CC BY
39
Гидравлика, гидрология, водные ресурсы
УДК 502/504:556:311.16
3. К. ИОФИН, О. И. ЛИХАЧЕВА, Е. А. ЧУДИНОВА
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вологодский государственный технический университет»
ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УРАВНЕНИЯ ВОДНОГО БАЛАНСА*
Рассматриваются вопросы точности соотношения количественной оценки водных ресурсов и удовлетворения в них потребностей различных отраслей экономики.
Водный баланс, впитывание, инфильтрация, суммарное испарение, линейно-корреляционная модель водного баланса, генетический тип почв, механический состав почв.
In the article there are considered questions of the correlation accuracy of the quantitative assessment of water resources and satisfying the demands of different fields of the economy in them.
Water balance, absorption, infiltration, total evaporation, linearly-correlation model of water balance, genetic type of soils, mechanical structure of soils.
По мере развития человеческого об- ного производства в мире, а также с уве-
щества потребности людей постоянно растут как в количественном, так и в качественном отношении, т.е. в обществе действует закон возвышения потребностей. Природные ресурсы, используемые в производстве, называют факторами производства. Это пахотные и другие земли, леса, полезные ископаемые, вода.
Рассмотрим один из аспектов, относящихся к факторам производства - водным ресурсам. Отношение к водным ресурсам в мировой гидрологии изменяется в сторону наиболее оптимального использования. Мировое сообщество озабочено проблемой обеспечения водой. В частности, ООН призывает к экономному использованию водных ресурсов. Эта организация с ее структурой обеспокоена недостатком и отсутствием водных ресурсов на сравнительно большой части земного шара.
Очевидно, что при недостаточности или отсутствии водных ресурсов не может существовать и развиваться ни одна из отраслей экономики любой страны. Все возрастающие объемы водопотребления, связанные с наращиванием промышлен-
*Работа выполнена за счет средств Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 годы, в рамках реализации мероприятий № 1.2.2 Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук».
личением численности населения, требуют все большего количества водных ресурсов. Несмотря на то что водные ресурсы ежегодно возобновляются, их количество принципиально ограничено. В условиях большого, но имеющего предел количества воды, необходимо обратить внимание на оптимальность оценки количества водных ресурсов и использования воды в мировой экономике.
На протяжении многих десятилетий и даже веков оценка водных ресурсов выполнялась и выполняется в настоящее время по уравнению водного баланса в такой его интерпретации: Р = У + Е, (1)
где Р - атмосферные осадки, выпадающие на поверхность водосбора реки; У - сток рек; Е -эвапотранспирация с поверхности водосбора реки.
Классики гидрологической науки, в
частности М. А. Великанов, А. Н. Бефа-
ни, утверждают, что уравнение водного
баланса должно содержать как минимум
еще один элемент [1, 2]:
Р = У + Е + и, (2)
где и - инфильтрация атмосферных осадков в подземные воды.
Не имея возможности определять в массовом количестве величину инфильтрации и, на практике ограничивались использованием уравнения (1) для многолетнего периода. Однако картина с точностью вычисления отдельных параметров по уравнению (1) довольно неприглядная.
78
№ 1' 2011
ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО
Если определять из этого уравнения, например, суммарное испарение (эвапотран-спирацию), то, сообразуясь с теоретическими представлениями и уравнением (2), мы будем получать не суммарное испарение Е, а величину Е + и. Аналогично при определении слоя стока У мы будем получать У + и. Таким образом, точность определения параметров уравнения водного баланса с использованием уравнения (1) будет зависеть от величины инфильтрации в подземные воды (при этом условие, что все остальные этапы вычисления выполняются с удовлетворительной точностью, сохраняется).
Правда, точность расчетов водного баланса во многом определяется характером почвенного покрова территории, для которой устанавливается водный баланс. Дело в том, что почвенный покров является своего рода регулятором и перераспределителем влаги между поверхностным стоком, впитывающей способностью поч-вогрунтов и инфильтрацией. Последовательность работы этого регулятора определяется как генетическим типом почв, так и его механическим составом. На процесс впитывания, в значительной мере зависящий от почвенно-грунтовых условий, заметное влияние оказывает порозность верхних горизонтов почв. Порозность, в свою очередь, обусловлена механическим составом, структурой почв и возможным наличием крупных фракций грунта.
Таким образом, определение слоя стока или слоя суммарного испарения с поверхности водосбора в конечном итоге определится типом почв и его механическим составом. Этим же фактором будет еще определяться и величина инфильтрации. Абсолютная величина инфильтрации определена авторами по линейно-корреляционной модели, основные положения которой изложены в [3]. В данной работе содержание этой модели не приводится из-за ее сравнительно большого объема.
Для оценки точности вычисления членов уравнения водного баланса (1) использованы данные наблюдений четырех водно-балансовых станций, состав и качество наблюдений которых позволяет сопоставить полученные данные и вычисленные значения по уравнению (1). В связи со сложностью пространственной интерполяции данных наблюдений за
суммарным испарением они приняты средними для всех водно-балансовых станций. Данные по сопоставлению наблюдаемых и вычисляемых значений водно-балансовых элементов приведены в таблице.
Выполненные расчеты достаточно информативны. Привлекает внимание ошибка вычисления суммарного испарения: во всех случаях она меньше ошибки вычисления стока. Если ошибки вычисления суммарного испарения изменяются от 21 до 50 %, то ошибки вычисления стока - от 49 до 262 %. Это обстоятельство может быть объяснено большими, чем слой стока, абсолютными значениями суммарного испарения. Поэтому при одной и той же разности измеренных и вычисленных величин слоя стока и слоя суммарного испарения, но при больших значениях суммарного испарения, чем стока, ошибка будет меньше при больших абсолютных значениях. Кроме этого, при определении как слоя стока, так и слоя суммарного испарения в их абсолютных значениях присутствует величина слоя инфильтрации в подземные воды. Совершенно очевидно, что, согласно уравнению (2), ошибки в вычислении связаны с включенным как в суммарное испарение, так и в слой стока слоем инфильтрации. Поэтому переход от частных случаев определения ошибок вычисления водно-балансовых составляющих при использовании данных наблюдений водно-балансовых станций к общим подходам можно осуществить при помощи графиков связи ошибки вычисления с абсолютным значением слоя инфильтрации (рис. 1, 2).
250
200
150
100
50
Б =
0,
50 100 150 200 250 300
U, мм
Рис. 1. Зависимость величины ошибки вычисления испарения по трехчленному уравнению водного баланса от инфильтрации
№ 1' 2011
Данные по сопоставлению наблюдаемых и вычисленных значений водно-балансовых элементов
Река—створ Г 1 Р, км Период наблюдения Наблюдаемые значения Значения, вычисленные по трехчленному уравнению водного баланса Инфильтрация Ошибка, %
^набл. ^набл. ^набл у А выч. р -^выч. и
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И
Подмосковная ВБС
Медвенка - Лапино 10 63 179 674 340 284 495 95 147 50
Медвенка (выше устья реки Закзы) 21,5 63 193 674 481 161
Медвенка (ниже устья реки Закзы) 40 63 213 674 461 181
Лог Лызлово 1,76 63 73 674 601 201
Лог Кулибин 0,44 50 42 573 531 198
Ручей Прогоны 0,8 63 92 573 481 170
Лог Полевой 0,11 62 94 573 479 131
Лог Лесной 0,066 50 33 573 540 85
Среднее значение по станции 115 624 340 284 509 153 147 50
Приморская ВБС
Река Комаровка - Комаровский 60,3 38 322 796 331 465 474 76 44 43
Река Комаровка - Центральный 157 38 300 745 331 414 445 58 38 34
Река Комаровка - Садовый 395 47 265 726 331 395 461 88 49 39
Река Комаровка - Сахарный завод 616 47 242 595 331 264 353 34 9 7
Река Комаровская Падь - Егерьский 24 38 357 775 331 444 418 79 24 26
Река Волха - Верхний 17,6 38 412 775 331 444 363 72 8 10
Река Волха - Нижний 69,5 38 365 775 331 444 410 73 22 24
Река Учхозный Ключ - Дальний 36,2 38 434 775 331 444 341 61 2 3
Река Семеновская Падь- Доковский 5,64 38 304 778 331 447 474 38 47 43
Река Барсуковка - Лесничий 36,8 38 250 741 331 410 491 67 64 48
Река Ключ Студеный - Пионерский 2,44 38 163 664 331 333 501 96 104 51
Река Глуховка - Мостовой 31,1 47 117 636 450 186 519 73 59 15
Лог Луговой - Луговой 0,28 43 181 648 450 198 467 13 9 4
Река Раковка - Боголюбовский 126 38 109 648 455 193 539 148 77 18
Река Раковка - Раковский 198 47 164 627 455 172 463 88 5 2
Река Раковка - Опытный 755 47 108 610 455 155 502 116 44 10
Река Каменка - Каменский 31,2 47 298 775 455 320 477 140 7 5
Река Михайловка - Михайловский 123 38 72 562 455 107 490 123 49 8
Река Бакарьевка - Дубинский 47,5 47 56 598 455 143 542 115 155 19
Река Репьевка - Воздвиженский 154 38 43 570 455 115 527 141 167 16
Среднее значение по станции 228 691 386 305 463 85 49 21
Продолжение таблицы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Нижнедевицкая ВБС
Река Девица 76 40 118 504 386 282
Река Девица - Товарня 103 40 138 504 366 258
Лог Барсук 10,7 40 44 522 478 85
Лог Круглый 0,83 40 36 606 570 105
Лог Медвежий 2,55 40 35 600 565 114
ЛогИвкин 0,5 40 37 607 366 191 570 93 262 33
Ручей Ясенок 21,7 40 107 585 478 295
Лог Барский 3,16 40 45 582 537 97
Лог Татьянин 0,18 40 88 504 416 138
Лог Малютка 0,05 40 65 527 462 68
Лог Вершинин 0,45 40 65 585 520 79
Среднее значение по станции 71 557 366 191 486 147 262 33
Валдайский филиал Государственного гидрологического института
Река Лонница - деревня Мосолино 48 61 300 752 452 23
Река Соснинка - деревня Киты 101 61 394 706 312 78
Река Полометь - поселок городского типа Лычково 2 180 61 292 706 336 400 414 173 208 41
Река Полометь - деревня Ермошкино 1 179 61 326 706 380 125
Река Полометь - деревня Соменка 776 61 327 706 379 144
Река Полометь - село Яжелбицы 631 61 343 706 363 122
Река Полометь - деревня Дворец 432 61 324 709 385 136
Река Соминка - деревня Дворец 34 61 321 752 431 63
Ручей Архиерейский 2,67 55 347 778 431 222
Лог Сосновый 0,093 55 164 771 607 ИЗ
Лог Еловый 0,0023 54 20 771 336 400 751 255 208 41
Лог Верховье Усадьевское 0,016 54 125 702 577 96
Лог Синяя гнилка - деревня Усадье 0,015 54 273 771 498 34
Лог Таежный 0,45 54 122 771 649 162
Среднее значение по станции 263 736 336 400 474 125 208 41
"О
"О О Еа О
0
01 <
о
Ч "О
о
00 о
Примечание: ошибка приведена без учета знака.
Гидравлика, гидрология, водные ресурсы
250
200
150 100
50
Е =
Hi,
0,
50
100 150 200 250 300
U, мм
Рис. 2. Зависимость величины ошибки вычисления стока по трехчленному уравнению водного баланса от инфильтрации
Выводы
Выполненная оценка вычисления водно-балансовых составляющих по трехчленному уравнению водного баланса показала значительные ошибки, что не может считаться приемлемым с практической точки зрения. Большие ошибки могут приводить к экономически неоправданным затратам в том случае, когда, например, полученные результаты при определении стока рек будут серьезно завышены. Например, в реальности такого стока рек может не быть. При расчете производительных сил какого-либо региона в этой связи будут допущены серьезные просчеты - в лучшем случае, в худшем - введенные в строй промышленные или гражданские объекты не смогут функционировать.
В зависимости от географического района соотношение абсолютной величины ошибки в вычислении как суммарного испарения, так и стока может изменяться. Так, в географической зоне избыточного увлажнения, где атмосферные осадки превышают суммарное испарение, соотношение ошибок исследуемых элементов может быть таким: ошибки вычисления суммарного испарения меньше ошибок вычисления стока. В географической зоне недостаточного увлажнения, где суммарное испарение превышает слой стока, ошибки вычисления суммарного испарения будут выше, чем ошибки вычисления стока по уравнению (1).
Поскольку ошибки вычисления зависят от природных условий, в частности
от почвенных характеристик территории, то возможно, что в некоторых регионах, где по сочетании почвенно-ботанических условий обеспечивается малая величина инфильтрации в подземные воды, ошибки вычисления также малы. В противном случае, когда почвенно-ботанические условия будут способствуют большой величине инфильтрации, уравнение (1) применять нецелесообразно из-за значительных ошибок вычисления.
Из приведенных примеров по водно-балансовым станциям следует, что, например, при слое инфильтрации 100 мм ошибка вычисления слоя стока приближается к 100 % .
Из выполненного анализа следует, что задача определения водно-балансовых составляющих не только гидролого-экологическая, но и экономическая. Представляется, что в этой связи проще затратить небольшие по сравнению с капиталовложениями в строительство финансовые средства для разработки нового подхода к оценке водно-балансовых составляющих, чем столкнуться с проблемой отсутствия воды в построенных объектах.
1. Бефани А. Н. Основы теории ливневого стока: труды Одесского гидрометеорологического института. - Л.: Гид-рометеоиздат, 1958. - 310 с.
2. Великанов М. А. Гидрология суши. -Л.: Гидрометеоиздат, 1948. - 530 с.
3. Иофин 3. К. Новый подход к определению составляющих водного баланса: тезисы VI Всесоюзного гидрологического съезда. - Л.: Гидрометеоиздат, 2004. -С. 29-30.
Материал поступил в редакцию 23.09.10. Иофин Зиновий Константинович, кандидат, географических наук, доцент
E-mail: Pirit35@yandex.ru
Лихачева Ольга Ивановна, старший преподаватель кафедры «Комплексное использование и охрана природных ресурсов» Тел. 8-921-235-28-76 E-mail: Olga_Ivanovna@mail.ru
Чудинова Екатерина Александровна,
соискатель
Тел. 8-909-598-58-45
E-mail: chudinova.katerina@yandex.ru
82
№ 1' 2011
