Лекция 3. Рассматриваемые вопросы: Испарение с водной поверхности

Тема: Испарение.

Рассматриваемые вопросы: Испарение с водной поверхности. Роль испарения в водном режиме. Испарение воды. Основные процессы. Испаряемость.

Испарение с поверхности речных водосборов в общем случае складывается из испарения с водной поверхности озер, водохра­нилищ, прудов, лиманов, рек и временных водотоков, каналов (Е_в), с поверхности сезонного снежного покрова, наледей, многолетних снежников и ледников (Е_cн,ледн), с поверхности суши (Е_с.соб), за­нимаемой лесом, кустарниками, лугами, орошаемыми и неорошае­мыми полями, пастбищами, урбанизированными территориями и т. д.

Существуют различные методы и приборы для измерения и расчета испарения с отдельных участков, занимаемыми перечисленными выше видами ланд­шафта. При расчетах необходимо располагать определенной гидро­метеорологической, почвенно-гидрогеологической, геоботанической, картографической и другой информацией. Суммарное испа­рение с поверхности речного водосбора в принципе может быть определено методом среднего взвешенного с учетом испарения с участков отдельных видов ландшафта и долей занимаемых ими площадей. В большинстве случае в имеющейся информации бы­вает недостаточно для надежной оценки испарения с участков каждого вида ландшафта, поэтому оно определяется расчетным пу­тем в целом для всего речного водосбора, либо отдельно для собственно суши, снежного покрова или водного зеркала наиболее крупных озер, водохранилищ и т. д.

При расчетах суммарного испа­рения за короткие интервалы времени (месяц, декада, сутки) могут быть использованы методы водного и теплового баланса, турбу­лентной диффузии (аэродинамический), обобщенный комбиниро­ванный метод (на основе уравнения теплового баланса и уравнений турбулентного переноса тепла и влаги) и др.

При примене­нии перечисленных строгих теоретических методов, имеющих в своей основе физические закономерности, необходимо иметь до­статочно детальные данные воднобалансовых, теплобалансовых, градиентных и других видов наблюдений. Например, градиентные наблюдения необходимо производить для однородных ровных уча­стков местности достаточных размеров и с одинаковой раститель­ностью и т. д. Из-за отсутствия для большинства речных водосборов необходимых данных, упомянутые методы не могут широко применяться на практике, ими обычно пользуются при теоретических исследованиях, причем для небольших эксперимен­тальных объектов.

В практике составления текущих водных балансов речных водо­сборов наибольшее распространение получил метод А.Р. Кон­стантинова и «комплексный» метод М. И. Будыко и Л.И. Зубенок. В последние годы начал применяться так называе­мый воднотепло-балансовый метод В.Г. Андреянова, близкий по содержанию к комплексному методу.

В соответствии с методом Константинова, месячные и декадные значения испарения с поверхности суши Е_с.соб определяются по формуле

Е_с.соб= Е^/_с.собn (1)

где Е_с.соб - средняя суточная интенсивность испарения в данном расчетном периоде - декаде, месяце, мм/сут; n - количество суток в расчетном периоде (декада, месяц).

Величина Е^/_с.соб определяется по таблицам [196] в зависимо­сти от исправленных значений температуры Т и абсолютной влаж­ности е воздуха, получаемых по уравнениям

Т=Т₂+ΔТ и е=е₂+Δе

где Т₂ и е ₂ - соответственно средние суточные значения тем­пературы (°С) и влажности воздуха за расчетные периоды (декада, месяц), измеренные на метеостанции на высоте 2 м; ΔТ и Δе – соответственно поправки, учитывающие различия в температуре и абсолютной влажности воздуха в данном месяце на высоте 2 м и на уровне подстилающей поверхности (верхней гра­нице слоя шероховатости z₀) T_Z0 и e _Z0. Они называются поправ­ками на сезонный ход температуры и абсолютной влажности воз­духа. Значения поправок ΔТ и Δе определяются для середины расчетного интервала времени по специальным таблицам в зави­симости от измеренных величин Т₂ и е ₂, соответственно указаниям в работе.

Упомянутые расчетные таблицы разработаны Константиновым с использованием метода турбулентной диффузии и эмпирических графиков зависимости срочных (в стандартные четыре срока наб­людений) значений Т_Z0 - Т₂, е_Z0 – е₂ и других характеристик от температуры и абсолютной влажности воздуха на высоте 2 м. Они получены в среднем для различных видов подстилающей поверх­ности (оголенная почва, песок, луг, болото, посевы зерновых) в различных физико-географических зонах и в разные годы на ос­нове данных специальных экспериментальных исследований на воднобалансовых, теплобалансовых, агрометеорологических и дру­гих специализированных станциях, полигонах и площадках.

При практическом использовании метода Константинова за оптимальный расчетный период принимается месяц. Можно назна­чать и другие периоды в диапазоне от декады до двух-трех меся­цев. Этот метод дает возможность определять испарение с пло­щади, где в основном формируются температура и влажность воздуха, измеряемые в психрометрической будке. Подавляющее большинство метеостанций расположено на лугу, целине или залежи (реже на поляне в лесу) и поэтому в первую очередь характеризуют режим испарения для этих видов поверхности. Метеостанции, расположенные вблизи водоемов, являются нерепрезентативными; в расчет могут приниматься лишь данные по станциям, удаленным от водоемов на определенное расстояние, зависящее от размеров водоемов (водотоков).

Комплексный метод Будыко и Зубенок позволяет определить, месячные (декадные) значения испарения Е_с.соб с естественно увлажненных территорий суши в отдельные годы по данным об осадках Р, стоке Q, температуре Т₂ и влажности е ₂ воздуха и про­дуктивным влагозапасам в метровом слое почвы М_прод в начале теплого периода. Согласно данным работы [251], погрешности вычис­ления месячных сумм испарения комплексным методом составляют 20-25 % для средних многолетних их значений и 30-35 % для месяцев отдельных лет.

Рассмотренная схема расчета применима лишь для тех перио­дов, когда не происходит существенного изменения запасов воды на поверхности водосбора (в снежном покрове во время его таяния, микропонижениях рельефа, речной сети, озерах, болотах, прудах и водохранилищах) и в зоне насыщения бассейна (пополнение грунтовых вод), т. е. когда справедливо сокращенное урав­нение водного баланса, включающее - лишь один «аккумуляционный» член - изменение влагозапасов в метровом слое почвогрунтов. В противном случае необходимо применять более полное уравнение водного баланса, что сопряжено с немалыми трудностями из-за обычно слабой изученности динамики запасов воды на поверхности бассейна и водоносных его слоях.

Эти формулы могут иметь весьма ограниченное применение. Кроме того, необходимо иметь в виду, что расчет неизвестной вели­чины продуктивных влагозапасов почвогрунтов на конец или на­чало расчетного периода по разности большого числа элементов водного баланса может дать удовлетворительный результат лишь в случаях, если искомая разность сопоставима со значениями уменьшаемого и вычитаемого.

Следует особо подчеркнуть, что рассмотренные методы расчета испарения позволяют получить фоновые, средние по территории его значения с естественно увлажненной поверхности суши.

Для участков суши, где подземные воды залегают близко к поверхности, С. И. Харченко в расчетных уравнениях учиты­вает инфильтрацию и расход грунтовых вод в зону аэрации.

В практике расчетов текущих водных балансов испарение за месяцы холодного периода года (со снега) определяемся по одной из формул П.П. Кузьмина. Таким образом, при расчетах испарения в целом за год используются попарно либо метод Кон­стантинова и формула Кузьмина, либо комплексный метод Будыко и формула Кузьмина, либо, наконец, воднотеплобалансовый метод Андреянова и формула Кузьмина. Чаще всего применяют метод Константинова, что обусловлено в основном наличием повсеместно исходной гидрометеорологической информации. Менее распространены комплексный и воднотеплобалансовый методы, что объясняется главным образом недоста­точностью данных наблюдений за влажностью почвы (в особенности на участках с такими естественными ландшафтами, как лес и луг, тундра, горные районы), а также большей трудоемкостью расчетов по этим методам.

В качестве объективного критерия обоснованности применения того или иного метода расчета испарения в целом для замкнутого речного бассейна (отсутствует глубокий подземный водообмен) мо­жет служить невязка η=Р-Q-Е среднего многолетнего годового водного баланса этих бассейнов (естественно, что средние много­летние годовые значения исправленных осадков Р и стока Q дол­жны быть определены вполне надежно). Величина η характеризует степень сходимости (замыкания) уравнения среднего многолетнего годового водного баланса при использовании разных методов рас­чета испарения Е. Очевидно, что для данного речного бассейна можно отдать предпочтение тому методу расчета испарения, ко­торый дает меньшую невязку η в среднем за многолетний период (использовать такой прием для отдельного года нельзя). Следует также иметь в виду, что более точные результаты расчета водных балансов можно получить по длительным рядам наблюдений, включающим в себя как влажные, так и засушливые годы (группы или циклы лет).

Дата добавления: 2014-01-11