Водный баланс участка суши количественно определяет равенство приходных и расходных компонентов процесса круговорота воды за расчётный промежуток или момент времени.
Расчёты и исследования элементов водного баланса являются одним из важнейших разделов гидрологии суши и имеют более чем 300-летнюю историю. Особое значение они приобретают в настоящее время, когда под влиянием хозяйственной деятельности человека не только изменяется естественный режим водных объектов, но происходит изъятие и перераспределение части стока в пространстве.
Аналогическим выражением закона, сохранения и превращения материи применительно к процессу круговорота воды является уравнение водного баланса. Современная запись уравнения водного баланса предполагает дифференцированное рассмотрение баланса влаги в поверхностной зоне (а), зоне аэрации (б) и зоне насыщения (в).
В соответствие с общими принципиальными представлениями о влагообмене между участком суши и атмосферой, а также нижерасположенными слоями почвогрунтов (рис. 2) обозначим:
- сумма атмосферных осадков, исправленная на их недочетах осадкомерными приборам.
С- приход влаги к деятельной поверхности в связи с конденсацией водяных паров.
Z – суммарное испарение, численно равное влаге, испарившейся с земной пов-ти, из деятельного слоя почвогрунтов.
- приток и отток поверхностных вод
- приток и отток грунтовых вод
- изменение запасов, почвенной влаги в зоне аэрации.
- влагообмен между зоной аэрации и поверхностной зоной
- влагообмен между зоной аэрации и зоной насыщения
- влагообмен между зоной насыщения нижерасположенными водоносными горизонтами
Рис. 2.2 Схема влагообмена
|
|
Запишем балансовые уравнения для каждой из выделенных зон:
А) поверхностная зона
KX + С + 
+ 
= Z + 
+ 
Б) зона аэрации
+ 
+ 
= + 
В) зона насыщения
Почленное суммирование приходных и расходных статей уравнения дает итоговое уравнение водного баланса:
KX + c+ 
+ 
+= Z + 
+
Уравнение теплового баланса.
Участки суши.
Общее количество солнечной радиации, достигающей земной поверхности, составляет суммарную радиацию Q. Достигая поверхности земли, суммарная радиация Q частично поглощается и отражается ею.
Интенсивность потока прямой солнечной радиации (I) зависит от солнечной постоянной, физического состояния атмосферы над пунктом наблюдения, высоты Солнца и т.п. и изменяется в широких пределах.
Первоисточником рассеянной радиации (i) служит прямая солнечная радиация. Рассеянная радиация, так же, как и прямая радиация, имеет ярко выраженный суточный ход и максимум достигается в момент наибольшей высоты Солнца, т.е. в местный полдень.
Величина поглощения радиации (
) равна
= I(1-A)+i(1-A)=Q(1-A)
где: А- альбедо земной поверхности, равное отношению потока отраженной радиации к потоку суммарной радиации. Альбедо земной поверхности колеблется в 10-30%.
В соответствии с законом сохранения и превращения энергии на любом участке земной поверхности, в каждое мгновение обеспечивается равенство (баланс) прихода и расхода тепла.
В общем виде схема теплообмена деятельной земной поверхности с атмосферой и нижерасположенными слоями почвы грунтов представлена на рисунке 2.3, где кроме названных статей баланса представлены векторы потоков.
|
|
- затраты тепло на процесс суммарного испарения;
– скрытая теплота парообразования;
- турбулентный теплообмен (
- направленный к деятельной поверхности, 
)
– тепло, выделяемое при конденсации водяных паров;
– теплообмен в деятельном слое почвогрунтов, имеющих двузначный суточный и годовой ход.
Рис. 2.3. Схема теплообмена
В осенне-зимний периоды к названным статьям баланса следует добавить:
- затраты на таяние снега в весенний период
- выделение и затраты тепла в связи с замерзанием почвенной влаги и ее оттаиванием.
– поглащенная радиация с дна (или почвой)
– соответственно длинноволновое излучение земной поверхности
В соответствии со схемой уравнение теплоэнергетического баланса участка суши примет вид:
в котором в левой част представлены приходные, а в правой – расходные статьи теплоэнергетического баланса участка суши, сформированного за достаточно продолжительное время, охватывающее полный цикл фазовых превращений почвенной и атмосферной влаги.
Учитывая сложность численного определения всех компонентов уравнения, а также различный порядок входящих в него величин теплопотоков, практически более целесообразен сокращенный его вариант:
где: t = 
- алгебраическая сумма затрат тепла на фазовые превращения почвенной влаги и таяние снежного покрова;
- эффективное излучение.
Таким образом, левая часть уравнения представляет собой сумму теплопотоков, направленных к земной поверхности и сформированных солнечной радиацией, циркуляцией атмосферы, теплообменом в слое почвогрунтов и теплопотоков, определяющих энергетическую базу процессов обмена вещества и энергии на уровне приземного слоя атмосферы – земной поверхности.
|
|