Баланс содержащихся в воде веществ

В воде могут находиться во взвешенном или растворенном состоянии различные вещества — наносы (взвеси), растворенные соли, газы и т.д. При изучении их режима учитывается закон сохранения массы этих веществ (см. уравнение (2.1)).

Источниками поступления находящихся в воде веществ служат эрозионные процессы, физическое и химическое выветривание, растворяющая работа воды, обмен с атмосферой, химические, биохимические и другие процессы. Во многих случаях эти вещества поступают в водные объекты и удаляются из них вместе с водой (например, с поверхностным и подземным стоком). Поэтому изучение баланса и режима взвешенных и растворенных веществ необходимо вести на основе анализа водного баланса, т. е. с использованием уравнения (2.5). При рассмотрении баланса солей, а также некоторых химических элементов и газов необходимо учитывать сложные химические и биохимические процессы, происходящие в водных объектах и приводящие либо к дополнительному поступлению этих веществ в воду, либо к удалению их из воды. К числу таких процессов относятся, например, образование органического вещества в результате фитосинтеза и разложение органического вещества.

При изучении баланса взвешенного или растворенного вещества часто используют данные не о массе этих веществ, а об их концентрации С, выраженной в кг/м³ или мг/л. В этих случаях масса данного вещества в объеме воды m = aCV, где V — объем воды, а — множитель, зависящий от размерности концентрации С: при размерности кг/м³ а = 1, при размерности г/м³ (или мг/л) а= 10^-3.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Уравнение теплового баланса (2.2) для любого объема воды или участка суши и интервала времени ∆ t должно включать различные составляющие прихода теплоты Q⁺ и ее расхода Q^-.

Наиболее важный член уравнения теплового баланса — радиационный баланс R, представляющий собой разность между количеством суммарной коротковолновой солнечной радиации, поглощаемой поверхностью воды или суши Q _с, и эффективным длинноволновым излучением этой поверхности I:

R= Q_С – I= (Q + q)·(1– r) – I. (2.6)

В уравнении (2.6) Q — прямая, q — рассеянная солнечная радиация, r —альбедо поверхности, т.е. отношение количества отраженной солнечной радиации к количеству поступающей, I — эффективное излучение, равное разности между излучением поверхности воды или суши в атмосферу и поглощенным встречным излучением атмосферы.

Ряд членов уравнения теплового баланса связан с поступлением или удалением теплоты с поверхностными или подземными водами. Соответствующие приходные и расходные составляющие теплового баланса обозначим через Q _пр и Q _расх и представим как Q _пр = Q _у⁺+ Q _w ⁺ и Q _расх = Q _у^-+ Q _w ^-, где Q _у — приток (индекс +) или отток (индекс -) теплоты с поверхностными водами, Q _w — то же, с подземными.

В уравнении теплового баланса учитывают также теплообмен с атмосферой Q _атм и грунтами Q _гр, обусловленный различиями в температуре воды и воздуха, воды и грунтов. Соответствующие приходные члены уравнения (при поступлении теплоты из атмосферы и от грунтов) обозначим через Q⁺ _атм и Q⁺ _гр, а их сумму — через Q⁺ _обм = Q⁺ _атм+ Q⁺ _гр. Аналогично сумма расходных членов теплообмена (при удалении теплоты в атмосферу и в грунт) записывается как Q^- _обм = Q^- _атм+ Q^- _гр.

Большое количество теплоты расходуется (выделяется) при фазовых переходах. Поступление теплоты обозначим через Q⁺_{ф аз}._пер, затрату — через Q^-_{ф аз}._пер. Эти члены уравнения равны соответственно Q⁺ _фаз._пер = Q _лед+ Q _конд и Q^- _фаз._пер = Q _пл+ Q _исп, где Q _лед и Q _конд- выделение теплоты при ледообразовании (замерзании воды) и конденсации водяного пара, Q _пл и Q _пл — затраты теплоты на плавление льда и испарение воды (см. разд. 1.3.3).

Вместе с дополнительными положительными членами — поступлением теплоты с атмосферными осадками Q _х, а также вследствие перехода части кинетической энергии в тепловую (диссипации энергии Q _дис) уравнение теплового баланса (2.2) записывается в виде

R + Q _пр + Q ⁺_о6м + Q _фаз.._пер + Q _х + Q _дис = Q _расх + Q^- _обм + Q^- _{фаз. пер} ± ∆ Q. (2.7)

Все члены уравнения (2.7) выражают в единицах теплоты (Дж) или относят к единице массы (Дж/кг), объема (Дж/м³), площади объекта (Дж/м²). Соответственно и изменение теплосодержания ∆ Q будет выражаться как c_p r V∆T, c_p∆T, с_р р ∆Т, c_p p h∆T, где V- объем объекта; r — его плотность; h — толщина слоя (получают путем деления объема V на площадь F); с _р — удельная теплоемкость воды при постоянном давлении.

Зная количественное выражение различных членов уравнения теплового баланса, можно рассчитать величину ∆ Q, а затем определить и изменение температуры ∆T. При ∆ Q = 0 и ∆ T =0, т.е. температура объекта не изменяется. При ∆ Q >0 температура объекта повышается (∆ T >0), при ∆ Q <О, наоборот, понижается (∆ T <0).

Метод теплового баланса широко используют в гидрологии для исследования изменений температуры воды в реках, озерах, океанах и морях. Как и метод водного баланса, он заключается в составлении и анализе уравнения вида (2.7) и его членов, проверке или расчете трудно поддающихся определению членов уравнения. Уравнение теплового баланса можно использовать, например, для расчета количества растаявшего льда или воды, испарившейся с поверхности водоемов или участков суши. Для этого по известным членам уравнения теплового баланса находят затраты (поступление) теплоты при фазовых переходах, а затем по формулам (1.11) или (1.12) определяют массу (объем или слой) воды, образовавшейся вследствие таяния льда, или массу (объем, слой) испарившейся воды. Зная плотность льда, объем воды легко пересчитать в объем (толщину) растаявшего льда. Аналогично можно найти объем или слой испарившейся воды.