Расходование воды в бассейне реки

Поступающие на поверхность бассейна реки осадки частично стекают в виде поверхностного и подземного стока, а частично расходуются на испарение и инфильтрацию. Все эти составляющие формируют приходные и расходные части уравнения баланса воды в бассейне реки:

X + Y₁ + W₁ + Z₁ = Y₂ + W₂ + Z₂ ± ∆U,

где X – атмосферные осадки (жидкие и твердые), Y₁ – поверхностный приток воды (естественный и искусственный), W₁ – подземный приток воды (естественный и искусственный), Z₁ – конденсация водяного пара, Y₂ - поверхностный отток воды (естественный и искусственный), W₂ – подземный отток воды (естественный и искусственный), Z₂ – испарение (с поверхности воды, снега и льда, почвы; растениями - транспирация), ∆U – изменение объема воды в пределах бассейна (при увеличении количества воды > 0, а при уменьшении количества воды < 0). Единицами измерения членов уравнения баланса являются либо величина слоя (мм, см, м), либо объемные (м³, км³).

Во многих случаях возможны упрощения уравнения водного баланса. Например, можно не учитывать конденсацию, а для больших бассейнов нередко не учитывают подземный приток и отток (их величины значительно меньше других составляющих) или считают их равнозначными. В результате при осреднении за длительный период, когда изменением объема воды в пределах бассейна можно пренебречь, уравнение водного баланса записывают в упрощенном виде:

X = Y + Z

Это уравнение водного баланса речного бассейна для многолетнего периода формулируется так – осадки равны стоку плюс испарение.

Величина испарения зависит от радиационного баланса и характера испаряющей поверхности. Общая испаряемость (Z₀) – это потенциально возможное, не лимитируемое запасами воды испарение в данном месте при существующих атмосферных условиях. В условиях арктического, субарктического и антарктического, а также частично умеренного и экваториального климата осадки превышают возможное испарение, поэтому здесь располагаются области с избыточным увлажнением, а индекс «сухости» (по М.И. Будыко) - Z₀/Х < 0,45. Арктические пустыни, тундры, лесотундры, альпийские луга, тайга характеризуются достаточным увлажнением - Z₀/Х = 0,45-1,00. В условиях субтропического, тропического климата недостаточным увлажнением - Z₀/Х = 1,00-3,00 характеризуются лесостепи и ксерофитные субтропические ландшафты. А в условиях пустынь и полупустынь Z₀/Х > 3,00.

К испаряемости по своей величине близко испарение с водной поверхности. Оно тем больше, чем меньше влажность воздуха и больше скорость ветра. Величина годового испарения с водной поверхности зависит от природной зоны и в среднем равна: в тундре 200-350 мм, в лесной зоне 350-650, в степной зоне 650-1000, в полупустыне и пустыне 1000-1800 мм. Эти величины и составляют потери речного стока на испарение с поверхности рек, озер, водохранилищ, каналов. Расчет испарения с водной поверхности осуществляется с помощью уравнения водного или теплового баланса (если известны остальные переменные), а так же с помощью эмпирических формул. Например, по формуле Б.Д. Зайкова:

Z = 0,14*n*(e ₀ – e ₂₀₀)*(1 + 0,72 W ₂₀₀),

где Z - испарение в мм, e ₀ - среднее значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды, e ₂₀₀ - средняя упругость водяного пара (абсолютная влажность воздуха) на высоте 200 см над водоемом в гПа (мбар), W ₂₀₀ – скорость ветра на высоте 200 см в м/с, n – число суток в расчетном периоде. Разность упругостей водяного пара (e ₀ – e ₂₀₀) может быть заменена величиной, пропорциональной дефициту влажности воздуха cD ₂₀₀.

Испарение с поверхности льда и снега зависит от тех же факторов, что и с водной поверхности, но вследствие низкой температуры испаряющей поверхности значительно менее интенсивно и составляет 20-30 мм за зиму.

Испарение с поверхности почвы, не покрытой растительностью определяется не только метеорологическими факторами, но и интенсивностью поступления воды к поверхности почвы по капиллярам из более глубоких зон грунта. При этом испарение осуществляется не только с поверхности почвы, но и из «капиллярной каймы». Испарение с поверхности почвы обычно, тем больше, чем больше влажность почвы, дефицит влажности воздуха и скорость ветра. Оно возрастает после дождей и при повышении уровня грунтовых вод.

Физиологическое испарение растительным покровом включает три стадии: поглощение влаги корневой системой (десукция), подъем воды по стволу растения и испарение с поверхности листьев (транспирация). С увеличением проникновения корневой системы, увеличением густоты растений и размеров листьев транспирация увеличивается. За вегетативный период растения могут испарять значительные объемы воды. Так, годовой слой испарения для пшеницы составляет 250-300 мм, березы 150-200, хвойных деревьев 150-300 и т.д.

В среднем физиологическое годовое испарение в природных зонах России составляет: тундра и лесотундра – 100-300 мм, лесная зона – 300-500, лесостепь и степь – 500-300, полупустыня – 300-150 мм.

Объем стока – это объем воды, прошедшей через данное поперечное сечение речного потока за какой-либо интервал времени. Он определяется по формуле:

W = Q * ∆t,

где W – объем стока в м³ (км³), Q – средний расход воды за интервал времени ∆t (м³ или км³ в секунду, сутки и т.д.). Иногда количество воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени выражают через толщину слоя воды (y) равномерно распределенной по всей площади водосбора (F):

y = W(м³)*10^-3/F = W(км³)*10⁶/F,

где y в мм, а F в км².

Модуль стока воды – это количество воды, стекающее с единицы площади водосбора в единицу времени. Модуль стока воды обозначают через М л/(с*км²) и рассчитывают по формуле:

М = Q*10³/F,

где Q – любой расход воды за интервал времени t.

Коэффициент стока – отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора атмосферных осадков, обусловивших возникновение стока:

A = y/x = Y/X.

Здесь y и x в мм, а Y и X в м³ или км³, поэтому коэффициент стока величина безразмерная, изменяющаяся от 0 до 1. Для бассейнов больших хорошо изученных рек эти показатели рассчитаны за многолетний период и представлены в картографическом виде в специальных справочниках. Их можно брать за основу при отсутствии данных по конкретным фрагментам бассейнов для более детальных расчетов.