Составляющие водного баланса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Происхождение и значение воды на Земле

Земля по обводненности является уникальной планетой в Солнечной системе. Эта особенность обусловлена наличием внешней, хотя и прерывистой, водной оболочки - гидросферы. В Западной Гренландии встречаются древнейшие архейские породы в виде осадков, имеющие возраст около 3,8 млрд. лет. Отложение осадков в то время свидетельствует о происходящих процессах эрозии и существовании океанов и материков. Т. е. гидросфера Земли сформировалась около 4 млрд. лет назад.

Существующие гипотезы о происхождении воды на Земле разделяются в основном на две группы. Одни из гипотез допускают наличие уже готовых молекул Н₂О в исходном материале газопылевого облака, из которого образовалась Земля. Подтверждением данного положения служат современные метеориты, содержащие молекулы Н₂О в количестве в среднем 0,5% (по массе).

По другим гипотезам вода образовалась из первичных водорода и кислорода после конденсации газопылевого материала и образования протопланеты - Земли. Впоследствии в процессе дифференциации вещества на геосферы в условиях повышенных температур происходила дегазация недр Земли, миграция водорода и кислорода к периферии и в результате соответствующих физических и химических процессов образовались молекулы Н2О.

Значение воды. Гидросфера составляет всего лишь незначительную часть (1/4300) от массы Земли, но без воды наша планета была бы совсем другой. Значение воды на Земле огромно и многогранно. Академик В.И. Вернадский так определил значение воды: "Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических процессов. Нет земного вещества - минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Всё земное вещество … ею проникнуто и охвачено".

Вода является составной и необходимой частью окружающей среды. Она создает условия для существования всего живого на нашей планете и прежде всего человека. Ни один организм не может существовать без нее, в то время как без воздуха (кислорода) жизнь возможна (анаэробные организмы).

Всё живое вещество нашей планеты на 2/3 состоит из воды. На углерод живого вещества приходится лишь 10%, а 90% падает 1102 „на водород и кислород, как составные компоненты воды. На первом месте в биосфере как по массе, так и по степени вырабатываемой ими энергии стоят микроорганизмы. На второе место можно поставить многоклеточные растения, животных и на последнее - человека. Бактерии на 81% состоят из воды, а их споры на 50%. В тканях растений воды содержится до 70-90%, а у некоторых водорослей и у медузы оно достигает 96-98%. Ткани человека содержат до 70% воды, кровь даже 79, а лимфа 96%.

Вода является структурной и функциональной основой всех живых существ. Она создает среду, в которой протекают все физиологические реакции в масштабе отдельной клетки и все процессы обмена веществ в масштабе организма. Вода, как химическое вещество, принимает непосредственное участие в биохимических процессах, важнейшим из которых является фотосинтез.

При фотосинтезе из углекислого газа и воды образуются органические вещества, необходимые многим живым организмам. В результате фотосинтеза ежегодно на Земле образуется около 150 млрд. т органического вещества, усваивается 300 млрд. т СО₂ и выделяется около 200 млрд. т свободного О2. Благодаря фотосинтетической деятельности первых зеленых организмов в первичной атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции. При отсутствии фотосинтеза весь запас кислорода атмосферы был бы использован приблизительно за 100 лет. Это указывает на жесткую необходимость всемерной охраны растительности Земли.

Растения извлекают из почвы огромное количество воды, из которого лишь 0,15-0,20% усваивается. Остальная часть воды только проходит через растение, поддерживая его ткани в увлажненном состоянии, и после извлечения из нее необходимых питательных веществ испаряется через листья (процесс транспирации). Вода регулирует температуру растения и, благодаря потерям тепла на испарение, предохраняет его от перегрева.

Все процессы, происходящие в клетках животных организмов, немыслимы без присутствия в них воды. В кровь человека и животных питательные вещества поступают через стенки пищеварительной системы только в виде водных растворов. Расщепление белка и крахмала ферментами желудочного сока идет также только в воде. Посредством воды из организма выводятся вредные вещества. Испаряясь с поверхности кожи, вода регулирует температуру тела.

Потери даже небольшого количества воды отрицательно сказываются на жизнедеятельности организмов. При недостатке влаги в почве растения увядают и потом отмирают. Человек выживает, потеряв даже 40% массы при голодании, но потеря только 10% массы тела в результате лишения воды влечет за собой тяжелые нарушения жизненных функций организма, а потеря 20-22% массы тела - смерть.

Большое значение в формировании гидрологического и гидрогеологического состава окружающей среды имеет исторически сложившийся на нашей планете мировой круговорот влаги.

Благодаря высокой теплоёмкости и подвижности, вода активно участвует в формировании климата в глобальном масштабе. Атмосферная вода в сочетании с другими факторами выполняет крупную энергетическую задачу, осуществляя тепло- и массоперенос из одних широт в другие, в частности посредством циклонов. Если бы не было циклонов и антициклонов, то в тропиках наблюдалась бы невыносимая жара, а в высоких широтах - невыносимый холод. Повышенная влажность воздуха снижает вероятность заморозков и тем самым защищает растения от их губительного воздействия.

Аналогичную работу в планетарном масштабе выполняют воды Мирового океана путем теплых и холодных океанических течений.

Так, теплое течение Гольфстрим, переходящее за 40° СШ в Северо-Атлантическое, оказывает заметное влияние на климат Европы, в том числе и на климат Беларуси. Благодаря Гольфстриму, российский порт Мурманск не замерзает, хотя и расположен за полярным кругом.

Вода на Земле производит огромную геологическую работу, включающую процессы выветривания и эрозии. На материках поверхностный и подземный сток дождевых и талых вод вызывает механическую и химическую эрозию - разрушение горных пород. Даже дождевые капли обладают значительной потенциальной энергией.

Подсчитано, что энергия продолжительного ливня составляет около1013 Дж и сравнима с энергией взрыва атомной бомбы, но энергия ливня освобождается постепенно, а не мгновенно. Водными потоками с поверхности суши ежегодно сносится около 10 км3 только твердого материала. Т. е., посредством деятельности природных вод обеспечивается перераспределение химически растворенных и твердых веществ на Земле.

Вода всегда оказывала существенное влияние на формирование человеческой культуры и развитие цивилизации, значительно больше, чем все другие природные ресурсы нашей планеты. Реки и озера во всех странах мира всегда играли важную роль в размещении производительных сил городов. Не только крупные города, но и любое поселение человека всегда создается на том месте, где есть питьевая вода, будь это река или выход подземных вод на дневную поверхность в виде родников.

Вода широко используется во всех сферах человеческой деятельности. Без воды невозможно производство продуктов промышленности и сельского хозяйства. Так, для выплавки 1 т чугуна необходимо 200 т воды, алюминия - 120, меди - 5000 т. Для производства 1 т хлопчатобумажной ткани используется 250 т воды, а синтетического волокна - до 5000 т. Тепловая электростанция и современный крупный металлургический комбинат потребляют 2 млрд. т воды в год.

В районах недостаточного или неравномерного увлажнения для эффективного ведения сельского хозяйства необходимы полив или искусственное орошение полей, на которое также затрачивается большое количество воды. Вода необходима при гидропонном выращивании растений и в теплицах, а также при содержании сельскохозяйственных животных. Большое количество поверхностной и подземной воды расходуется для водоснабжения. Так, в Беларуси на одного городского жителя расход воды в сутки составляет 200-300 л, а в сельской местности - 100-150 л.

Речные потоки обладают огромными запасами гидроэнергии, для использования которых строятся гидроузлы с крупными водохранилищами.

Океаны, моря и другие водные объекты широко используются в качестве транспортных путей. Транспортировка грузов по крупным рекам обходится в 1,5-2 раза дешевле, чем по железным дорогам, и в 23-25 раз дешевле, чем на автомашинах.

Водные объекты являются источниками многочисленного сырья, используемого для получения пищевых продуктов и промышленных товаров. Среди водных объектов особо выделяется Мировой океан, обладающий огромными биологическими (рыба, моллюски, ракообразные, водные растения), энергетическими (использование энергии приливов) и минеральными (химические элементы, растворенные в воде, полезные ископаемые на поверхности дна и под морским дном) ресурсами, а также имеющий большое значение для судоходства.

Наконец, водные объекты, особенно в сочетании с лесными угодьями, обладают высоким рекреационным потенциалом, т. е. имеют большое социальное значение.

Свойства водных объектов в их естественном состоянии (количество воды, его распределение по сезонам, глубины и др.) не всегда удовлетворяют запросы человека. Поэтому широко проводятся мероприятия по преобразованию водных объектов путем строительства плотин, дамб, создания водохранилищ, устройства каналов и т. д.

2. Составляющие водного баланса

вода осадок сток

Составляющими водного баланса являются испарение, атмосферные осадки и сток.

Испарение в уравнении водного баланса представлено суммарным испарением (синоним - эвапотранспирация), состоящим из физического и физиологического испарения. Физическим путем влага испаряется из толщи почвы, с ее поверхности и с поверхности растительности. Физиологическое испарение, или транспирация, является неотъемлемой частью жизнедеятельности растений. При этом растения корневой системой поглощают почвенную влагу, которая по сосудам проходит через растение и в конечном итоге испаряется в атмосферу через многочисленные особые образования - устьица, расположенные преимущественно в листьях.

Как следует из уравнения водного баланса суши земного шара, посредством испарения в атмосферу в виде паров воды возвращается в среднем около 2/3 выпавших атмосферных осадков. Если для периферийной части суши земного шара испарение составляет 66%, то для территории Беларуси эта величина несколько больше (около 75%).

Испарение, как результат теплового движения молекул, определяется температурой воды, температурой и давлением водяных паров над ее поверхностью.

С поверхности хорошо прогреваемых участков почвы, насыщенной влагой, или с поверхности луж скорость испарения примерно на 50% выше, чем с более холодной поверхности водоема глубиной в несколько метров. Также в количественном выражении на испарение влияет ветер. Он способствует замещению относительно насыщенного парбми воздуха у водной поверхности менее насыщенным. При скорости ветра 20 м/с скорость испарения увеличивается примерно в 1,5 раза по сравнению с безветрием.

Данные, полученные при измерении скорости испарения с суши и водоемов, показывают, что, как правило, 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 залегания грунтовых вод, гранулометрического состава и структуры грунта. Строение грунта влияет на скорость испарения двояко. Крупные зерна грунта способствуют испарению за счет лучшей вентиляции пор. Но одновременно уменьшается капиллярный подъем влаги от грунтовых вод и, кроме того, меньше суммарная площадь зерен, с которой происходит испарение.

В бассейнах рек соотношение площади суши и площадей водных объектов, находящихся в пределах того или иного бассейна, может быть различным. Обычно площадь суши во много раз больше. Поэтому в уравнении многолетнего водного баланса бассейна общий объем испарения с суши оказывается определяющим по сравнению с испарением с водной поверхности.

Сопоставление различных бассейнов и более обширных территорий суши показывает, что изменчивость перечисленных выше факторов, влияющих на испарение, приводит к многократным изменениям как самого испарения, так и стока. Весьма показательным в этом отношении является следующий пример. В районе Киева и Санкт- Петербурга выпадает примерно одинаковое количество атмосферных осадков. Однако за счет разницы в температурном режиме испарение в районе Киева значительно выше и среднегодовой сток в 3 раза меньше, чем в районе Санкт-Петербурга.

Испарение происходит также с поверхности снега и льда. При этом скорость испарения подчиняется общему правилу: чем больше выражен дефицит влажности воздуха над поверхностью снега и льда, тем сильнее происходит испарение.

В целом для земного шара распределение испарения имеет зональный характер, что связано с температурным режимом. В экваториальных районах Мирового океана, где наблюдаются повышенные температуры, за год испаряется слой воды толщиной 62 м, с поверхности Средиземного моря - 1,5 м, с водной поверхности водоемов лесной зоны - около 0,5 м, а в зоне тундры - лишь 0,25 м.

Величина физиологического испарения зависит от типа растительности. Под лесами в целом за год на долю транспирации приходится от 50 до 60% суммарного испарения, а под травянистой растительностью (луга) при одинаковой теплообеспеченности - от 40 до 50%. Кроме того, суммарное испарение под лесами примерно на 12% больше, чем под травянистой растительностью. Как следует из уравнения водного баланса, обладая повышенным испарением, леса уменьшают сток. Однако под лесами почти не наблюдается поверхностного стока и, следовательно, отсутствует эрозия. Леса способствуют инфильтрации влаги атмосферных осадков в почвогрунты, т. е. по сравнению с безлесными территориями увеличивают подземную составляющую стока, что в конечном итоге благоприятно сказывается на водности рек особенно в засушливые периоды при недостатке атмосферных осадков. Поэтому леса, как установлено, имеют большое водоохранное значение, защищая реки и другие водные объекты от загрязнения и регулируя их водность.

Атмосферные осадки - это часть водяных паров атмосферы, выпадающая после конденсации в виде дождя, снега, града и др. При равномерном распределении по территории суши земного шара среднегодовой слой осадков составляет 723 мм. Однако выпадающие осадки распределяются по отдельным районам крайне неравномерно.

Даже на территории Беларуси, относящейся к зоне достаточного атмосферного увлажнения, в южной части выпадает в год от 550 до 600 мм осадков, на преобладающей территории - 600-650 мм, а на некоторых возвышенностях - достигает 700 мм и больше.

Наибольшее количество осадков, если рассматривать в целом земной шар, выпадает в южном предгорьи Гималаев (местечко Черапунджа, Индия) - в среднем ежегодно 12 000 мм, а в 1947 г., как самом дождливом, их количество составило даже 24 326 мм. На Гавайских островах в Тихом океане, расположенных на широте северного тропика, среднегодовое количество осадков достигает 10 000 мм. Повышенным количеством осадков (от 1000 до 5000 мм в год) характеризуется бассейн Амазонки.

Самым засушливым местом на земном шаре является пустыня Атакама, находящаяся в Южной Америке (Республика Чили) и простирающаяся длинной полосой вдоль западного побережья Тихого океана. Осадки в этой пустыне не выпадали уже свыше четырех столетий.

Количество осадков зависит от многих причин. Главные из них: удаленность территории от океанов и морей, направление господствующих ветров, рельеф местности, т. е. это причины, определяющие движение воздушных масс и насколько последние насыщены атмосферной влагой.

Как установлено, доля атмосферной влаги местного происхождения (испарения) в выпадающих осадках составляет не более 15%. Довольно ощутимое влияние на количество выпадающих осадков оказывает особенность территории. Так, над обширными лесными массивами осадков выпадает в среднем на 5-15% больше, чем над безлесными территориями. Примерно такое же влияние на количество выпадающих осадков оказывает заболоченность территории. Поэтому частые засухи, наблюдающиеся в последние годы в южной части Беларуси, объясняются не только общим потеплением климата на земном шаре, но и масштабным осушением болот в Полесье.

Помимо общего количества, осадки отличаются интенсивностью, продолжительностью и неравномерностью выпадения по времени и площади. Интенсивность осадков - это величина, равная количеству осадков, выпавших за единицу времени. Интенсивность выражается толщиной образовавшегося слоя воды (например, мм/мин). Существует следующая зависимость: интенсивность осадков, как правило, тем меньше, чем больше время их выпадения.

Для многих гидротехнических сооружений определяющими являются ливневые дожди. К ним относят осадки, интенсивность которых в течение периода выпадения от 5 мин до 24 час не ниже, чем 0,5- 0,04 мм/мин.

Важной характеристикой осадков является их распределение по времени. Неравномерность распределения зависит от климатических и морфологических особенностей местности и может колебаться в широких пределах. Характеристикой такой неравномерности обычно является внутригодовое распределение осадков. Для проектирования гидротехнических сооружений на реках с дождевым питанием необходимо знать именно внутригодовое распределение осадков. При пропуске стока с небольших водосборных бассейнов требуется знать распределение осадков в течение коротких периодов, например, суток.

В наших широтах при отрицательных температурах в зимний период выпадают твердые осадки, составляющие около 20% от годовой суммы. В связи с их накоплением на поверхности активное участие влаги этих осадков во влагообороте проявляется при снеготаянии. Интенсивность снеготаяния значительно меньше, чем дождей. Так, интенсивность дождя может достигать нескольких миллиметров в минуту, а интенсивность снеготаяния - нескольких миллиметров в час. Однако «залповое» освобождение влаги при снеготаянии увеличивает сток в уравнении водного баланса. Поэтому реки, например 5на территории Беларуси, после снеготаяния характеризуются повышенной водностью. В период снеготаяния и формирования половодья при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений определяющими факторами являются запас влаги в снежном покрове и его состояние, дружность и интенсивность снеготаяния.

Сток - это движение воды по поверхности земли (поверхностный сток) и в почвогрунтах (подземный). Он начинается с момента зарождения потоков и заканчивается их впадением в океаны и моря. На этом пути часть воды расходуется на суммарное испарение.

Характеристики стока определяются перечисленными выше особенностями испарения и выпадающих осадков. Сток сильно зависит от многих свойств поверхности той или иной территории. Впитываемость почвогрунтов определяет потери части осадков на просачивание (инфильтрацию). Чем выше уклоны склонов, дна оврагов и рек, чем сильнее территория изрезана русловой сетью оврагов и речной сетью, тем больше скорость стекания и максимальный расход стока.

Скорость стекания воды и ее количества находятся в обратной зависимости от густоты и высоты растительности, т. е. от ее гидравлического сопротивления. Но гидрологическая роль растительности шире. Кроны деревьев задерживают часть дождя и снега, которая потом испаряется, т. е. исключается из стока. Доля перехваченных кронами осадков в среднем для лиственных лесов составляет около 15%, а в еловых достигает 30%. Кроме того, растительность, в частности лес, способствует инфильтрации воды в почвогрунт, что снижает максимальные расходы воды путем поверхностного стока.

Распределение стока по времени зависит от степени естественной и искусственной зарегулированности: от наличия болот и проточных озер, водохранилищ, их размеров и расположения по территории. Чем выше зарегулированность, тем ниже максимальные расходы стока и больше его продолжительность.

Формирование стока зависит от интенсивности дождя, площади и длительности его выпадения, от свойств поверхности земли и подстилающих ее почвогрунтов: гранулометрического состава, структуры почвы и влажности ее отдельных слоев, рельефа, растительности и других особенностей. Различные сочетания перечисленных факторов могут менять параметры стока в широком диапазоне: от случаев, когда выпавший дождь не образует стока до катастрофических наводнений.

3. Характеристики стока

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

Объем стока (W) - это количество воды (км³, м³, л), учтенное за определенное время. Периодом учета могут быть сутки, месяц, год, отдельные периоды года и т.д.

Расход стока (расход воды, Q) - это количество воды, стекающее с определенной территории (например, бассейна реки) в единицу времени. Различают мгновенный и средний расход воды. Мгновенный, или секундный, расход воды характеризует водность реки в данный момент, а средний расход характеризует среднюю водность реки за какой-либо период и может быть многолетним, годовым, месячным, декадным и т. д. Измеряется чаще в м³/с; могут применяться другие единицы измерения (л/с, м³/сут, м³/год и др.).

Взаимосвязь между объемом и расходом выражается уравнением

W=Qt, (1)

где W - объем стока; Q - средний расход воды; t - время расчетного периода.

Модуль стока (q) - это количество воды, стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени. Выражается чаще всего в м³/с·км², а при малых величинах в л/с·га. Определяется по уравнению

q=Q/F, (2)

где F - величина водосборной площади, км² или га.

Слой стока (y, мм) - это объем стока с водосбора, равномерно распределенный по площади данного водосбора:

hст = 1000W/F, (3)

где hст - слой стока, мм; W - объем стока, м3; F - площадь водосбора,м²; 1000 - коэффициент для перевода метров в миллиметры.

Если объем стока измеряется в км³, то площадь водосбора должна выражаться в км², а переводной коэффициент километров в миллиметры будет равен 106.

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

з = y/x (4)

где y - величина стока; x - величина осадков.

Коэффициент стока показывает, какая часть осадков, выпадающих на ту или иную территорию, расходуется на образование стока.

Средняя многолетняя величина стока называется нормой стока. Вычислим характеристики стока для р. Амазонки и р. Березины. Известно, что объем стока Амазонки равен 7000 км3/год, а площадь бассейна - 7180 тыс. км2. Годовой объем стока р. Березины достигает 4,5 км3 при площади бассейна 24 500 км2. Если в году 365 сут, то количество секунд равно 31 млн. 536 тыс.

Используя уравнение (1), вычисляем среднегодовой расход Амазонки Q = W/t = 7000 км³ / 31 млн. 536 тыс. с = 222 тыс. м³/с.

По уравнению (2) модуль стока будет равен q = Q/F = 222 тыс. м³/с / 7180 тыс. км² = 0,03 м³/с·км² = 30 л/с·км².

По уравнению (3) вычисляем слой стока hст = W/F = 1 млн. Ч 7000 км³ / 7180 тыс. км² = 975 мм.

В бассейне Амазонки среднегодовое количество атмосферных осадков достигает 3000 мм. Согласно уравнению (4), коэффициент стока равен з = y/x = 975 мм / 3000 мм = 0,33.

Аналогичным образом определяем характеристики стока для Березины: Q = 142,7 м³/с; q= 5,8 л/с·км²; hст = 184 мм. При среднегодовом количестве атмосферных осадков 600 мм коэффициент стока для Березины составляет 0,31.

Размещено на Allbest.ru