Элементы гидрологического цикла

Атмосферные осадки

Осадки – это высвобождение воды из атмосферы для достижения поверхности земли. Термин «осадки' охватывает все формы воды, выбрасываемой в атмосферу (снег, град, мокрый снег и дождь). Осадки являются основным источником воды в водосборном бассейне реки. Они требуют тщательной оценки в гидрологических и гидрогеологических исследованиях.

Возникновение и виды осадков

Способность воздуха удерживать водяной пар зависит от температуры (Davie, 2008): чем холоднее воздух, тем меньше водяного пара сохраняется. пар будет конденсироваться в жидкую или твердую воду (например, капли воды или льда). Вода не будет самопроизвольно конденсироваться. В атмосфере должны присутствовать мельчайшие частицы, называемые ядра конденсации.На ядрах конденсации образуются капли воды или льда. Капли воды или льда, образующиеся на ядрах конденсации, обычно слишком малы, чтобы падать на поверхность в виде осадков. Они должны расти, чтобы иметь достаточную массу, чтобы преодолевать подъемные силы внутри облака. .

Существуют три условия которые необходимо выполнить до образования осадков (Davie, 2008):

• Охлаждение атмосферы
• Конденсация пара на ядрах
• Рост капель воды или льда

Существуют три основных типа осадков:

• Конвективные осадки
• Орографические осадки
• Циклонические осадки

Конвективные осадки

Нагретый воздух у земли расширяется и поглощает больше водяной влаги. Теплый, насыщенный влагой воздух поднимается вверх и конденсируется из-за более низкой температуры, вызывая осадки. Этот тип осадков имеет форму местных вихревых гроз.

Орографические осадки

Механический подъем влажного воздуха над гора барьеры, вызывает обильные осадки на наветренной стороне горы.

Циклонические осадки

Неравномерный нагрев земной поверхности солнцем приводит к возникновению областей высокого и низкого давления. Воздушные массы перемещаются из областей высокого давления в области низкого давления, и это движение вызывает осадки. Если теплый воздух заменяет более холодный, фронт называется фронтом. теплый фронт. Если холодный воздух вытесняет теплый, то его фронт называется холодный ветер.

Измерение осадков

Количество осадков обычно выражается как вертикальная глубина жидкой воды. Количество осадков измеряется миллиметры (мм), а не по объему, например, в литрах или кубических метрах.Измерение осадков это глубина воды которые накопились бы на поверхности, если бы весь дождь остался там, где он выпал. Снегопад также может быть выражен как глубина жидкой воды.

Для гидрологических целей это наиболее полезно описано в глубина водного эквивалента.

Вода эквивалентная глубина это глубина воды, которая была бы, если бы снег растаял.

Что касается гидрологический анализ это важно;

• узнать, сколько осадков выпало,
• и когда это произошло.

Осадки в разных местах местности регистрируются с помощью дождемеров двух основных типов:

• не записывающие датчики дождя
• запись дождемеров.

Датчики дождя без записи

Незаписывающий дождемер состоит из воронки с круглым ободком и стеклянной колбы в качестве приемника.

Цилиндрический металлический кожух крепится вертикально к каменному фундаменту с ровным краем над поверхностью земли.

Дождь, попадающий в воронку, собирается в приемнике и измеряется в специальном мерном стакане, отградуированном в миллиметрах осадков. Обычно измерения количества осадков производятся в 08.00:16.00 и в 24:XNUMX. Во время сильных дождей их необходимо измерять три или четыре раза в день. Таким образом, дождемер без записи показывает только общую глубину осадков за предыдущие XNUMX часа.

Запись дождемеров

A дождемер записывающего типа имеет автоматическую механическую компоновку, состоящую из:

• часовой механизм,
• барабан с закрепленной вокруг него миллиметровой бумагой
• и кончик карандаша, который рисует массовая кривая осадков.

Этот тип манометра также называется самозапись, автоматически or встроенный датчик дождя.

Из этой кривой массы осадков;

• глубина осадков в данный момент времени,
• скорость или интенсивность дождя в любой момент во время шторма,
• можно определить время начала и окончания дождя.

Существуют три типа записывающих дождемеров:

• Датчик дождя с опрокидывающимся ковшом
• Дождемер весового типа
• Дождемер поплавкового типа

Датчик дождя с опрокидывающимся ковшом

Дождемер с опрокидывающимся ковшом состоит из цилиндрического ресивера диаметром 30 см с воронкой внутри.

Под воронкой находится пара опрокидывающихся ковшей. Ковши поворачиваются так, что при движении одного из ковшей. Дождемер с опрокидывающимся ковшом (по Рагхунатху, 2006 г.). получает осадки 0.25 мм, оно опрокидывается и опорожняется в нижний резервуар, в то время как другое ведро занимает свое место, и процесс повторяется. Опрокидывание ведра приводится в действие электрической цепью, которая заставляет ручку двигаться по диаграмме, обернутой вокруг барабана, который вращается часовым механизмом.

Дождемер весового типа

В дождемере весового типа, когда в резервуаре собирается определенное количество осадков, он заставляет ручку двигаться по диаграмме, обернутой вокруг барабана с часовым приводом.

Вращение барабана устанавливает шкалу времени, а вертикальное движение пера регистрирует совокупное количество осадков.

Дождемер поплавкового типа

В дождемере поплавкового типа, когда дождь собирается в поплавковой камере, поплавок движется вверх, что заставляет ручку двигаться по диаграмме, обернутой вокруг барабана с часовым приводом.

Когда поплавковая камера заполняется, вода автоматически вытекает через сифонную трубку, расположенную в соединенной сифонной камере. весовые и поплавковые дождемеры может хранить умеренное снегопад которые оператор может взвесить или расплавить и записать эквивалентную глубину дождя.Снег можно растопить в датчикесам (поскольку он собирается там) с помощью установленной на нем системы обогрева или путем помещения в датчик определенных химических веществ (хлорид кальция, этиленгликоль и т. д.).

Среднее количество осадков по площади

Точечные осадки: Это осадки, зарегистрированные на одной станции.

Для небольших территорий площадью менее 50 км2 за точечные осадки можно принять среднюю глубину по площади. На больших территориях приходится устанавливать сеть осадкомерных станций (метеостанций). Поскольку осадки на большой площади неравномерны, необходимо определить среднюю глубину осадков по площади.Среднее по площади количество осадков среднее количество осадков на большой территории (бассейне, равнине, области и т. д.) за определенный период времени (год, месяц и т. д.).

Среднее количество осадков по площади определяется одним из следующих факторов: три метода:

• Метод среднего арифметического (среднего)
• Изогиетальный метод
• Метод многоугольников Тиссена

Среднее количество осадков на осадкомерных станциях за общий (один и тот же) период времени используются при применении этих методов, поскольку продолжительность периода наблюдения для каждой станции может быть разной.

Метод среднего арифметического (среднего)

Его получают путем простого арифметического усреднения сумм осадков на отдельных осадкомерных станциях (метеостанциях) в водосборной зоне.

Pave = ∑ Pi / n (2.1)

Pave = средняя глубина осадков по площади.

∑ Pi = сумма осадков на отдельных осадкомерных станциях.

n = количество осадкомерных станций в районе

Эта способ быстрый и простой и дает хороший

оценки в равнинной местности (Raghunath, 2006):

• если датчики распределены равномерно,
• и если осадки на разных станциях не сильно отличаются от среднего.

Изогиетальный метод

В этом методе; осадки, измеренные на гидропостах (метеостанциях), наносят на подходящую карту-основу и проводят линии равного осадки (изогиеты) с учетом орографических эффектов и морфологии штормов.

На изогиетальной карте показаны линии с равными осадками, нарисованные так же, как на топографической контурной карте. Изогиетальная карта имеет интервал осадков между изогиетами — 10 мм, 25 мм, 50 мм и т. д.

Среднее количество осадков между последовательными изогиетами (P1, P2, P3,…) принимается за среднее значение двух изогиет.

Эти средние значения; взвешенные с площадями между изогиетами (a1, a2, a3, …), сложенные и разделенные на общую площадь бассейна, что дает среднюю глубину осадков по всему бассейну.

Pave = ∑ * (Pi +Pi+1)/2 ] ai / A (2.2) ai = площадь между двумя

последовательные изогиеты Pi и Pi+1

A = общая площадь бассейна.

Метод многоугольников Тиссена

Этот метод пытается учесть неравномерное распределение калибров, предоставляя весовой коэффициент для каждого калибра (Raghunath, 2006).

Станции нанесены на базовую карту и соединены прямыми линиями.

Биссектрисы проведены к прямым линиям, соединяющим соседние станции в многоугольники.

Предполагается, что каждая область полигона находится под влиянием осадкомерной станции внутри нее.

П1, П2, П3, …. - осадки на отдельных станциях,

и а1, а2, а3, …. площади полигонов, окружающих эти станции (зоны влияния).

Средняя глубина осадков для бассейна определяется выражением

Pave = ∑ Pi ai / A (2.3) A = общая площадь бассейна.

Полученные результаты обычно более точны, чем полученные простым арифметическим усреднением.

Датчики (станции) должны быть правильно расположены над водосбором, чтобы получить многоугольники правильной формы.

Испарение и транспирация

Процесс переноса воды с земной поверхности (поверхность суши, свободные водные поверхности, грунтовые воды и т. д.) в атмосферу называется испарение. В процессе испарения скрытая теплота испарения отбирается с поверхности испарения. Поэтому испарение рассматривается как процесс охлаждения. Испарение с поверхности земли, свободная вода

поверхности, грунтовые воды и т. д. имеют большое значение в гидрологических и метеорологических исследованиях, поскольку влияют (Усул, 2001):

• вместимость резервуаров,
• дебит речных бассейнов,
• размеры насосных станций,
• безвозвратное использование воды растениями и др.

испарение определяет потерю воды растениями в атмосферу через поры на поверхности их листьев. В районах, покрытых растительностью, практически невозможно отличить испарение от транспирации. Поэтому эти два процесса объединяются и называются эвапотранспирация.

выпаривание

Скорость испарения и эвапотранспирация зависят от:

• метеорологические (атмосферные) факторы, воздействующие на регион,
• и от характера испаряющей поверхности.

Факторами, влияющими на скорость испарения (а также эвапотранспирацию), являются:

1. Солнечная радиация
2. Относительная влажность
3. Температура воздуха
4. ветер
5. атмосферное давление
6. Температура жидкой воды
7. соленость
8. Аэродинамические характеристики
9. Энергетические характеристики

Измерение испарения

Наиболее распространенным методом измерения испарения является использование испарение хлеб.

Это большая кастрюля с водой с прибором для измерения глубины воды.

Это устройство позволяет записывать, сколько воды теряется в результате испарения за определенный период времени.

На стандартной метеостанции испарение измеряется ежедневно как изменение глубины воды. Испаритель заполнен водой, поэтому испарение открытой воды измеряется. Стандартный испаритель, называемый испарителем класса А, имеет диаметр 122 см и глубину 25.4 см.

Эмпирические коэффициенты (коэффициент лотка) применяются для оценки испарения из более крупных водоемов (озеро, водохранилище плотины и т. д.) с использованием измеренного испарения лотка.

Значения коэффициента поддона для испарительного поддона класса А колеблются в пределах 0.60-0.80, а 0.70 используется как среднегодовое значение.

Методы оценки испарения

Трудности измерения испарения с помощью метеорологических приборов привели к тому, что для оценки испарения было приложено много усилий.

Существуют различные методы оценки испарения:

1. Метод водного баланса
2. Метод энергетического бюджета
3. Эмпирические уравнения (Торнтвейта, Пенмана, Пенмана-Монтейта и др.)

Метод водного баланса

Простой подход к определению испарения включает поддержание водного баланса.

Уравнение непрерывности можно записать в следующем виде для определения испарения (Е) за определенный период:

E=(∆S+P+Qs) – (Qo+Qss)

∆S: изменение в хранилище, P: осадки,

Qs: поверхностный приток, Qo: поверхностный отток,

Qss: подземный отток (фильтрация)

Метод энергетического бюджета

Для определения испарения из озера можно использовать энергетический баланс.

E=(Qn+Qv-Qo) / ρ.Le (1+R)

Qn: Чистая радиация, поглощаемая водоемом, Qv: Адвективная энергия притока и оттока,

Qo: увеличение запасенной в воде энергии, ρ: плотность воды,

Le: скрытая теплота парообразования,

R: Отношение потерь тепла за счет теплопроводности к потерям за счет испарения.

Эмпирические уравнения (Торнтвейта, Пенмана, Пенмана-Монтейта и др.)

Эмпирические уравнения основаны на измеренных метеорологических переменных (параметрах).

Осадки, солнечная радиация, скорость ветра и относительная влажность значения используются для оценки испарения по этим уравнениям.

Используя эти уравнения, можно сделать хорошую оценку испарения из озер за годовые, месячные или суточные периоды.

испарение

испарение растением приводит к испарению с листьев через небольшие отверстия (устьица) в листе.

Это иногда называют сухим испарением листьев.

Ботаники разработали различные методы измерения транспирации. Одним из широко используемых методов является измерение фитометр (Рагхунатх, 2006).

Фитометр состоит из закрытого водонепроницаемого резервуара с достаточным количеством почвы для роста растений, при этом открыто только растение.

Вода применяется искусственно до тех пор, пока рост растения не завершится.

Оборудование взвешивается в начале (W1) и в конце эксперимента (W2).

Вода, применяемая во время роста (w) измеряется, и вода, потребляемая транспирацией (Wt) получается как

Wt = (W1 + w) - W2

Эвапотранспирация

Эвапотранспирация (Et) – общая потеря воды с возделываемой (или орошаемой) земли за счет испарения из почвы и транспирации растениями.Потенциальная эвапотранспирация (Эпт) представляет собой эвапотранспирацию от короткой зеленой растительности, когда корни снабжаются неограниченным количеством воды, покрывающей почву. Обычно выражается в виде глубины (см, мм) по площади.

Ниже приведены некоторые из методы оценки эвапотранспирации (Рагхунатх, 2006 г.):

• Танки и лизиметрические эксперименты
• Полевые опытные участки
• Уравнения эвапотранспирации, разработанные Лоури-Джонсоном, Пенманом, Торнтвейтом, Блейни-Криддлом и др.
• Метод индекса испарения.

инфильтрация

Вода, поступающая в почву с поверхности земли, называется инфильтрация. Она восполняет дефицит влаги в почве, а лишняя вода под действием силы тяжести опускается вниз. Этот процесс называется глубокое просачивание or перколяция, пополняет запасы грунтовых вод и повышает уровень грунтовых вод.

Максимальная скорость, с которой почва в любом данном состоянии способна поглощать воду, называется ее инфильтрационная способность.

Инфильтрация (f) часто начинается с высокой скорости (от 20 до 25 см / час) и снижается до довольно стабильного состояния (fc) по мере того, как дождь продолжается, называется окончательным fp (= от 1.25 до 2.0 см/ч)

Скорость проникновения (f) в любое время t дается уравнением Хортона

(Рагхунат, 2006): f = fc + (fo – fc) e–kt

fo = начальная скорость инфильтрационной способности

fc = конечная постоянная скорость инфильтрации при насыщении

k = константа, зависящая главным образом от почвы и растительности e = основание логарифма Непера

t = время от начала шторма

Инфильтрация зависит от:

• интенсивность и продолжительность осадков,
• погода (температура),
• характеристики почвы,
• растительный покров,
• землепользование,
• начальная влажность почвы (начальная влажность),
• захваченный воздух в почве или камне,
• и глубина залегания грунтовых вод.

Определение инфильтрации

Методами определения инфильтрации являются:

• Инфильтрометры
• Наблюдение в ямах и прудах
• Лизиметры
• Симуляторы искусственного дождя
• Гидрографический анализ

Ссылки

• Проф. Др. ФИКРЕТ КАЧАРОГЛУ, Конспект лекций, Университет Мугла Ситки Кочман
• Дэви Т., 2008 г., Основы гидрологии (второе изд.). Рутледж, 200 стр.
• Рагунатх, Х.М., 2006 г., Гидрология (второе изд.). Нью Эйдж Инт. Публ., Нью-Дели, 463 стр.
• Усул Н. Инженерная гидрология. METU Press, Анкара, 404 стр.