Водный баланс и уровни воды

Приход и расход воды озера может быть представлен в виде уравнения водного баланса, которое составляется для определенного периода и включает все виды поступления и расходования воды за этот период. По водному балансу озера подразделяются на б е с с т о ч н ы е и с т о ч н ы е. Б е с с т о ч н ы е о з е р а не имеют ни поверхностного, ни подземного стока и теряют воду практически только на испарение. Потери воды из с т о ч н ы х о з е р происходят, помимо испарения, путем поверхностного или подземного стока. Среди этого вида озер выделяются п р о т о ч н ы е, сток из которых составляет значительную долю водной массы. В них обычно заметно течение, связанное с режимом впадающих и вытекающих рек. Промежуточное положение между обеими группами занимают озера с п е р е м е ж а ю щ и м с я с т о к о м. Они дают сток только в период высоких вод; в межень вытекающие из них водотоки пересыхают.

Уравнение водного баланса для сточного озера (при исчислении всех составляющих в единицах объема) имеет вид:

Х + У_пр + У_гр – У_ст – У_ф – Е = ± ΔV, (14.3)

где Х – осадки на зеркало озера;

У_пр – поверхностный приток в озеро;

У_гр – подземный приток в озеро;

У_ст – поверхностный сток из озера;

У_ф – фильтрация (подземный сток из озера);

Е – испарение с зеркала озера;

ΔV – изменение объема воды озера за расчетный период (при исчислении составляющих водного баланса в виде слоя величина ΔV заменяется изменением уровня ΔН).

Для бессточного озера это уравнение примет вид:

Х + У_пр + У_гр – Е = ± ΔV, (14.4)

В вышеприведенных уравнениях не учтена конденсация водяных паров на зеркало озера как пренебрежительно малая величина.

При расчете водного баланса по месяцам или сезонам необходимо учитывать потери за счет оседания льда на берега во время понижения уровня и приход воды от таяния льда. В годовом балансе эти составляющие компенсируются.

В водном балансе водохранилищ поверхностный сток заменяется сбросом воды через плотину и попусками через гидросиловую установку (при наличии ГЭС). В этих водоемах существенную роль может играть потребление воды для различных народнохозяйственных целей (водоснабжение, орошение и пр.), а также фильтрация, которую можно определить по гидрогеологическим данным или из уравнения водного баланса (если известны все его другие составляющие).

Наиболее точный расчет водного баланса возможен путем определения его составляющих по материалам полевых исследований. Сток определяется по данным гидростворов на реках, впадающих в водоемы и вытекающих из них. При отсутствии материалов наблюдений возможен подсчет стока по картам изолиний. Испарение с зеркала водоема (мм/сут) можно вычислить по формуле Б.Д. Зайкова

Е = 1,5 (р_н – р₂₀₀)(1 + 0,72 u₂₀₀), (14.5)

где р_н – максимальная упругость водных паров при температуре испаряющей поверхности, кПа;

р₂₀₀ – упругость водяных паров на высоте 200 см над водной поверхностью, кПа;

u₂₀₀ – скорость ветра на высоте 200 см над водной поверхностью, м/с.

С увеличением минерализации воды испарение уменьшается, однако при малых концентрациях солей (до 5–7%) этим уменьшением можно пренебречь.

Растения с плавающими листьями (ряска, кувшинки и др.) очень мало влияют на испарение. Полупогруженная водная растительность (камыш, тростник, хвощ и др.) увеличивает испарение с водоемов примерно в 1,3–2,0 раза.

Количество атмосферных осадков, выпадающих на зеркало малых озер, может быть вычислено по данным ближайших метеостанций. Количество осадков на крупных водоемах обычно несколько меньше, чем на суше, что связано с интенсивным перемещением воздушных масс над менее шероховатой водной поверхностью.

В зависимости от длительности пребывания одной и той же массы воды в водоеме создаются специфические температурные условия, изменяются химический баланс, минерализация, газовый режим, седиментация и накоплений донных отложений. В связи с этим важную роль играет кратность водообмена в сточном водоеме к_в = W_ст /V, где W_ст – сток воды за некоторый промежуток времени (например, за год). Обратное отношение (V/ W_ст) определяет период полного водообмена. При интенсивном водообмене значительная часть взвешенных и растворенных в воде веществ, поступивших в водоем, сравнительно быстро выносится из него, не успев претерпеть существенных изменений. Воздействуя на режим водоема, водобменность влияет и на развитие жизни в нем.

Изменения и колебания уровней озеровидных водоемов могут происходить при изменениях объема воды или при нарушениях горизонтального положения водной поверхности. Первые связаны с изменениями элементов водного баланса, вторые (д е н и в е л я ц и и) – с движением воды (волнами, сгонами и нагонами, сейшами и пр.). Поэтому уровни на водомерных постах, расположенных в различных пунктах крупного водоема будут различны. В ряде расчетов необходимо знать средний уровень. Он определяется как средневзвешенный с учетом частей площади зеркала, тяготеющих к водомерным постам.

В режиме уровней озер четко выражены как внутригодовой ход, так и многолетние и вековые колебания. Внутригодовой ход зависит в первую очередь от климатических условий.

В тундре и лесной зоне ход уровней озер характеризуется четко выраженным весенним подъемом, плавным спадом в течение лета и осени, нарушаемым нередко дождевыми паводками, и минимальными уровнями зимой. На многих бессточных озерах аридной зоны Аридная зона - собирательное название географических зон с малым увлажнением, в которых земледелие возможно лишь при искусственном орошении. после резкого весеннего подъема уровня происходит спад вплоть до летнего пересыхания. Уровни озер, вскрывающих горизонты грунтовых вод, колеблются в течение года незначительно.

В многолетних колебаниях уровней озер прослеживается цикличность, связанная с изменениями солнечной активности и сменами эпох атмосферной циркуляции. Цикличность может быть короткопериодная и долгопериодная (22 года и более).

При проектировании водохранилищ для каждого из них устанавливаются уровни, соответствующие определенным фазам гидрологического режима: нормальный подпорный, сработки, мертвого объема.

Н о р м а л ь н ы й п о д п о р н ы й у р о в е н ь (НПУ) достигается к концу наполнения в средний по водности год и может поддерживаться плотиной длительное время.

Ф о р с и р о в а н н ы й п о д п о р н ы й у р о в е н ь (ФПУ) превышает НПУ обычно не более чем на 0,5–1,0 м и может поддерживаться в течение короткого времени при высоких половодьях и паводках.

К уровням с р а б о т к и относятся: уровень ежегодной (диспетчерской) сработки, которого водохранилище достигает при нормальной эксплуатации; проектный уровень наибольшей сработки, который достигается только в маловодные годы; уровень мертвого объема (УМО), сработка ниже которого ведет к нарушению нормальной работы ГЭС.

Полный объем водохранилища включает: о б ъ е м ф о р с и р о - в а н и я, который располагается между ФПУ и НПУ; п о л е з н ы й о б ъ е м, который лежит между НПУ и УМО и используется обычно для регулирования стока; м е р т в ы й о б ъ е м, расположенный ниже УМО, не используется для регулирования стока, но необходим для поддерживания минимального напора на ГЭС, судоходных глубин, обеспечения работы водозаборных сооружений, соблюдения санитарных норм.

Дата добавления: 2014-01-20