Кругообіг води на Земної кулі. Водній баланс

За сет притока солнечной энергии с поверхности океанов, морей и суши испаряется 577 тыс. км³ воды в год. Большая часть воды, испарившаяся с поверхности океанов, возвращается снова в океан в форме выпадающих осадков, совершив малый круговорот.

Водяной пар, переносимый воздушными течениями на сушу, при благоприятных условиях конденсируется и выпадает в виде атмосферных осадков. Атмосферные осадки, выпавшие на сушу, частично просачиваются в почву и образуют грунтовые воды, частично стекают по земной поверхности, образуя ручьи и реки, а остальная часть снова испаряется. Сколько бы не повторялся процесс выпадения осадков на земную поверхность и их последующее испарение, в конце концов воды, принесенные воздушными течениями на сушу, стекая, снова достигают океана, завершая так называемый большой круговорот воды на земном шаре.

Небольшая часть воды из объема, участвующего в круговороте, совершает круговорот в пределах бессточных областей.

Влагооборот в пределах бессточных областей является в некоторой мере самостоятельным, хотя и связанным с общим круговоротом влаги на земном шаре.

Особенностью влагообмена бессточных областей с Мировым океаном является то, что вода из бессточных областей попадает в океан не путем непосредственного стока, а путем переноса ее в парообразном виде воздушными потоками.

Математически выражением общего(большого) круговорота воды в природе является уравнение водного баланса. Приходную часть баланса влаги в рассматриваемом объеме будут составлять: 1- осадки х, выпавшие за рассматриваемый период времени на поверхности выделенного объема; 2- количество влаги z₁,конденсирующейся в почве и на ее поверхности; 3- количество водыw_1,поступившей путем подземного притока; 4- количество воды у_1, поступившей на данную площадь через поверхностные водотоки. Расходование влаги из рассматриваемого объема может осуществляться следующими путями: 1- испарение z₂ с поверхности воды, снега, почвы, растительного покрова; 2- отток воды w₂ путем подземного стока; 3- стекание воды у₂ поверхностными водотоками.

Превышение приходной части баланса над расходной будет вызывать увеличение запасов влаги в рассматриваемом объеме, а при превышении расходной части баланса над приходной может произойти только за счет уменьшения запасов влаги. Чтобы получить равенство приходной и расходной части уравнения баланса, нужно в левую(приходную) часть уравнения добавить член u_1, хар-щий убыль запасов влаги за рассматриваемый период, а в правую(расходную) часть- член u_2, хар-щий прибыль запасов влаги. В связи с принятыми обозначениями общее уравнение водного баланса имеет вид: х+z₁+y₁+w₁+u₁= z₂+y₂+w₂+u_2.

Запишем также частные случаи водного баланса. Общее выражение водного баланса для речного бассейна: x= y +z +(-)u +(-)w, гдех- осадки, у- значение стока через один водоток, z- испарение за вычетом конденсации(z=(z₂ -z₁), u- положительное или отрицательное изменение запасов влаги в бассейне, w- полож. иилотриц. значение подземного водообмена данного басейна с соседним. Для большого басейна уравнение имеет вид: x= y +z +(-)u. Членом уравнения w можно пренебречь, так как с увеличением площади бассейна его значение уменьшается. Значение баланса за гидрологический год(отрезок времени за который завершается цикл накопления и расходования влаги на поверхности бассейна): x= y +z +(-)u_подз, член u означает накопление или расходование подземных вод. Применительно к бессточному бассейну(бассейн озера) y_ср.=0, уравнение баланса для многоводного периода примет вид: х_ср= z_ср(осадкиравны испарению).

10) Спочаткупотрібнозупинитися на тепловихумовахземноїповерхні і верхніхшарів грунту і водойм. Ценеобхідно тому, щонижнішариатмосферинагріваються і охолоджуютьсянайбільше шляхом радіаційного і нерадіаційногообміну з верхніми шарами грунту і води. Тому змінитемператури внижніх шарах атмосфери в першу чергувизначаєтьсязмінамитемпературиземноїповерхні і пропорційніцімзмінам.

Земна поверхня, тобтоповерхня грунту або води, а такожрослинний, сніговий, льодянийпокрив, безперервно, різними способами отримує і втрачає тепло. Через земнуповерхню тепло передається вверх - в атмосферу, і вниз - в грунт або у воду.

По-перше, на земнуповерхнюпоступаєсумарнарадіація і зустрічневипромінюванняатмосфери. Воничастковопоглинаютьсяповерхнею, тобтоідуть на нагріванняверхніхшарів грунту та води. В той же час земна поверхнявипромінює тепло сама, і при цьомуйоговтрачає.

По-друге, доземноїповерхнінадходить тепло зверху, з атмосфери, шляхом теплопровідності. Таким же чином тепло втрачається земною поверхнею і уходить в атмосферу. Шляхом теплопровідності тепло також уходить відземноїповерхні вниз, у грунт або у воду, або ж навпаки, приходить до земноїповерхні з глибинводоймчи грунту.

По-третє, земна поверхняодержує тепло при конденсації на неїводяної пари з повітря, абонавпаки, втрачаєйого при випаровуванніїї з води. У першомувипадкувиділяється тепло, у другому тепло переходить у прихований стан.

За будь-який час відземноїповерхні уходить догори і донизу в сукупностітака сама кількість тепла, щоцяповерхняодержує за цейсамий час зверху й знизу. Інакше не виконувався б закон збереженняенергії. Тому алгебраїчна сума всіхнадходжень і витрат тепла на земнійповерхні повинна бути рівна нулю. Це і виражаєтьсярівнянням теплового балансу земноїповерхні:

R - P - LE - Ar = 0,де R - значеннярадіаційного балансу земноїповерхні, Р - кількість тепла, яка витрацається земною поверхнею на турбулентнийтеплообмін (нагрівання приземного шару повітря, LE - кількість тепла, яка втрачається земною поверхнею на процесиконденсації-випаровування (L - питома теплота пароутворення, E - висота шару води у мм, яка випаровується, абоконденсується за певнийперіод), Ar - кількістьтепла, яке витрачається земною поверхнею на нагріваннятривалихшарів грунту чиводойм.

12. Речной сток — перемещение воды в виде потока по речномуруслу. Происходит под действием гравитации. Является важнейшим элементом круговорота воды в природе, с помощью которого происходит перемещение воды с суши в океаны или области внутреннего стока. Количественное значение стока в единицу времени называется расходом воды.

В гидрологии под речным стоком обычно подразумевается объём стока — объём воды (или минеральных веществ, твёрдый сток), прошедшей через определённый створ в единицу времени, чаще всего год. Объединяет поверхностный сток (образующийся в результате осадков и снеготаяния) и подземный сток, формируемый за счет грунтовых вод. Речной сток за год является объективным показателем для определения полноводности реки.

Единицы измерения стока — система мер, установившаяся в практике исследований речного стока, предназначенная для изучения изменения водности рек в течение заданного отрезка времени.

К единицам измерения стока относятся:

1. Мгновенный (секундный) расход воды — характеризует водность реки в данный момент и выражается в кубических метрах в секунду [м³/с]

2. Объём стока реки за некоторый период времени. Объём стока, в зависимости от продолжительности рассматриваемого периода и водности реки, выражается в кубических метрах [м³] или кубических километрах [км³]

3. Модуль стока — количество воды, стекающей в единицу времени с единицы площади водосбора [м³/(с•км²]

4. Высота слоя стока (слой стока) — отношение объёма стока реки за интервал времени к площади его водосбора [мм].

5. Коэффициент стока — отношение высоты слоя стока за интервал времени к количеству выпавших в бассейне осадков за тот же период. Коэффициент стока выражается безразмерным числом. Коэффициент стока для коротких периодов (сезонов, месяцев) является величиной фиктивной, так как сток в реке за это время обуславливается не только осадками, выпавшими за это время, но и за более длительный предшествующий период.

13. Озера – природные водоемы с замедленным водообменном в углублениях суши (котловинах), заполненные в пределах озерной чаши (озерного ложа) разнородными водными массами и не имеющие одностороннего уклона. По происхождению озера делятся различно. Они могут образовываться в тектонических понижениях – синеклизах, рифтах (тектонические), во впадинах, возникших в результате неравномерного распределения ледников в районах материкового оледенения (ледниковые и моренные озера); в карстовых воронках и провалах (карстовые озера); в просадочных провалах при вытаивании льда (термокарстовые озера); в долинах, перегороженных обвалом, оползнем или ледником (плотинные, запрудные или завальные озера); в кратерах потухших вулканов (вулканические озера); в карах и трогах ледниковых областей (каровые и троговые) посредством обособившихся от моря наносов песка или ила (лиманные озера), в котловинах просадочного происхождения возникших в результате суффозии (суффозионные), в котловинных выдувания (эоловые), при миграции речного русла по пойме (озера-старицы).

Сходны с озерами по виду, режиму и свойствам созданные человеком пруды и водохранилища.

Озера бывают сточные (из которых вытекают реки), проточные и бессточные (не имеющие стока, преимущественно в полупустынях и пустынях).

Водохранилища – искусственные водоемы с объемом воды более 1 млн. м³, образованные в долинах рек в результате накопления воды перед плотиной. На крупных реках обычно создают каскады водохранилищ. Малые водоемы созданные в долинах ручьев и балках называются прудами. На сегодняшний день общая площадь водохранилищ Земли – около 400 тыс. км².

По величине напора, создаваемого плотиной водохранилища делят на:1) равнинные с напором 15-35 м; 2) предгорные с напором 50-100м; 3) горные с напором у плотины 200 м и более. Участок выше плотины, на который распространяется влияние водохранилища, называется верхним бьефом, а ниже – нижним.

По форме в плане и строению котловины выделяют озерные и речные водохранилища.

Составляющими приходной части уравнения водного баланса любого озера служат атмосферные осадки х, поверхностный приток уповр, конденсация водяного пара на поверхность озера zконд, подземный приток wпр. Поверхностный приток может быть как естественным (речной сток упр), так и антропогенным (сброс отработанных вод, например возвратных вод орошения, а также промышленных и коммунальных сточных вод, ycбp).

Составляющие расходной части уравнения водного баланса сточного озера – это поверхностный отток из озера упов.ст, подземный отток (фильтрация) из озера wcт, испарение с поверхности озера zисп. Поверхностный отток складывается из стока вытекающей из озера реки и искусственного водозабора на хозяйственные нужды увдзб (на орошение, водоснабжение и т. д.). Изменение запасов воды в u.Dозере обозначается через ± u

Исходя из общего уравнения водного баланса любого водного объекта и учитывая принятые обозначения, уравнение водного баланса сточного озера принимает вид:

х + у пр + y c6p + z конд + w пр = у ст + у вдзб + z ис п + w c т ± u

Для бессточного озера уравнение водного баланса будет таким же, но только без члена уст в расходной части.

14. Плотность морской воды колеблется в пределах от 1020 до 1030 кг/м³ и зависит от температуры и солености. При солености, превышающей 24‰, температура максимальной плотности становится ниже температуры замерзания — при охлаждении морская вода всегда сжимается, и плотность ее растет.

Скорость звука в морской воде — около 1500 м/с.

Свойства морской воды с солёностью 35 ‰
	Морская вода	Чистая вода
Плотность при 25 °C, г/см3:	1,02412	0,9971
Вязкость при 25 °C, миллипуаз:	9,02	8.90
Давление пара при 20 °C, мм. рт. ст.:	17,4	17,34
Температура максимальной плотности, °C:	-3,52 (переохлаждённая жидкость)	+3,98[1]
Точка замерзания, °C:	-1,91	0,00
Поверхностное натяжение при 25 °C, дин/см:	72,74	71,97
Скорость звука при 0 °C, м/с:
Удельная теплоёмкость при 7,5 °C, Дж/(г·°C):	3,898	4,182

Плотность является одной из основных характеристик морской воды. Изменения плотности во времени и пространстве определяют распространение звука в воде, горизонтальную и вертикальную циркуляцию вод, перемешивание и устойчивость слоев в Мировом океане.

Плотность морской воды, в отличие от пресной, зависит от температуры, солености и давления, т е.

р = f (T,S,P)

Эта формула в общем виде выражает уравнение состояния морской воды. Связь между плотностью воды и определяющими ее параметрами нелинейна, и простой теоретической формулы для нее еще не получено. Поэтому предложены приближенные уравнения состояния, по которым вычисляется плотность insitu.

Основным фактором, влияющим на плотность, является температура, поэтому для океанологических расчетов иногда применяют приближение Буссинеска:

ρ =1.028 (1 — βT),

где β — коэффициент, выражающий зависимость изменения плотности от изменения температуры (в приводится в Океанологических таблицах), T — температура воды, ρ — плотность в г-см³.

Самым простым уравнением состояния морской воды явля­ется формула в приближении Буссинеска (линейная зависимость плотности от температуры и солености)

Уплотнение при смешении - увеличение плотности морской воды при смешении слоев, различающихся температурой и соленостью. Уплотнение при смешении обусловлено нелинейностью зависимостью плотности воды от ее температуры и солености, что вызвано перестройкой молекул воды при изменении этих величин. Вследствие нелинейной зависимости плотности от температуры и солености вода может иметь одинаковую плотность при двух различных значениях температуры и солености.

Если смешать два объема воды в точках А и Б с одинаковой плотностью σ =27.00, один из которых имеет температуру 3.20С и соленость 33.5‰, другой температуру 6.70С и соленость 34.0‰, то смесь приобретает среднюю температуру 5.00С и соленость 34.8‰, которым в точке С соответствует более высокая плотность σ =27.05 (рис.5). Как видно, плотность, соответствующая точке С, больше, чем в точках А и Б, т. е. наблюдается уплотнение при смешении. В результате смешения двух объемов воды произошло повышение плотности смеси.

Уплотнение при смешении вызывает конвекцию в море. Оно имеет большое значение в формировании глубинных и придонных вод океана.