Круговорот воды в природе. Водный баланс. Атмосферные осадки и их распределение по территории

Радиационный баланс земной поверхности Rравен разности по-глощенной солнечной радиации и длинноволнового эффективного излучения:

,                                        /? = Q*(l-<x)-/,                                 (1.12)

где Q_R— суммарная коротковолновая радиация (сумма прямой и рассеянной радиации); а — альбедо (отношение величины отраженной радиации к величине приходящей радиации); / — эффективное излучение, т. е. разность собственного излучения земной поверхности и поглощаемого на поверхности противоизлучения атмосферы.

Наибольшее значение альбедо характерно для чистого и сухого снега •—0,90—0,95. Однако снежный покров редко бывает совершенно чистым, поэтому средние значения альбедо снега в большинстве случаев равны 0,70—0,80. Альбедо влажного и загрязненного снега снижается до 0,40. Альбедо естественных поверхностей с растительным покровом изменяется сравнительно в небольших пределах — от 0,10 до 0,25.

При большой сухости почвы вся вода, поступающая в виде осад-ков, задерживается молекулярными силами на частицах почвы и в конечном итоге расходуется на испарение. В таких условиях (обычно наблюдаются в пустынях) коэффициент стока уо/х_о приближается к нулю. Так как сухость почвы растет с увеличением радиационного притока тепла и с уменьшением количества осадков, то

-^-->0   или   -£^-»1    при   —------>*э.               (1.13)

х₀                             х₀                              Lx_Q

При уменьшении отношения R/Lx₀, которое принято называть радиационным индексом сухости, значение z_o/x_Qбудет уменьшаться, т. е. возникнет некоторый сток. При достаточно больших осадках и малом притоке радиационного тепла наступает состояние избыточного увлажнения верхнего слоя почвы. Для условий избыточного увлажнения

Lz_o-+Rпри    —-------.0.                          (1.14)

Lx₀

Исходя из условий (1.13) и (1.14)

^Zo=f^thJJT'^(1Л5)

где th— символ гиперболического тангенса.

На рис. 1.2 зависимость z_o/x_oот R/Lx₀для значений R/Lx₀в соответствии с условием (1.14) изображена прямой О А, для больших R/Lx₀в соответствии с условием (1.13) —прямой АВ. Экспериментальные данные показывают, что фактически наблюдается плавный переход от линии О А к линии АВ.

Исследование уравнения связи теплового и водного балансов суши выполнили М. И. Будыко и Л. И. Зубенок (1961). Они проанализировали данные для многих районов суши, для которых испарение было подсчитано по уравнению водного баланса как разность осадков и стока. На рис. 1.3 в общем виде представлена зависимость стока от годовых сумм осадков и радиационного баланса. Исследованиям водного и теплового баланса посвящены работы В. С. Мезенцева, Н. А. Багрова, А. Р. Константинова и др.

Рис.   1.2.  Зависимость  коэффициента испарения от  радиационного индекса сухости

Рис. 1.3. Зависимость стока от осадков и радиационного баланса

На основе уравнений водного и теплового балансов В. С. Мезенцев разработал метод гидролого-климатических расчетов применительно к решению различных задач инженерной гидрологии [24].

Единицы измерения стока воды. Сток в зависимости от решаемой задачи может выражаться в виде расхода воды, объема стока, модуля и слоя стока. Расход воды Q выражается обычно в м³/с Объем стока W— это объем воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени Т больше секунды. Следовательно, W=TQ. В таких случаях объем стока выражается в кубических метрах или кубических километрах с указанием, за какой период (месяц, год и , т. д.). Количество воды, стекающей с единицы площади водосбора в единицу времени, называется модулем стока. Выразив модуль стока М в л/(с • км²), получим где F— площадь водосбора, км². Эта характеристика широко используется в гидрологиче:ких расчетах. Она удобна для сравнения удельной водоносности водосборов рек. Например, для Москвы средний годовой модуль стока равен 6, Хабаровска — 8, Батуми — 50 л/(с-км²).

Если сток сравнивают с осадками и испарением (см. табл. 1.1 и 1.2), говорят о слое стока, т. е. количестве воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени, равном толщине слоя, равномерно распределенного по площади этого водосбора   (мм/год).

Слой стока у и модуль стока М связаны следующим образом. Объем воды W(м³/год), стекающей с площади водосбора F(км²), составляет:

W=-^—F-W⁶=WyF. юз

Этот объем воды стекает с водосбора за 31,5-10⁶ с в году