный климатический (гидрологический)
круговорот воды, в природе протекает под
воздействием солнечной энергии. Второй геологический, обусловлен геологическими
процессами, такими как осадконакопление,
тектонические движения, вулканизм, метаморфизм,
гранитизация горных пород и др. Третий тип
водообмена в недрах земли обусловлен движением
океанического дна и системой конвективных потоков в
верхней мантии. Этот тип круговорота С.Л. Шварцев [78]
предлагает называть мантийноокеаническим и считать
его разновидностью геологического.

4.

В результате климатического кругооборота
непрерывно восполняются запасы
подземных вод. На земной поверхности
происходит разделение выпавших
атмосферных осадков (X) на три составные
части: одна часть этих осадков (V) тут же
снова испаряется в атмосферу, вторая часть,
стекающая по поверхности земли в сторону
Мирового океана, образует поверхностный
сток (V2), и, наконец, третья часть
проникает через почву в горные породы,
образуя подземный сток
(V3). Следовательно: Х= V + V2 + V3

5.

Соотношение между выделенными тремя составляющими различно и зависит
от конкретных природных условий: характера рельефа, типа горных пород, их
пористости и трещиноватости, температуры воздуха, характера
растительности и т. д. Так, для европейской части бывшего СССР Г.В.
Богомолов приводит следующие величины инфильтрации атмосферных
осадков (в % от количества годовых осадков): лессовидные породы - 15-20
мм/год, глины и суглинки - 10-12, песчаные породы - 22-28, трещиноватые
породы - 35-45 мм/год, закарстованные породы - 50-60 мм/год. В Голландии
инфильтрация в дюнных песках, лишенных растительности, достигала 700
мм/год (83 % от осадков); покрытых растительностью - 48-52 %. Ж. Друен для
центральной части Франции величину инфильтрации для альбских песков
принимает равной 20 % от осадков, а для районов горной части Алжира для
тех же пород - 10 %. Инфильтрация во влажных тропических странах в
пористых латеритах достигает 65 % [78]. Скорость движения воды в горных
породах значительно меньше ее скорости в открытых водотоках, что,
естественно, приводит к тому, что воды поверхностного стока участвуют в
круговороте значительно чаще, чем воды подземного стока. При этом, чем на
большую глубину погрузилась вода, тем медленнее она движется в горных
породах. Но рано или поздно эта вода снова появляется на поверхности
земли и участвует в климатическом круговороте. При этом, разгрузка вод
подземного стока, т. е. выход их на поверхность земли, может происходить
как выше уровня Мирового океана, так и ниже его. Так, например, разгрузка
подземных вод известна на дне Средиземного моря у берегов Ливана, где
родники пресных вод обнаружены в 17 местах. Крупнейший родник Шека
находится на расстоянии километра от берега. Каждую секунду он дает 50
м3 пресной воды [78]

6.

В климатическом круговороте участвует огромное количество воды.
Всего в атмосфере содержится около 14 000 км3 воды - в 11,6 раз
больше, чем в реках. И объем этот полностью меняется примерно
каждые 10 суток - 36 раз в год. Объем всех речных вод на земле около 1200 км3 - полностью меняется примерно за 12 суток, в среднем
32 раза в год. Значительно дольше задерживаются воды озер, болот. С
малой скоростью идет обмен воды в ледниках, но еще медленнее,
конечно, происходит круговорот подземных вод, продолжительность
которого изменяется от 330 до 10 000 лет (и это в зоне активного
водообмена), составляя в среднем 5000 лет. Тем не менее, все это
звенья одного взаимосвязанного круговорота, состоящего из трех
основных циклов: атмосферного, собственно гидрологического и
подземного [78].
Климатический круговорот обеспечивает, прежде всего, непрерывное
движение воды в порах горных пород и реках, создавая кровеносную
систему Земли, проникающую во все малейшие пустоты планеты. Как
известно, движение - это жизнь. Именно в этом движении начало и
развитие всей геологической истории земли, обеспечившей
возникновение и становление жизни на нашей планете, а также, по
выражению академика В.И. Вернадского, «ход самых грандиозных
геологических процессов». Движение как философское понятие в
данном случае предстает в конкретной форме геологических
процессов и явлений. Важнейшими результатами климатического
круговорота, как следствие непрерывного движения, являются
следующие (дается по [78])

7.

1.
Формирование ветви пресных вод на земле, или, точнее, обеспечение материков пресной
водой, необходимой для жизни человека и многих разновидностей животных и растений.
2. Поддержание на континентах более высоких относительно океана уровней подземных вод,
обеспечивающих непрерывность подземного и поверхностного стоков. Высокие уровни воды
- основа развития всего живого на континентах.
3. Строгую направленность движения воды от горных сооружений (водоразделов) к бассейнам
стока и в конечном итоге возвращение воды в океан.
4. Формирование разнообразного водообмена и водообменных зон на континентах и шельфовой
зоне океанов, определяющих разнообразие ландшафтов. Водообмен выступает одной из
наиболее фундаментальных характеристик окружающего нас мира, определяющих через
степень увлажнения направленность развития большей части геологических и биологических
процессов.
5. Возобновляемость запасов воды на континентах, определившая их неисчерпаемость в
геологической истории Земли и особую уникальность воды как полезного ископаемого.
6. Физическое и химическое преобразование (гидрогенез) огромной массы горных пород на
континентах, обеспечивающее возникновение принципиально новых минеральных
образований, положивших начало многообразию в неживой природе.
7. Перенос солей и разрушаемых горных пород с континентов в моря и океаны, что обеспечивает
наряду с другими явлениями геологический круговорот вещества в земной коре, а также
эволюционное геохимическое развитие океана.
8. Строго направленное эволюционное развитие системы вода- порода-газ на ранних этапах
геологической истории Земли, многократно усложненное появлением позже органического
вещества и деятельностью человека в современную геологическую эпоху.
Количественное выражение процесса климатического круговорота воды и его отдельных звеньев
может быть охарактеризовано с помощью водного баланса в виде следующей зависимости:

8.

Х= Y + Z + WHH
где X - атмосферные осадки; Y - сток; Z - испарение; WHH - часть
осадков, просачивающаяся в грунт (инфильтрация). Входящие в
формулу величины и соотношения между ними не постоянны и
зависят от климата, рельефа, характера растительности и
геологических условий. В конкретных физико-географических
условиях соотношение осадков, испарения, поверхностного и
подземного стоков для многолетнего периода в среднем
является практически постоянным и определяет средние
расходы рек и водные ресурсы конкретного региона [78].
Поступающие на поверхность бассейна дождевые воды, а также
талые снеговые и ледниковые воды частично стекают в виде
поверхностного (склонового и речного) стока, а частично
расходуются на испарение и инфильтрацию. Потери
атмосферных вод на испарение признаются для данного
речного бассейна безвозвратными, так как считается, что они
уносятся за пределы бассейна воздушными потоками. Воды,
поступившие в грунт в результате инфильтрации, считаются
«потерями» лишь для данного участка водосбора и для
конкретного дождя или периода снеготаяния. Они затем
поступят в речное русло в процессе питания реки подземными
водами.

9.

Подземные воды и условия их
залегания
По условиям залегания подземные
воды делятся на почвенные, грунтовые и
межпластовые. Почвенные воды являются
временными, накапливаются в почвенной
толще до глубины 1,5 м. Они обеспечивают
жизнь растений. Грунтовые воды залегают
на первом от земной поверхности
водоупорном слое.

10.

Подземные воды залегают в водопроницаемых рыхлых (песок, гравий) и скальных (известняк,
песчаник и др.) горных породах.
При характеристике условий залегания подземных вод применяют понятия и термины,
приведенные ниже.
Водоносные породы — пласты, линзы и другие формы залегания водопроницаемых горных
пород, в которых имеются поровая, трещиноватая и карстовая среды, содержащие
подземную воду.
Водоносным горизонтом называют часть пласта или пласт, заполненные водой, приуроченные
к одной или нескольким регионально выдержанным толщам водопроницаемых пород,
гидродинамически связанным между собой и имеющим общую гидравлическую (при
безнапорных водах) или пьезометрическую (при напорных водах) поверхность.
Водоносный комплекс — это комплекс водоносных горизонтов, одинаковых или различающихся
по литологическому составу и пористости, приуроченных к породам какоголибо стратиграфического подразделения, среди которых вследствие изменчивости
их вещественного состава, сложности тектонических условий или недостаточной изученности
водовмещающих пород нельзя выделить отдельные гидравлически самостоятельные
водоносные горизонты.
Площадь, в пределах которой распространен водоносный горизонт или комплекс, называется
областью, или площадью распространения, а площадь, на которой происходит питание
водоносного горизонта, — областью питания. Площадь, где подземные воды вытекают
из водоносного горизонта или комплекса, называется областью разгрузки, или дренажа.
Области питания и распространения водоносных горизонтов (комплексов) могут совпадать
(в случае безнапорных) или не совпадать (в случае напорных вод).
В практике горного дела водоносные горизонты подразделяются в зависимости от их положения
относительно пласта полезного ископаемого: если водоносные горизонты залегают над
полезными ископаемыми, они называются надрудными (надугольными), если ниже —
подрудными (подугольными).
Условия питания водоносных горизонтов зависят от многих факторов. Ведущую роль играет
климат. Подземных вод больше там, где выпадает много атмосферных осадков. Большое
значение имеют литологический состав пород, залегающих на поверхности, и рельеф
(плоский, расчлененный, горный и т. п.)

11.

Грунтовыми водами называют подземные воды
первого от поверхности земли постоянно
существующего водоносного горизонта,
расположенного на первом
водонепроницаемом слое. Грунтовые воды
имеют свободную водную поверхность.
Атмосферные осадки или поверхностные
воды, просачиваясь в поры и пустоты горных
пород, достигают на какой-то глубине
водоупорного слоя и начинают скапливаться,
образуя грунтовые воды. Расстояние
от поверхности водоносного горизонта
до водоупора называют его мощностью.

12.

• Рис. 1. Распределение подземной воды
в верхней части земной коры.
Зоны: 1 — капиллярная; 2 —
водонасыщенная (грунтовый поток)

13.

• Рис. 2. Схема грунтового бассейна:
1 — поверхность земли; 2 — уровень
грунтовых вод; 3 — водоупор

14.

• Рис. 3. Распределение гидроизогипс (в м):
а — гидроизогипсы пересекают водоток
без искривления; б — река питает
грунтовые воды; в — грунтовые воды
питают реку; г — река дренирует
(на правом склоне) и питает (на левом)
грунтовые воды. Пунктир — уровень
подземных вод

15.

Верхняя часть земной коры между земной поверхностью и поверхностью
грунтовых вод называется зоной аэрации. В породах этой зоны
в порах, трещинах и других пустотах находится парообразная,
физически связанная и капиллярная вода (рис. 1).
Поверхность грунтовых вод часто называют уровнем, или зеркалом,
грунтовых вод. Глубина залегания зеркала грунтовых вод может быть
самой различной.
Грунтовые воды, у которых зеркало представляет собой горизонтальную
поверхность, называют бассейном грунтовых вод. Такие бассейны
чаще всего образуются при наличии в водоупорном ложе котловины
(мульды) (рис. 2). Если же зеркало грунтовых вод наклонное, что
свидетельствует об их движении в направлении уклона, то образуется
поток грунтовых вод.
Питание грунтовых вод происходит в результате инфильтрации
атмосферных осадков (дождь, тающий снег) и поверхностных вод
(из рек, озер, прудов), подтока из других водоносных горизонтов
(напорных трещинных, карстовых) и конденсации паров воды.
Питание грунтовых вод за счет поступления поверхностных вод
происходит повсеместно. В период весенних половодий, а также при
выпадении обильных осадков уровень поверхностных вод
поднимается, превышая уровень грунтовых вод прибрежной
территории. В результате значительная масса воды из поверхностного
водоема просачивается в породы, слагающие его берега, питая
грунтовые воды. В меженный период, когда уровень воды в водоеме
ниже, чем уровень подземных вод, грунтовые воды питают водоемы.

16.

Из сказанного следует, что между поверхностными и грунтовыми водами
существует постоянная гидравлическая связь, причем существуют две формы
этой связи — режимы подпертой и свободной фильтрации. О характере этой
связи можно судить по карте гидроизогипс.
Гидроизогипсами называют линии, соединяющие точки с одинаковыми
отметками уровней грунтовых вод. Их строят так же, как изогипсы рельефа
земной поверхности.
Если гидравлической связи между поверхностными и грунтовыми водами нет,
то гидроизогипсы пересекают поверхностный водоем без искривлений
(рис. 3, а), а если грунтовые воды питаются за счет инфильтрации
поверхностных вод, то гидроизогипсы изгибаются вниз по течению рек
(см. рис. 3, 6), так как зеркало грунтовых вод в этом случае имеет наклон
от реки. Если грунтовые воды питают поверхностный водоток,
то гидроизогипсы будут изогнуты вверх по течению реки (см. рис. 3, в), так как
зеркало грунтовых вод в этом случае наклонено к реке.
Возможна и такая связь между грунтовыми и поверхностными водами, когда
на одном склоне долины грунтовые воды питают реку, а на другом река
питает грунтовые воды. В этом случае гидроизогипсы на одном берегу будут
изогнуты вверх, а на другом — вниз по течению реки (см. рис. 3, г).
При гидрогеологических исследованиях определение характера питания
исследуемого водоносного горизонта является весьма важной задачей
(особенно при осушении месторождений полезных ископаемых), так как
выбор наиболее рациональных способов осушения в значительной степени
определяется условиями питания водоносных горизонтов, подлежащих
осушению.

17.

Речной сток. Характеристика реки. Определение стока реки,
режима питания, площади бассейна реки Сток, образуемый
атмосферными осадками, выпадающими на поверхность
земли, избыток к-рых не успевает испариться и стекает в реки.
Режимом речных стоков определяется режим реки в целом колебания уровней воды, движение наносов (твердый сток),
формирование речных русел. Учение о речном стоке - основной
раздел гидрологии вод суши. Территория, с к-рой вода стекает в
реку, наз. ее водосбором (бассейном); граница, разделяющая
водосборы рек, наз. водоразделом. Существует поверхностный
сток, поступающий в реки по оврагам, ручьям, рекам, и
подземный сток, образуемый водой, просачивающейся в
горные породы, покрывающие земную поверхность.
Поверхностный сток разделяется на снеговой - сток талых вод и
дождевой. В свою очередь, в стоке талых вод различают
равнинно-снеговое питание - весной в р-нах с устойчивой
зимой при освобождении от снегового покрова, горно-снеговое
питание, -происходящее весной и летом в высоко
расположенных частях водосбора, и там же - ледниковое
питание. Поверхностный сток характеризуется резкими
колебаниями по временам года. Подземный сток отличается
устойчивостью.

18.

В зависимости от видов питания в годовом стоковом цикле чередуются
периоды высокого и низкого стока - половодье, значительное
повышение водности реки, повторяющееся из года в год в определ.
время; межень - период низкого стока, когда реки получают преим.
грунтовое (подземное) питание; паводки - нерегулярные, обычно
кратковременные, иногда очень резкие повышения стока,
вызываемые гл. обр. ливнями. Рекам б. ч. терр. СССР свойственно
отчетливо выраженное весеннее половодье, сток к-рого близок к 50%
годового.
На Дальнем Востоке сток весеннего половодья понижается до 30- 40%
годового, а в сев. и центральном Казахстане и в предгорьях Ср. Азии повышается до 90-95%. Грунтовой (подземный) сток, к-рым
поддерживаются в реках устойчивые низкие расходы воды,
значителен (до 30% годового) в областях с влажным и относительно
мягким климатом - на западе Европ. части СССР. В зоне вечной
мерзлоты и в засушливых областях Ю.-В. грунтовой сток мал, и реки
периодически промерзают и пересыхают.
Сезонная неравномерность Р. с. существенно сглаживается проточными
озерами (напр., естественно зарегулированные реки - Нева, Ангара и
др.) Речной сток - одна из статей водного баланса суши. Уравнение
водного баланса водосбора за нек-рый отрезок времени
записывается в виде: сток-осадки - испарение - приращение запасов
влаги. Осадки атмосферные включают все виды поступления воды на
водосбор: дождь, снег, конденсация на поверхности суши и водоемов,
а также в порах грунта. Испарение происходит с поверхности почвы
водосбора, со всех водоемов - озер, прудов, рек и т. д., а также путем
транспирации (дыхания) растений.

19.

• График, изображающий колебания расхода воды в реке
на протяжении нек-рого промежутка времени (года,
весеннего половодья и т. п.), наз. гидрографом.
• Расчеты Речного стока, выполняемые в связи с
проектированием гидротехнич. сооружений, опираются
на данные о стоке рек, зарегистрированные
гидрометрич. наблюдениями. Закономерности,
прослеживающиеся в колебаниях стока за прошлый
период, служат основой для предвычисления стока на
будущее. Состав расчетных характеристик стока и
порядок анализа зависят от водохозяйственной
задачи. Важнейшие характеристики - средний
многолетний расход воды, определяющий общую
водоносность водотока, изменчивость годовых объемов
стока, сезонное распределение стока, величины миним.
и макс, расходов воды. При отсутствии или недостатке
наблюдений за стоком рассматриваемой реки
используются методы географич. интерполяции
гидрологич. характеристик, а также эмпирические
зависимости. Результаты таких косвенных расчетов не
отличаются высокой достоверностью и точностью.

20.

Режим речного стока с течением времени изменяется под
влиянием деятельности человека, преобразующей ландшафт
водосбора. Наиболее отчетливо воздействие на сток
непосредственно водохозяйственных мероприятий,
осуществляемых при посредстве гидротехнич. сооружений.
Изменения, вносимые в режим стока, заключаются в
перераспределении его между годами и сезонами в результате
работы регулирующих водохранилищ, в изъятии из рек воды
для водоснабжения, обводнения и орошения, в переброске
части стоков в др. бассейны, в потере воды путем испарения с
водной поверхности водохранилищ. На режим речного стока
влияют также агро- и лесотехнич. мероприятия, проводимые в
водосборах,- распашка целины, поперечная пахота,
снегозадержание, вырубка лесов, лесонасаждение и др. Сток в
широком смысле - это главный элемент материкового звена
глобального круговорота вещества и энергии. Сток включает
поверхностную и подземную части. Поверхностный сток, в свою
очередь, состоит из речного стока и стока льда покровных
ледников.
Речной сток включает сток воды, сток наносов, сток растворенных
веществ и сток теплоты.

21.

Сток воды (водный сток) - это одновременно и процесс стекания воды в
речных системах и характеристика количества стекающей воды. Сток
воды - один из важнейших физико-географических и геологических
факторов; изучение стока воды - главная задача гидрологии суши.
Называть сток воды «жидким стоком» не рекомендуется.
Сток наносов - это процесс перемещения наносов в речных системах и
характеристика количества перемещающихся в реках наносов. Сток
наносов состоит из стока взвешенных наносов (наносов, переносимых
в толще речного потока во взвешенном состоянии) и стока влекомых
наносов (наносов, переносимых потоком по речному дну во
влекомом состоянии). Сток наносов называть «твердым стоком» не
рекомендуется.
Сток растворенных веществ - это процесс переноса в речных системах
растворенных в воде веществ и характеристика их количества.
Растворенные в речных водах вещества - это ионы солей, биогенные
и органические вещества, газы и др. Иногда сток растворенных
веществ называют ионным стоком или стоком солей (при этом
имеется в виду лишь сток растворенных минеральных веществ).
Сток теплоты (тепловой сток) - это процесс переноса вместе с
речными водами теплоты и его количественная характеристика .

22.

Объем стока воды - это объем воды, прошедшей через
данное поперечное сечение речного потока за какойлибо интервал времени. Расход воды поэтому можно
считать объемом стока воды за 1 с.
Объем стока воды рассчитывают по формуле:W = Q *t
где W - объем стока, м 3 ; Q - средний расход воды за
интервал времени At (Q в м 3 /с, At в с). Для больших
рек W часто удобнее выразить в км 3 (особенно если
речь идет о годовых величинах). Слой стока - это
количество воды, стекающее с водосбора за какой-либо
интервал времени, равное толщине слоя, равномерно
распределенного по площади водосбора и
выраженного в миллиметрах. Эту величину удобно
представлять как количество воды, численно равное
толщине слоя, который получится, если объем стока за
какой-либо период равномерно распределить по
площади бассейна. В зависимости от единиц измерения
объема стока рассчитывается следующим образом:
где у - слой стока, мм; F - площадь бассейна, км 2

23.

Максимальные расходы воды. При проектировании плотин, мостов,
запаней, мероприятий по укреплению берегов необходимо знать
максимальные расходы воды. В зависимости от типа питания реки за
расчетный максимальный расход может быть принят максимальный
расход воды весеннего половодья или осеннего паводка. Расчетная
обеспеченность этих расходов определяется классом капитальности
гидросооружений и регламентируется
соответствующими нормативными документами.
Например, лесосплавные плотины Ill класса капитальности
рассчитываются на пропуск максимального расхода воды 2%-ной
обеспеченности, а IV класса - 5%-ной обеспеченности,
берегоукрепительные сооружения не должны разрушаться при
скоростях течения, соответствующих максимальному расходу воды
10%-ной обеспеченности.
Способ определения величины Qmax зависит от степени изученности
реки и от различия между максимальными расходами весеннего
половодья и паводка.
Если имеются данные наблюдений за период более 30...40 лет, то
строят эмпирическую кривую обеспеченности Qmax, а при меньшем
периоде - теоретическую кривую. В расчетах принимают: для
весеннего половодья Cs = 2Сv, а для дождевых паводков Cs = (3...4)CV.