Расходование воды в бассейне реки

Поступающие на поверхность бассейна дождевые воды, а также талые снеговые и ледниковые воды частично стекают в виде поверхностного (склонового и речного) стока, а частично расходуются на испарение и инфильтрацию.

Потери атмосферных вод на испарение признаются для данного речного бассейна безвозвратными, так как считается, что они уносятся за пределы бассейна воздушными потоками. Воды, поступившие в грунт в результате инфильтрации, считаются «потерями» лишь для данного участка водосбора и для конкретного дождя или периода снеготаяния. Они затем поступят в речное русло в процессе питания реки подземными водами.

Испарение с водной поверхности по своей величине приближается к испаряемости z₀, т. е. максимально возможному при данных климатических условиях испарению, зависящему от радиационного баланса. Испарение с водной поверхности тем больше, чем меньше влажность воздуха (и больше дефицит влажности) и больше скорость ветра.

Величина годового испарения с водной поверхности для территории бывшего СССР 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 водотоков (рек и каналов) и водоемов (озер и водохранилищ).

Испарение с водной поверхности в конкретных условиях может быть определено с помощью метода водного баланса с учетом величины снижения в результате испарения уровня воды в естественном водоеме или искусственном испарителе (см. разд. 2.2), с помощью метода теплового баланса путем расчета теплоты, затрачен­ной на испарение воды (см. разд. 2.4), с помощью эмпирических формул. Среди последних широко используется формула Б.Д. Зайкова:

z = 0,14 n (e ₀- e ₂₀₀)(1+ 0,72 W ₂₀₀), (6.13)

где z— испарение, мм; е ₀ —среднее значение максимальной упругости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды в водоеме, гПа; е ₂₀₀ — средняя упругость водяного пара (абсолютная влажность воздуха) на высоте 200 см над водоемом, гПа; W ₂₀₀ — средняя скорость ветра на высоте 200 см над водоемом, м/с; п — число суток в расчетном интервале времени. В формуле (6.13) разность упругостей водяного пара е ₀- е ₂₀₀ может быть заменена величиной, пропорциональной дефициту влажности воздуха cD ₂₀₀).

Испарение с поверхности снега и льда зависит от тех же факторов, что и испарение с водной поверхности, но вследствие низкой температуры испаряющей поверхности значительно менее интенсивно. Оно составляет за зиму всего 20—30 мм, т. е. в десятки раз меньше испарения с поверхности воды.

Для измерения испарения с поверхности снега применяют специальные испарители, при этом используется весовой метод. На практике же обычно применяют эмпирическую зависимость, аналогичную формуле (6.13).

Испарение с поверхности почвы, не покрытой растительностью, определяется метеорологическими условиями и интенсивностью поступления воды к поверхности почвы из более глубоких слоев грунта. При этом испарение осуществляется не только непосредственно с поверхности почвы, но и с частиц ниже поверхности почвы и с «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.

Потери воды на испарение с поверхности почвы могут быть определены с помощью почвенного испарителя. Объем испарившейся с почвы воды рассчитывают по изменению массы почвенного монолита, помещенного в испаритель.

Физиологическое испарение растительным покровом (транспирация) включает три стадии: поглощение корневой системой растений почвенной влаги, подъем воды по стеблям, испарение с поверхности листьев. С увеличением глубины корневой системы растений;» и увеличением размеров листьев и густоты лиственного покрова транспирация увеличивается.

Интенсивность транспирации зависит и от типа растительности. Разные растения расходуют различные объемы воды на испарение. У них различно и отношение массы испаряемой ими воды к массе прироста сухого вещества, называемое транспирационным коэффициентом. Этот коэффициент характеризует так называемое продуктивное испарение. Он наибольший у риса, наименьший — у хвойных деревьев.

За вегетационный период растения могут испарять значительные объемы воды. Так, годовой слой испарения для пшеницы составляет 250—300 мм, березы— 150—200, хвойных деревьев— 150—300 мм.

Величина транспирации может быть определена следующим образом с помощью почвенного испарителя. Измеряют отдельной суммарное испарение с поверхности почвы и растительности (в этом случае монолит почвы имеет живые растения) и испарение с поверхности почвы под растениями (в этом случае измеряют испарение с монолита почвы, над которым подвешены срезанные растения, чем достигается естественная затененность почвы). Разница в величинах испарения, определенного двумя описанными способами, даст величину транспирации.

Суммарное испарение складывается из испарения с поверхности почвы, транспирации и испарения с крон деревьев (последние два вида испарения часто учитывают совместно). Суммарное испарение играет наиболее важную роль в определении потерь стока в пределах речных бассейнов, и его расчету в гидрологии уделяют наибольшее внимание.

Для определения суммарного испарения используют две группы методов. В первой из них применяют зависимости среднего многолетнего годового суммарного испарения z от годовых осадков х и испаряемости z ₀. M.И. Будыко предложил максимально возможное испарение, т. е. испаряемость z ₀, выражать через среднее многолетнее годовое значение радиационного баланса R и удельную теплоту испарения L _исп. Уравнение Будыко связывает величину испарения с величинами осадков, радиационного баланса и теплотой испарения: z=f (x, R, L _{ис п} ). Для разных географических пунктов такая связь получается разной в зависимости от величины Я, определяемой в основном солнечной радиацией, изменяющейся с изменением широты места (см. рис. 3.1).

Вторая группа методов основана на использовании эмпирических связей, например средних годовых и месячных величин суммарного испарения с соответствующими значениями температуры и влажности воздуха (метод А.Р. Константинова).

На территории бывшего СССР суммарное испарение изменяется в зависимости от климатических условий местности (количества осадков и радиационного баланса). В среднем для различных природных зон характерны такие величины годового суммарного испарения: тундра и лесотундра — 100—300 мм, лесная зона — 300—500, лесостепь и степь — 300—500, полупустыня — 150—300 мм.

Чем суше климат, тем больше разница между испаряемостью, или предельно возможным испарением, и фактическим суммарным испарением. В тундре испарение приближается к испаряемости, в пустынях при крайне малых атмосферных осадках оно намного меньше испаряемости. В Сахаре, например, при испаряемости 2000— 2500 мм фактическое испарение менее 100 мм.

Инфильтрация в речных бассейнах зависит от поступления дождевых или талых вод и от фильтрационных свойств подстилающих грунтов. Механизм инфильтрации был подробно описан в разделе 5.4. Роль инфильтрации в водном балансе участка речного бассейна была рассмотрена в разд. 5.5.1. В отдельные периоды на инфильтрацию может расходоваться значительно больше воды, чем на испарение. Интенсивность инфильтрации во многом зависит от состояния грунта. Она уменьшается с увеличением влажности грунта и при его промерзании.

ВОДНЫЙ БАЛАНС БАССЕЙНА РЕКИ