Испарение воды в речном бассейне

Водный балансречного бассейна– это совместное рассмотрение за какой-либо промежуток времени прихода, расхода и динамичных запасов воды в речном бассейне. Рассматриваются такие составляющие прихода-расхода влаги, как атмосферные осадки, испарение, речной сток, запасы подземных вод и запасы вод зоны аэрации. Выше, в разделе основы метеорологии, мы ознакомились с вопросами формирования и территориального распределения осадков. Здесь остановимся на рассмотрении другой важной характеристики – испарения.

Испарение с водной поверхностипо своей величине приближа­ется к испаряемости z₀=B/L (B – радиационный баланс, L – удельная теплота испарения),т.е. максимально возможному при данных климатических условиях испарению, зависящему от радиационного баланса. Величина годового испарения с водной поверхности для терри­тории бывшего СССР увеличивается с севера на юг и в среднем равна: в тундре 200–350 мм, в лесной зоне 350–650, в степной зоне 650–1000, в полупустыне и пустыне 1000–1800 мм.

Опытным путем испарение с водной поверхности в конкретных условиях может быть определено с помощью метода водного баланса, по ве­личине снижения уровня воды в естествен­ном водоеме или искусственном испарителе в результате испарения. Для его расчета широко применяются эмпирические формулы, среди которых наиболее известна формула Б. Д. Зайкова, показывающая, что испарение тем больше, чем больше ско­рость ветра и меньше влажность воздуха (и больше дефицит влажности):

z = 0,14n (e_{0 –} е₂₀₀)(1 + 0,72u₂₀₀), (3.28)

где z – испарение, мм; е_о – среднее значение максимальной упру­гости водяного пара, вычисленное по температуре поверхности воды в водоеме, мб; е₂₀₀ – средняя упругость водяного пара (абсолютная влажность воздуха) на высоте 200 см над водоемом, мб; u₂₀₀ – средняя скорость ветра на высоте 200 см над водоемом, м/с; п – число суток в расчетном интервале времени. В формуле (3.28) разность упругостей водяного пара е₀ - е_2т может быть заменена величиной, пропорциональной дефициту влажности воздуха cD₂₀₀.

Испарение с поверхности снега и льдазависит от тех же факто­ров, что и испарение с водной поверхности. Вследствие низкой температуры испаряющей поверхности протекает оно значительно менее интен­сивно, составляя за зиму всего 20–30 мм, т. е. в десятки раз меньше испарения с поверхности воды.

Испарение с поверхности снега измеряется спе­циальными испарителями весовым методом. На практике применяют эмпирическую зависимость, по своей структуре ана­логичную формуле (3.28).

Испарение с поверхности почвы без растительностиопределяется метеорологическими условиями и скоростью поступления воды к поверхности из более глубоких слоев грунта. Оно осуществляется не только непосред­ственно с поверхности почвы, но и с частиц ниже поверхности почвы и с «капиллярной каймы». Испарение с поверхности почвы тем больше, чем больше влажность почвы, дефицит влаж­ности воздуха и скорость ветра. Оно возрастает после дождей и при повышении уровня грунтовых вод. Потери воды на испарение с поверхности почвы могут быть определены с помощью почвенного испарителя. Объем испарив­шейся с почвы воды рассчитывают по изменению массы почвен­ного монолита, помещенного в испаритель.

Испарение растительным покровом (транспирация) имеет три стадии: 1) поглощение корневой системой расте­ний почвенной влаги, 2) подъем воды по стеблям, 3) испарение с поверх­ности листьев. С увеличением мощности и глубины корневой системы растений и увеличением размеров листьев и густоты листового покрова транспирация увеличивается.

Интенсивность транспирации зависит и от типа и возраста растений. У них различно и отношение массы испаряемой воды к массе прироста сухого вещества, называемое транспирационным коэффициентом. Он наибольший у риса, а наименьший – у хвойных деревьев.

За вегетационный период растения могут испарять значительные объемы воды. Так, годовой слой испарения для пшеницы составляет 250–300 мм, березы– 150–200, хвойных деревьев– 150–300 мм. Величина транспирации может быть определена с помощью почвенного испарителя. Для этого измеряют суммарное испарение с поверхности почвы и растительности (в этом случае монолит почвы имеет живые растения) и испарение с поверхности почвы под растениями (в этом случае измеряют испарение с монолита почвы, над которым подвешены срезанные растения, чем достигается естественная затененность почвы). Раз­ница в величинах испарения, определенного двумя этими способами, даст величину транспирации.

Суммарное испарениескладывается из испарения с поверхности почвы и транспирации (включая и испарение с крон деревьев). Суммарное испарение учитывается при анализе водного баланса речных бассейнов, поэтому в гидрологии ему уделяют наи­большее внимание.

Для определения суммарного испарения используют две группы методов. В первой из них применяют зависимости среднего мно­голетнего годового суммарного испарения (z)от годовых осадков (х), и испаряемости (z₀)_. Как упомянуто выше, M. И. Будыко предложил испаряемость z₀ определять как z₀= В/L, где В – среднее мно­голетнее годовое значение радиационного баланса, и L – удельная теплота испарения (L,= 2.512 мДж/м²мм). M. И. Будыко, следуя идеям П. Шрайбера и Э.М. Олдекопа, связывает величину испарения с величинами осадков и испаряемостью: z=f(x, z₀). Этот подход получил дальнейшее плодотворное развитие в работах В.С. Мезенцева и его школы, где он успешно применен в гидромелиоративных расчетах.

Вторая группа методов основана на использовании эмпириче­ских связей, например средних годовых и месячных величин сум­марного испарения с соответствующими значениями температуры и влажности воздуха (метод А. Р. Константинова), или средней месячной температуры и месячной суммы осадков (графики Б.В. Полякова для зоны недостаточного увлажнения и П.С. Кузина – для зоны достаточного и избыточного увлажнения).

Суммарное испарение изменяет­ся в зависимости от тепло- и влагообеспеченности территории. В среднем для различных при­родных зон характерны такие величины годового суммарного испа­рения z длятерритории бывшего СССР: тундра и лесотундра – 100–300 мм, лесная зона – 300–500, лесостепь и степь–300–500, полупустыня – 150–300 мм. Пределы изменения испарения в каждой природной зоне зависят от количества осадков.

Чем суше климат, тем больше разница между испаряемостью и фактическим суммарным испарением. В тундре, где почвы постоянно высоко увлажнены, испарение приближается к испаряемости. В пустынях при крайне малом количестве осадков испарение намного меньше испаряемости. В субтропических пустынях, например, при испаряемости 2000– 2500 мм фактическое испарение менее 100 мм.