Водный баланс озера уравнение и структура водообмен в озере (6 видео)

Уравнение водного баланса и водный режим озер

Приходной частью уравнения водного балансалюбого озера являются атмосферные осадки х (мм), поверхностный приток у_пр (м 3 ), подземный приток w_np (м 3 ). Поверхностный приток может быть естественным (речной сток), так и антропогенным (сброс отработанных вод, например возвратных вод орошения, а также промышленных и коммунальных стоков ).

Составляющие расходной части уравнения водного баланса сточного озера– это поверхностный сток из озера у_ст (м 3 ), подземный отток (фильтрация) из озера w_от (м 3 ), испарение с поверхности озера Z (мм). Поверхностный отток складывается из стока вытекающей из озера реки и искусственного водозабора на хозяйственные нужды (на орошение, водоснабжение и т.д.). Изменение объема воды в озере за расчетный период равно , где и запасы воды в конце и в начале периода (м 3 ).

Уравнение водного баланса озера представим в следующем виде:

(1000 х + у_пр + w_np ) – (у_от + w_ст + 1000 Z ) = , (3.32)

где – площадь поверхности озера (км 2 ), средняя за расчетный период. Напомним, что осадки и испарение в уравнении водного баланса выражены в мм слоя воды.

Для бессточного озера в уравнении водного баланса следует положить у_от = 0.

Изменение объема воды за расчетный период можно выразить через изменение уровня воды в озере (Н₁ и Н₂ – уровни воды в конце и в начале периода) по формуле

Подставив это выражения в уравнение (3.32) и решая его относительно Н₂, получим

. (3.33)

Таким образом, зная ход во времени элементов водного баланса озера, можно рассчитать уровень воды в конце расчетного периода.

Кроме того, зная ход уровней воды, можно рассчитать одну из неизвестных составляющих водного баланса, выразив ее из (3.33), если все остальные составляющие известны.

Режим колебаний уровня воды в озерах определяется временными колебаниями элементов водного баланса. Из уравнения (3.33) следует, что при прочих равных условиях амплитуда колебаний уровня уменьшается при увеличении площади водной поверхности озера.

Вековые и многолетние колебания уровня наиболее заметны у бессточных озер, находящихся в засушливых районах (Каспийское и Аральское моря, оз. Балхаш и др.). Объясняется это тем, что в засушливые периоды в озеро поступает мало стока и осадков, а потери на испарение наибольшие, тогда как во влажные периоды, наоборот, поступление стока и осадков на поверхность озера увеличивается, а потери на испарение уменьшаются.

Сезонные колебания уровня озер.Эти колебания уровня также в основном связаны с изменениями составляющих водного баланса озер. Повышение уровня озер происходит в периоды повышенного притока вод в озера, определяемые типом внутригодового режима речного стока. Так, в озерах умеренного пояса подъем уровня отмечается в период снегового половодья на реках. Озера, питающиеся водами рек, текущих с ледников (Иссык-Куль, Телецкое), имеют максимум уровня во вторую половину лета (рис. 3.23).

Кратковременные колебания уровня озер обусловлены сгонно-нагонными явлениями: воздействие ветра вызывает повышение уровня воды у наветренного берега (нагон), и понижение уровня воды у подветренного (сгон).

Также они могут быть обусловлены колебаниями атмосферного давления в разных частях озера, или резкими скачками величины и направления ветра, вызывающими сейши – стоячие волны с периодом колебаний от нескольких минут до десятков часов.

Рис. 3.23. Типичные графики сезонных колебаний уровня озер Телецкого (1), Плещеева (2), Ладожского (3) (I–XII – месяцы).

Дата добавления: 2016-02-10 ; просмотров: 2706 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Содержание

ВОДООБМЕН ОЗЁР И ВОДОХРАНИЛИЩ
ПРОЦЕССЫ ВНЕШНЕГО ВОДООБМЕНА
Водный баланс озер
📹 Видео

Видео:Озера, водохранилища, болота. Видеоурок по географии 8 классСкачать

ВОДООБМЕН ОЗЁР И ВОДОХРАНИЛИЩ

Видео:105 Классификация озер по характеру водного балансаСкачать

ПРОЦЕССЫ ВНЕШНЕГО ВОДООБМЕНА

Вследствие глобального водообмена практически в каждой замкнутой форме рельефа суши происходит накопление атмосферных осадков и возникновение водоёма. Часть осадков выпадает на поверхность водоёма, а другая часть — на поверхность его водосбора, откуда она стекает в водоём в виде поверхностно-склоновых, русловых и подземных вод тех водоносных слоёв грунтовой толщи водосбора, которые выклиниваются в озёрной котловине (рис. 3.1) или в ложе водохранилища.

Как только в котловине появляется водная поверхность, возникает еще пара одновременно идущих процессов внешнего водообмена на водной поверхности: испарение воды и её конденсация из атмосферных водяных паров. Но интенсивность этих двух процессов различна и сильно изменяется в зависимости от термодинамических условий на границе вода-атмосфера. В периоды, когда скорость потери испаряющейся воды с её поверхности больше скорости её возникновения из пара, составляющую внешнего водообмена называют испарением, и выражают в слое воды в единицу времени (мм/сут или мм/год), ушедшей в атмосферу. В другие периоды, когда преобладает скорость поступления влаги из воздуха — эта составляющая называется конденсацией и вычисляется в таких же единицах.

Рис. 3.1. С хема формирования водных ресурсов озера (У) и его водосбора (2). Р_в и Е_в— выпадение осадков на водосбор и испарение воды с него; Inf- инфильтрация воды в фунты; Р₀ и Е₀ — осадки на озеро и испарение с него; К- приток воды с водосбора и Y- сток се из озера; водоносный горизонт (3), вскрытый профундалью (4)

Соотношение скоростей всех процессов внешнего водообмена водоёма в гидрологии принято характеризовать уравнением его водного баланса за некоторый период времени. В наиболее общей форме осредненный за многолетний период годовой водный баланс водоёма рассчитывается обычно в объёмных единицах, в км 3 /год или млн. м 3 /год, и имеет вид:

где V — суммарный объём руслового, склонового и подземного стока воды с водосбора в водоём, Р₀ — объём выпавших на водоём атмосферных осадков и ?о — объём испарившейся с него воды. Как правило, за год с любого водоёма количество испарившейся воды многократно превышает объём сконденсировавшейся влаги, поэтому конденсация в уравнении не учитывается. В некоторых озёрах, расположенных в местности с неровным рельефом, может иметься еще одна расходная составляющая внешнего водообмена — фильтрация воды из озерной чаши в водоносные слои грунтовой толщи на склонах, но обычно её скорость неизвестна.

В зависимости от размеров озёрной котловины, размеров её водосбора, географического местоположения такой природной системы возникает один из трёх вариантов соотношения интенсивности составляющих внешнего водообмена, т. е. одна из трёх структур внешнего водообмена водоёма.

Первый вариант может быть такой, что суммарный приход воды за многолетний период меньше, чем величина её испарения с водной поверхности:

Такая структура водного баланса характеризует условия существования пересыхающего озера. В многоводные гидрологические фазы стока приход воды больше её расхода на испарение, и вода в котловине накапливается, а в маловодные фазы испарение настолько велико, что вода полностью испаряется.

Второй вариант соотношения компонент внешнего водообмена:

Это — уравнение водного баланса бессточного озера. В относительно очень крупной котловине в многоводные периоды уровень воды повышается, а в маловодные — снижается из-за испарения, превышающего приход воды в котловину. Самое крупное такое озеро — Каспийское море.

Существенно то, что в многоводные фазы речного стока, чем выше поднимется в котловине уровень воды, тем больше увеличится площадь водной поверхности, с которой испаряется вода, тем больший объём ее испарится. В маловодные фазы, когда мал приход воды, и велико испарение, понижение уровня ведет к сокращению площади испаряющей водной поверхности, что тормозит сокращение запаса воды в водоёме. Таким образом, форма озёрной котловины служит стабилизирующим фактором колебаний уровни и запаса воды в водоёмах. Чем более она подобна распластанному конусу и даже сверхконусу, тем меньше, при прочих равных условиях, размах колебаний запаса воды в водоёме и уровня воды в нём. Тем более устойчива его экосистема к межгодовым колебаниям гидроклиматических условий, определяющих интенсивность внешнего водообмена в континентальном водоёме.

Третий вариант структуры водного баланса водоёма возникает тогда, когда приход воды в котловину существенно больше величины испарения V+ Р₀ »? Если величина притока очень большая, уровень воды в котловине повышается, несмотря на увеличение испаряющей площади водной поверхности. И наступает момент, когда уровень воды в водоёме, поднимаясь, превысит минимальную высотную отметку водораздела котловины. В этом месте вода начинает переливаться в соседний водосбор, формируя исток озёрной реки. В структуре водного баланса озера появляется вторая расходная составляющая — сток воды Y:

Это- уравнение водного баланса сточного озера. Такова структура внешнего водообмена и проточного озера. Его так называют, если оно сравнительно невелико, а среди его притоков имеется одна крупная река, сохраняющая обычно свое название и в истоке из озера. Например, проточные озера Стерж, Вселуг, Пено и Волго в верхнем течении Волги.

В сточных озёрах, наряду с морфометрическим, возникает второй стабилизирующий фактор — гидравлический, ограничивающий в них размах колебания уровня воды. Исток озёрной реки в гидравлическом отношении представляет собой порог природного водослива. Величина расхода воды, стекающей через него, есть функция высоты уровня Н над порогом и формы поперечного сечения водослива:

где и — показатель степени, характеризующий изогнутость параболы Q = /(//). Чем выше поднимается уровень воды в сточном озере, тем больше её расход в истоке реки. Причем скорость увеличения расхода при подъёме уровня возрастает от водослива прямоугольного профиля (л = 3/2) к водосливу в виде полуокружности (/? = 2) и ещё больше, если водослив — треугольной формы (п = 5/2).

И именно эти два стабилизирующих фактора — морфометрический и гидравлический, связанный с формой русла в истоке озерной реки, — приводят к тому, что как бы ни были велики колебания интенсивности приходных составляющих и испарения во внешнем водообмене, устанавливается в конце концов равновесие между приходом и расходом воды в озере. Чем выше растет уровень, тем сильнее увеличиваются и испарение, и сток из озера. Поэтому в котловине любой формы, независимо от се размера, обязательно в многолетний период с относительно неизменным климатом наступит момент равновесия приходных и расходных частей водного баланса.

При установившемся равновесии внешнего водообмена в озере устанавливается и высотная отметка уровня воды, некоторая средняя для многолетнего периода, в течение которого имеется равенство осредненных за тот же период приходных и расходных компонент водного баланса. Такой водный баланс называется равновесным при соответствующем ему уровне равновесия (иногда его называют уровень тяготения).

В многоводный и маловодный годы в сточном озере происходит только понижение или повышение его уровня относительно уровня равновесия. Причем отклонения от него сравнительно небольшие благодаря двум стабилизирующим факторам, регулирующим интенсивность двух процессов расхода воды из озера. Не может быть бесконечного наполнения озёрной котловины, а её осушение возможно только в аридных районах вследствие природных условий, при которых величина испарения с водной поверхности существенно больше, чем увлажнение территории водосбора.

Таким образом, равновесный уровень и равновесный водный баланс — это некая модель озёрной экосистемы, которая характеризует интенсивность и структуру внешнего водообмена при гидроклиматических условиях того или иного многолетнего периода. Это свойство озёрного водного баланса — в течение некоторого многолетнего периода быть относительно равновесным — впервые использовал Воейков [1] для оценки средней годовой величины испарения воды с Каспия. Для этого им были использованы данные гидрометрических наблюдений за стоком Волги и за атмосферными осадками на побережье Каспия. Этот расчет им сделан в 1884 г., за год до лондонского конгресса, на котором были сформулированы задачи лимнологии.

Внешний водообмен любого водоёма суши состоит из вертикальных и горизонтальных компонент. Вертикальные компоненты — это осадки, выпадающие на водную поверхность, и испарение, т. с. водообмен водоёма с атмосферой. Горизонтальные составляющие — приток и сток воды из озера — это водообмен водоёма в составе гидрографический системы. Чтобы разделить эти структурные компоненты внешнего водообмена, часто уравнение водного баланса сточного водоема представляют:

где V — У — разность суммарного притока воды и её стока, в км/год, (z — х)- разность средних годовых слоёв испарения воды z с водоема и атмосферных осадков х, в мм/год, на его поверхность площадью F₀, в км», изменяющуюся в зависимости от отметки уровня (Я). При этом разность интенсивности вертикальных составляющих внешнего водообмена называют видимое испарение. В гумидных регионах, где годовой слой осадков больше, чем слой испарения с водной поверхности, видимое испарение имеет отрицательное значение.

Видео:Подземные водыСкачать

Водный баланс озер

Составляющими приходной части уравнения водного баланса любого озера служат атмосферные осадки х, поверхностный приток уповр, конденсация водяного пара на поверхность озера zконд, подземный приток wпр. Поверхност- ный приток может быть как естественным (речной сток упр), так и антропоген- ным (сброс отработанных вод, например возвратных вод орошения, а также промышленных и коммунальных сточных вод, ycбp).

Составляющие расходной части уравнения водного баланса сточного озе-

ра – это поверхностный отток из озера упов.ст, подземный отток (фильтрация) из озера wcт, испарение с поверхности озера zисп. Поверхностный отток складыва- ется из стока вытекающей из озера реки и искусственного водозабора на хозяй- ственные нужды увдзб (на орошение, водоснабжение и т. д.). Изменение запасов воды в озере обозначается через ± Du.

Исходя из общего уравнения водного баланса любого водного объекта и учитывая принятые обозначения, уравнение водного баланса сточного озера принимает вид:

х + у пр + y c6p + z ко нд + w пр = у ст + у вдзб + z ис п + w c т ± D u.

Для бессточного озера уравнение водного баланса будет таким же, но только без члена уст в расходной части.

Как и для других водных объектов, члены данного уравнения относят к

некоторому интервалу времени Dt (месяц, год, в среднем за несколько лет и т. д.) и выражают либо в величинах слоя (м, см, мм), либо в объемных едини- цах (км3, м3).

При представлении членов уравнения в объемных единицах используют заглавные буквы и изменение запасов воды в озере (±DU) понимают как изме- нение объема воды в озере (±DV) за интервал времени Dt.

Если же члены уравнения заданы в величинах слоя, то ±Du – это не что иное, как изменение уровня воды в озере (т. е. ±DН) за тот же интервал времени Dt.

Для озер изменения уровня (а также слоев стока, осадков, испарения)

обычно задают в сантиметрах. Тогда пересчет изменения объема озера DV в изменение его уровня осуществляют по формуле:

DV − в км3; F − в км2

Когда сумма приходных членов уравнения превышает сумму расходных,

то Du >0, и объем вод в озере увеличивается (DV >0), а его уровень повышается

(DН >0); когда же приходная часть уравнения меньше расходной, то Du Zоз, у озер второй группы Yст Xоз), нейтральные (Н), когда Yпр

Xоз, и дождевые (Д), если осадки преобладают над притоком (Yпр