Испарение с водоёмов

Зимой с замерзающих водоёмов испарение мало. Его величину с поверхности льда и снега вычисляют по формуле Кузьмина:

где U_](m - скорость ветра, в м/с, на высоте флюгера 1U м.

Наряду с чисто физическим процессом испарения воды, описываемым формулой Дальтона и её эмпирическими модификациями, имеется ряд факторов, влияющих на величину испарения воды с открытой водной поверхности.

Во-первых, на водоёмах периодически действует так называемое механическое испарение. Оно возникает во время шторма, когда с крутых гребней волн срывается водяная пена, брызги, которые испаряются в воздухе. При волнении увеличивается и площадь испаряющей поверхности. В штиль она гладкая, а при волнении - бугристая с площадью до 10 % большей, чем при штиле. При волнении испарение воды из водоёма увеличивается и с его приурезовой полосы, которая заплескивается волнами, - при откате волны вода частично испаряется с нагретого солнцем пляжа.

Во-вторых, изменяет величину испарения и водная растительность на озёрной литорали и мелководьях озёр и водохранилищ. Воздушно-водные растения с надводными стеблями и листьями (камыш, тростник, рогоз, папирус) увеличивают испарение за счёт транспирации - физиологического испарения с поверхности листьев, увеличивающего потери воды из водоёма на десятки процентов в зависимости от размеров этих зарослей, их густоты и географического положения водоёма. Экспериментальные лимнологические исследования в районе Берлина показали, что эвапотранспирация (т. е. испарение с воды + транспирация макрофитов) в августе достигает в зарослях тростника 18 мм слоя воды в сутки (рис. 3.3), а за вегетационный период года их транспирация в среднем вдвое интенсивнее физического испарения с водной поверхности.

мм/сут

18 г-................................... Рис. 3.3. Изменение соотношения

интенсивности испарения с воды (/) и транспирации (2) в зарослях тростника в течение вегетационного периода (по: Wetzel, R. G. Limnology... 2001)

Полупогружённыс водные растения (рдест, белые кувшинки, жёлтые кубышки, водяная гречиха) несколько уменьшают величину физического испарения, поскольку уменьшают площадь испаряющей водной поверхности. А фитопланктон в открытых частях водоёма при большой его биомассе, концентрирующейся в самом поверхностном слое воды в штилевые дни, способствует повышению температуры водной поверхности и некоторому увеличению физического испарения воды.

В-третьих, чем выше минерализация воды в озере, тем меньше интенсивность физического испарения воды с водной поверхности. Причем настолько сильно, что при высокой минерализации, которая часто встречается в солёных озёрах, порядка 300 %о (промилле, т. е. 300 г/кг воды), интенсивность испарения сокращается примерно на 75 %. Таким образом, в бессточных водоёмах испарение ведёт к повышению минерализации, а повышение минерализации тормозит дальнейший процесс испарения. Это - ещё один природный абиотический механизм стабилизации водной экосистемы.

Аккумуляционные составляющие водного баланса. В водном балансе водоёма за конкретный период - год, месяц, декаду, сутки - аккумуляционная составляющая, обозначенная в формуле (3.7) как изменение запаса воды ±Д JT, может состоять из трех слагаемых:

где Д1Т_ВМ - аккумуляция воды в озёрной котловине или в полезной ёмкости водохранилища; ДЖ_а - аккумуляция воды в снежном покрове и льду, оседающем на береговых склонах при зимнем понижении уровня воды в водоёме; AW_n- аккумуляция воды в грунтах затапливаемых береговых склонов.

Два последних слагаемых пренебрежимо малы в большинстве озёр из-за малого размаха внутригодовых колебаний уровня воды. Но для водохранилищ с размахом колебаний уровня в несколько метров и даже десятков метров расчет этих составляющих водного баланса необходим. В этом - важная особенность водного баланса водохранилищ при их проектировании и эксплуатации водных ресурсов в сравнении со структурой водного баланса озёр. В фазу наполнения полезной ёмкости в уравнение водного баланса водохранилища составляющую тающего на берегах и акватории льда AIV_CJ} включают в приходную часть баланса, а объём воды грунтовой составляющей A W_n9 фильтрующейся из наполняемого водоёма в береговой склон - в расходную часть баланса. В фазу сработки обе эти составляющие сменяют знак аккумуляции на противоположный. Величина -AfV_Cfl характеризует оседание формирующейся ледяной толщи со снегом на обсыхающих участках ложа за пределами уреза, а величина +AJV_n - возврат в водоём вод, накопленных в многоводную фазу в водоносных слоях грунтовой толщи побережья.

Объём воды (в м³) в той части снежно-ледовой толщи, которая оседает на обсыхающих при сработке берегах (рис. 3.4), рассчитывается по формуле:

Рис. 3.4. Осевший лсд на берегах водохранилища при зимней сработке, а - площадь на плане водоема: 1 - обсохшая при летне-осенней сработке; 2 - покрытая льдом, осевшим в течение расчетного периода зимней сработки; 3 - водной поверхности под ледяным покровом; б- поперечный разрез по линии С-Д:

//„ и Н_к- уровень воды в начале ледостава и в конце расчетного периода, /»_лн и И_лк- толщина ледяного покрова

где Jh_H и t'_K - площади водохранилища, в км*, в начале и конце расчетного периода; Л_с и Ид - средняя толщина снега и льда (в м) в те же моменты; р_с - средняя плотность снега, р - плотность воды, принимаемая равной 1 т/м³, р_л = 0,9 т/м³- плотность льда.

Оценка точности расчёта баланса. Фактическое изменение объёма воды в водоёме А ]?_ф определяют по его объёмной кривой ЩИ) и средним значениям уровня воды в первый день расчетного периода и в первый день следующего периода. Разность фактического изменения запаса воды в водоёме и вычисленного по балансу Д за расчётный период называется невязкой водного баланса:

Невязка характеризует точность балансового расчета, в котором неизбежно накапливаются погрешности трёх видов:

• 1) случайные ошибки в исходных данных гидрометеорологических наблюдений;
• 2) ошибки в расчёте составляющих баланса или некорректное использование эмпирических формул и коэффициентов;
• 3) систематические ошибки из-за не учтённой составляющей баланса вследствие невозможности организовать необходимые наблюдения на водоёме.

В гидрологии уравнивать водный баланс водохранилища для оценки величины относительной невязки /?вб принято так:

в фазу наполнения полезной ёмкости, невязку прибавляют к сумме его расходных составляющих: LIVпр. = EFPpac. + Д^вь + Мзь- Тогда /?_ВБ = N_BbfLWnp., в %;

- в фазу сработки её прибавляют сумме приходных составляющих: ЕЖрас. = пр. + AfV_BB + Л^вб* Тогда и_Вб ⁼ AW^JTpac., в %.

Многолетний опыт расчета водных балансов водохранилищ в гидрометеообсервториях показал, что в большинстве случаев для годовых водных балансов относительные невязки получаются (явб<2-3 %), для месячных балансов она может возрастать в 2- 3 раза. Такие величины лвб считаются в Гидрометслужбе допустимыми, при их больших значениях требуется искать возможные ошибки в расчёте водного баланса или выяснять ненадёжность значений его составляющих. Таким образом, определение величины /;_Вб позволяет сравнивать надёжность расчёта баланса за различные расчётные периоды, а также различия в структуре водных балансов водохранилищ разного размера и проточности. При этом учитывается, что /?вб, как правило, существенно больше для декадных балансов, а для суточных - достигает нередко 100 % и более.

Более статистически значима, но реже оцениваемая, вероятная суммарная ошибка водного баланса (о_Вб)- Она зависит от величины случайных ошибок § исходных данных:

• 8ю - вероятная ошибка гидрометрического учета притока воды в водоём по равнинным рекам составляет в среднем ±5 %, по горным - ±15-20 %;
• 8уб- вероятная ошибка расчета бокового притока с равнинных водосборов - ±20 %, с горных - до ±50 %;
• 5у - вероятная ошибка учета стока через крупные гидроузлы - ±2-5 %, на малых и средних ГЭС - ±5-8 %;
• 5// - вероятная ошибка определения среднего уровня в водохранилище принимается равной ±1-2 см (Викулина, 1979); осадков (5р)- ±18 % и испарения (6_?) -±15%.

Эти ориентировочные относительные значения случайных ошибок пересчитывают в вероятные средние квадратичные ошибки расчета объёмов воды, в млн. м³ (например, Оуо⁼ ^о^ю/ЮО и т. п. или 0,02F^m 10⁶), в балансе конкретного водоёма, а затем - используют формулу:

Если невязка У/ <1,96овб> то считают, что расчет водного баланса водоёма выполнен с точностью, которая соответствует современной изученности составляющих баланса. В противном случае следует снова рассмотреть указанные выше три вида ошибок и предпринять попытку их исправления или уменьшения.

Так, при расчетах месячных водных балансов Рыбинского, Камского и Можайского водохранилищ за годы различной водности, были установлены систематические невязки разного знака для фазы наполнения и для фазы сработки. По статистически значимым линейным связям невязок N м³/мес. с изменением уровня воды были получены значения третьей компоненты аккумуляционной составляющей (±AW_rB в уравнении 3.21) - накопление воды в грунтах побережья при наполнении полезного объёма, проявляющееся в подтоплении отдельных участков побережья. Часть этой грунтовой воды, не испарившаяся и не профильтровавшаяся в глубинные водоносные горизонты, затем возвращалась в полезный объём водохранилища но мере его летне-осенней сработки. Введение полученных эмпирических зависимостей - ДfV_rB = f(AH) и AIV_rB = f(-AH) в расчеты уменьшило годовую и месячные невязки в водных балансах этих разнотипных равнинных водохранилищ.

Задачи балансовых расчетов озер и водохранилищ различны. Расчёты водного баланса озёр производятся сравнительно редко и, главным образом:

- в научных и природоохранных целях: для прогнозирования колебаний уровня при изменении климатических условий, для расчета баланса и средней концентрации растворенных и взвешенных минеральных и органических веществ, определяющих экологическое состояние озера, формирование в нём качества воды и биопродуктивности;

на стадии проектирования какого-либо хозяйственного использования озёрных ресурсов.

Для водохранилищ расчёты водного баланса основополагающие и на стадии проектирования гидроузла, и в течение всего времени его эксплуатации. Помимо решения общелимнологических задач, при эксплуатации требуется балансовыми расчетами обеспечить управленческие решения оптимизации регулирования речного стока для обеспечения всего водохозяйственного комплекса своевременной подачей воды в требующемся объёме и наилучшего качества. Поэтому главной становится задача ежесуточного расчёта водного баланса и даже краткосрочного и среднесрочного прогноза его составляющих на основе метеорологических прогнозов. Решение этой задачи особенно важно для водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования стока и их каскадов в период предполоводной сработки и наполнения в половодье, а также при регулировании крупных дождевых паводков. Такие водохранилища отличаются сложной конструкцией гидроузла и многометровой сработкой, что вызывает необходимость учитывать, во-первых, многокомпонснтность стоковой и аккумуляционной составляющих (уравнения 3.12 и 3.21). Во-вторых, на берегах водохранилищ обычно имеются различные водозаборные установки, водосбросы канализационных или ирригационных систем, сбрасывающие сточные воды. В водном балансе таких водохранилищ необходимо учитывать и техногенные составляющие водного баланса- ± Qtc в уравнении (3.12), что еще больше усложняет балансовые расчеты в сравнении балансовыми исследованиями озёр.