Водные ресурсы земли и их формирование

Общий объем воды на земном шаре составляет около 1338 млн. км³. Основной ее запас (96,5 %) находится в Мировом океане. В жизни человека наибольшую ценность представляют пресные воды. Ледники и постоянный снежный покров содержат 24,1 млн. км³ пресной воды, т.е. около 69 % общих ее запасов. Свыше 50 % (10,5 млн.км³) пресной воды сосредоточено в почвогрунтах (подземные воды). Пресные озера России содержат около 28 тыс. км³ воды, из них 25 тыс. км³ в озере Байкал. Вода в болотах составляет около 12 тыс. км³, или 0,03% запаса пресных вод. Годовой сток рек нашей страны составляет 4720 км³ в год. В руслах рек России единовременно находится около 500 км³ воды.

Круговорот воды в природе. Вода в природе под влиянием солнечной радиации, вызывающей испарение, и силы земного притяжения совершает непрерывный круговорот (влагооборот) между гидросферой, почвой и атмосферой. Водяной пар поступает в атмосферу в результате испарения с водной поверхности и поверхности почвы, растительности, снежного и ледяного покрова, а также вследствие транспирации. В атмосфере непрерывно протекают процессы конденсации и сублимации водяного пара, образование облаков и перенос их воздушными массами. Из облаков при определенных условиях выпадает на поверхность земли вода в виде жидких (дождь) или твердых (снег) осадков.

Различают два типа влагооборота - большой и малый. Большой, или мировой, влагооборот захватывает обширные пространства, когда водяной пар, поднявшийся с поверхности океанов, переносится воздушными потоками на материки, выпадает там в виде атмосферных осадков и возвращается в океан в виде стока.

Малый влагооборот происходит на меньших пространствах и бывает океанический, когда водяной пар, образовавшийся при испарении воды с поверхности океанов, снова выпадает в виде осадков в океан, и внутриконтинентальный, когда влага, испарившаяся с поверхности суши, вновь выпадает на сушу в виде атмосферных осадков.

Испарение с поверхности земного шара составляет в среднем за год 577 тыс. км³ воды. Из этого объема 505 тыс. км³ приходится на Мировой океан и 72 тыс. км³ - на сушу. Воздушными потоками на сушу переносится и стекает обратно в океан 47 тыс. км³ воды. Из этого объема реками выносится в океан 45 тыс. км³, поступает в океан в виде стока грунтовых вод 2 тыс. км³. Если распределить этот объем воды равномерно по поверхности суши, получится слой осадков, равный 515 мм.

Единовременно объемы воды в руслах рек мира почти полностью заменяются в среднем за 16 дней. Воды озер в среднем возобновляются в течение 17 лет, изменяясь от нескольких лет (для малых озер в засушливых областях) до нескольких сотен лет. В озерах ежегодно возобновляется в среднем 1-2 % воды от их объема.

В водном балансе нашей страны приход влаги с осадками составляет 11700, испарение - 7340, сток - 4360 км³.

Водный баланс. Соотношение прихода и расхода влаги за определенный интервал времени называется водным балансом. Его принято выражать уравнением, которое составляют для определенного участка территории: бассейна, реки, страны, материка или земного шара в целом. Под бассейном понимается часть земной поверхности, включая и толщу почвогрунтов, откуда происходит сток воды в определенную реку, речную систему или озеро. Синонимом понятия «бассейн» является понятие «водосборная площадь».

Составляя уравнение водного баланса за ограниченный период времени (месяц, год), необходимо учитывать изменение запасов влаги в бассейне (снежном покрове, почве, поймах рек и пр.). Величина этих изменений в многоводные годы может быть положительной, а в маловодные - отрицательной. Следует учитывать и подземный водообмен с соседними бассейнами. С учетом сказанного, уравнением водного баланса будет

О = C + E± ∆ W± ∆ U,      (1)

где О - осадки; С - сток; Е - испарение (суммарное); ∆ W - изменение запасов влаги в бассейне; ∆ U - подземный водообмен с прилегающими участками.

С увеличением площади водосбора относительная величина водообмена с соседними бассейнами уменьшается. При больших водосборах и длительных наблюдениях можно использовать более простое уравнение водного баланса:

О = C + E± ∆ W,    (2)

позволяющее определить баланс влаги при известных влагозапасах в начале и конце периода, для которого определяется водный баланс. Его можно использовать и в интервале гидрологического года. Гидрологический год в отличие от календарного начинается не с 1 января, а со времени стабилизации запасов влаги в бассейне, когда переходящие остатки ее из одного года в другой минимальны. Для большинства районов России началом гидрологического года принимается 1 октября или 1 ноября.

По мере увеличения длительности периода уменьшается влияние на баланс влаги различий в величинах изменения ее запасов в бассейне. Для длительных периодов годы с пониженными запасами влаги перекрываются годами с повышенными влагозапасами. То же относится и к водообмену с окружающими участками. Поэтому величины ∆ W и ∆ U могут быть очень небольшими и уравнение для многолетнего периода принимает упрощенный вид:

О = С + Е, (3)

Уравнение водного баланса позволяет установить степень обводненности территории, выявить избыток или недостаток влаги. Оно широко используется для различных водно-балансовых расчетов. Если приходная часть водного баланса превышает расходную, то наблюдается избыток влаги и требуется осушение, если расходная часть больше приходной, то необходимо орошение.

Средние многолетние значения составляющих уравнения водного баланса (элементов водного баланса), которые при увеличении длительности периода наблюдений существенно не меняются, называются нормой гидрологических величин (норма осадков, норма стока, норма испарения).

 

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.

 

                                                                1.3. 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

ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИКИ

Гидравлика изучает законы равновесия и движения жидкостей. На законах гидравлики основаны решение многочисленных инженерных и гидрологических задач, расчеты каналов, гидротехнических сооружений, водопроводов, движение речных потоков и др.

Гидростатическое давление

Гидростатикой называют раздел гидравлики, рассматривающий законы равновесия жидкости и ее взаимодействие с твердыми телами.

Покоящаяся в любом сосуде жидкость оказывает давление на дно и стенки сосуда. Среднее давление Рср оказываемое силой Р на единицу площади ω, определяется соотношением

Р =Рср / ω (10)

Предел этого отношения при стремлении площадки к нулю выражает гидростатическое давление в данной точке

Р = (11)

Гидростатическое давление действует во всех направлениях одинаково. Любое изменение давления в покоящейся жидкости передается одинаково во все точки занятого жидкостью пространства (закон Паскаля).

Давление воды на плоское горизонтальное дно сосуда (без учета атмосферного давления) равно

P=   (12)

где Р - давление на дно; f - площадь дна; h - глубина воды (расстояние от поверхности воды до дна);  - удельная масса воды.

Полное (абсолютное) гидростатическое давление Ра в любой точке покоящейся жидкости равно весу столба жидкости над данной точкой (площадкой) плюс внешнее давление Ро на свободную поверхность жидкости.

Pа = Pо+p g h,     (13)

где р - плотность жидкости; g - ускорение свободно падающего тела; h - глубина погружения точки, для которой определяется давление.

Нормальное атмосферное давление равно столбу жидкости высотой 10,3 м.

В системе СИ единицей давления является Паскаль (Па). Атмосферное давление в инженерных расчетах принимается (в системе СИ) равным 98 000 Па (округленно 100 000 Па, или 100 кПа), во внесистемных единицах 1атм = 1 кгс/см².

Поскольку гидростатическое давление в жидкости действует во всех направлениях одинаково, то все точки на определенной глубине испытывают одинаковое давление. Оно передается и на расстояние. Для его измерения присоединим к сосуду на уровне точки А (рис. 4) тонкую стеклянную трубку (пьезометр) с открытым концом. Жидкость поднимается по трубке и остановится на уровне жидкости в сосуде. Высота h называется пьезометрической высотой, величина h, равная h ₁ - пьезометрическим (гидростатическим) напором.

Рис.4. Схема формирования пьезометрического напора

 

Закон движения жидкости

Законы движения жидкости, определение скорости и сопротивлений движению изучает гидродинамика. В применении к курсу гидромелиорации гидродинамика является основным изучаемым разделом гидравлики.

По характеру скорости и расхода движение воды бывает установившимся и неустановившимся. Установившимся называется такое движение, при котором скорость и расход воды, а, следовательно, и давление во всех точках потока неизменны за рассматриваемый промежуток времени. Такое движение наблюдается в реках, когда уровень воды остается неизменным или, при истечении воды из резервуара, при неизменной отметке свободной поверхности.

Неустановившимся называется такое движение, при котором скорость и расход воды в пределах рассматриваемого периода меняются, например, в реке при изменении уровней (при паводке, во время сбросов воды через водосбросные сооружения при плотинах).

По характеру перемещения потока по длине водотока установившееся движение подразделяется на равномерное и неравномерное. Равномерным является такое движение воды, при котором форма и площадь поперечного сечения русла, а также средние скорости и скорости во всех точках потока по длине одинаковы. Неравномерное движение отличается изменяемостью площадей сечения потока, глубин, скоростей потока по длине.

По характеру режима движение воды подразделяется на ламинарное и турбулентное. Ламинарный режим движения характеризуется перемещением воды без перемешиваний струй (преимущественно в вертикальном направлении). Такой режим наблюдается при движении грунтовых вод или воды в тонких капиллярных трубках. Турбулентный режим характеризуется перемешиванием частиц воды, которые кроме поступательного движения с большими скоростями имеют и вращательное движение. Такой режим наблюдается в трубах, реках, каналах и т.п.

По характеру сил, вызывающих движение жидкости, оно может быть напорным и безнапорным. Безнапорное движение происходит под действием сил тяжести. Поверхность потока не ограничена, находится под атмосферным давлением. Этот вид движения наблюдается в реках, каналах, трубах при неполном их заполнении. Напорное движение происходит под действием давления (напора), создаваемого насосами, водонапорной башней или при подаче воды по трубам из прудов, располагающихся выше потребителей (например, петергофские фонтаны) и т.п. Движение воды характеризуется уравнением Бернулли:

.       (14)

где Z₁ и Z₂ - геометрическая высота центров тяжести потока в сечениях I- II (рис. 5); P₁ и Р₂ - гидростатическое давление;  - удельная масса воды; V₁ и V₂ - скорости движения воды;  - поправочный коэффициент на среднюю скорость потока (равный в среднем 1,1);

/  и /  - пьезометрическая высота давления в сечениях I-II;

Z₁+ /   и Z₂+ /  - пьезометрический напор, характеризующий удельную потенциальную энергию в сечениях I-II; /2g и /2g - скоростной напор, характеризующий удельную кинетическую энергию в сечениях I и II;  - потери напора или удельной энергии. Все величины имеют размерность скорости.

Гидравлические характеристики потока. Различают следующие характеристики потока (рис. 6): живое сечение, смоченный периметр, гидравлический радиус.

Рис. 6. Живое сечение потока:

а - в реках; б - в каналах; в, г - в трубах

Живое сечение ω - поперечное сечение потока, направленное перпендикулярно его движению.

Смоченный периметр χ - линия, направленная перпендикулярно потоку, по которой он соприкасается с руслом (дном реки, ручья, дном и стенками искусственных русел).

Гидравлический радиус R - отношение живого сечения к смоченному периметру:

R = ω / χ            (15)

При напорном движении в круглой трубе гидравлический радиус равен четверти диаметра трубы:

                  (16)