Испарение с поверхности суши в бассейне Верхней Волги Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

2. Шитиков В. К., Розенберг Г. С., Зин-ченко Т. Д. Количественная гидроэкология: методы, критерии, решения: монография. - Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. - 463 с.

3. Дмитриев В. В. Оценка экологического состояния водных объектов суши: Экология. Безопасность. Жизнь. Экологи-

ческий опыт гражданских, общественных инициатив. - Гатчина, 2000. - Ч. 2. Уязвимость водной экосистемы - С. 284-296.

Материал поступил в редакцию 21.04.11. Маркин Вячеслав Николаевич, кандидат технических наук, доцент Тел. 8 (499) 153-90-28 E-mail: [email protected]

УДК 502/504 : 556.132.6 Т. И. БЕГЛЯКОВА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

ИСПАРЕНИЕ С ПОВЕРХНОСТИ СУШИ В БАССЕЙНЕ ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ

Рассматривается определение суммарного испарения с поверхности суши и изменения бассейновых влагозапасов для частных водосборов бассейна Верхней Волги. При этом в качестве ретроспективного периода используются данные о стоке и атмосферных осадках за период 1914/1915-2000/2001 годов.

Испарение, бассейновые влагозапасы, водный баланс, бассейн Верхней Волги.

There is considered a determination of the total evaporation from the dry land surface and change of the basin moisture stocks for private water catchments of the upper Volga basin. And as a retrospective period there are used the flow and precipitation data for the period of 1914/1915-2000/2001 years.

Evaporation,basin moisture stocks,water balance,the upper Volga River basin.

Суть проблемы. Одним из основных средств разрешения теоретических и практических гидрологических проблем являются воднобалансовые исследования, которые служат основой количественной оценки водных ресурсов и их изменений под влиянием деятельности человека.

Анализ исходных данных, используемых для расчета отдельных элементов водного баланса, и увязка этих элементов между собой служат определением недостатков в размещении наблюдательных станций и выявлении систематических ошибок измерений отдельных составляющих водного баланса. Изучение водного баланса дает возможность косвенным путем вычислить по разности известных значений элементов баланса неизвестный элемент, например, испарение с речного

№ 2' 2012

бассейна по разности осадков и стока [1].

Проблеме изучения взаимосвязи элементов водного баланса (атмосферных осадков, речного стока и испарения) в гидрологии уделяется повышенное внимание. Так, к концу ХХ века в исследованиях проявилась тенденция перехода от изучения водного баланса в его простейшей форме в виде традиционных трех- и четырехчленных уравнений к изучению водного баланса отдельных звеньев единого гидрологического цикла в системе «атмосфера - земная поверхность - зона аэрации - грунтовые воды - русла рек» с учетом их взаимосвязи и разработка моделей формирования речного стока. В немалой степени этому способствовали экспериментальные исследования водного баланса, проведенные в 60-70-х годах

1бб)

прошлого столетия как в России, так и за рубежом.

В настоящее время мы не располагаем даже годовыми оценками основных элементов водного баланса (осадков, стока, испарения, влагозапасов) для большинства речных бассейнов России за период имеющихся инструментальных наблюдений за стоком и атмосферными осадками.

Атмосферные осадки являются обычно единственным источником поступления влаги на сушу. Поэтому точность измерения и расчета количества выпадающих осадков в значительной мере определяет надежность всех воднобалансовых расчетов [1].

Среднее количество осадков, выпадающих в речном бассейне или на любой другой территории, устанавливается по данным наблюдений осадкомеров, расположенных в пределах изучаемой территории. Провести непосредственные измерения испарения с суши и водной поверхности позволяют специальные приборы, которые вследствие конструктивных особенностей вносят те или иные погрешности в измеряемые величины испарения. Кроме того, сеть таких испарителей ограничивается немногочисленными водно-балансовыми и агрометеорологическими станциями, которые к тому же не могут обеспечить измерения испарения для всего спектра испаряющих поверхностей, существующих в пределах даже относительно малого речного бассейна, а тем более крупных речных бассейнов. Таким образом, в настоящее время оценка элементов водных балансов речных бассейнов, в том числе и определения испарения с поверхности суши, является одной из актуальных задач гидрологии.

Методы расчета. Испарение с поверхности суши может быть рассчитано следующими методами: методом водного баланса, методом теплового баланса, методом турбулентной диффузии или градиентов, комплексным (тепловоднобалансо-вым) методом, эмпирическими методами (формулами).

Метод водного баланса применяется для оценки испарения с конкретных участков суши различных размеров, в том числе с сельскохозяйственных полей и угодий [2].

Метод теплового баланса пригоден для оценки испарения с территории, окружающей теплобалансовые станции, и не может использоваться на стандартной (обычной) сети станций. Данный метод не учитывает горизонтальные градиенты турбулентного теплообмена (адвекция) и поэтому может применяться преимущественно для достаточно однородных равнинных участков местности, покрытых однообразной растительностью.

Метод турбулентной диффузии (или градиентов) учитывает влияние адвекции и температурной стратификации. Однако в связи с трудоемкостью представленных в методе расчетов не имеет широкого применения.

Комплексный (тепловоднобалансо-вый) метод позволяет определить испарение с орошаемых сельскохозяйственных полей за месячные и межфазные периоды отдельных лет при различной степени увлажнения почвы (от влажности завяда-ния растений до полной влагоемкости) и при различных способах полива [2].

Эмпирические методы для определения испарения в отличие от балансовых основываются на массовых данных метеорологических наблюдений: температуре и влажности воздуха, скорости ветра, облачности, продолжительности солнечного сияния.

При расчете испарения и изменения бассейновых влагозапасов была выбрана методика, приведенная в работах [3, 4]. Согласно данной методике, при определении суммарного испарения с поверхности суши и изменения бассейновых вла-гозапасов в качестве исходных данных используются суммарные атмосферные осадки, выпадающие на рассматриваемой территории, и сток в замыкающем створе данной территории. При этом следует отметить, что к числу наиболее трудноопределяемых элементов водного баланса (ЭВБ) относится изменение бассейновых влагозапасов (АУ).

Рассмотрим уравнение водного баланса (ВБ) вида Р + АУ. = К + Е., (1)

1 1 1 17 ч '

где Р, АУ1, И , Е1 - соответственно годовые осадки, изменение бассейновых влагозапасов, сток и испарение.

При Е1 =0 получим: Р1 + АУ1 = К1 и

АУ = К - Р..

1К 1 1

При И. =0 получим: Р. + АУ. = Е. и

АУ._ = Е. - Р..

1Е 1 1

При Е. ф 0, К. ф 0 получим: Р. + АУ. =

К + Е. и АУ.= АУ._ + АУ.,,. . . м

. . . .И .Е 0

При этом принимаем, что АУ1R = И. - н 0,5Р. и АУ._ = Е. - 0,5Р..

.Е

Тогда Р. - И. = Е. - АУ., откуда следу-

ф

ет, что при АУ = 0 Р. К + Е.. л

. = . . н

Согласно методике, изложенной в а

работе [3],

ч

[АУ.Е] = «Р^[АУ.И]). (2) « «

Для бассейнов, по которым имеются % 2

данные о всех ЭВБ за многолетний пери- £ ^ од, т. е. известны Р , И , ЕАУ., определя- | | ем ежегодные значения [АУ.И] и [АУ.Е] и

их статистические параметры (среднее и й ^ стандарт), а также коэффициенты взаим- ^

ной корреляции. По этим данным получа- | ^

ем многофакторные уравнения регрессии: ^ ® [АУ.е] = а А [АУЖ] + Ь А Р. +[АУДр, (9)

где А [ау.и] = [Ауш] - [АУШ]СР, АР. = Р. " рср, [ау.е1ср О § = - [АУ.и]ср при [Ау.]ср = 0 а [Ау.и]ср = Кср - 0,5Рср.

Зависимость (2) затем используется ^ ^

для определения ежегодного испарения: 3 ^

[Е.] = 0,5Р. + [ауе] « $

Для [Е ] определяем выборочные I 1-ч

. Ф Л

оценки основных статистических параме- Л ,н

тров (среднее, стандарт, коэффициент ва- и м

риации, коэффициент автокорреляции), а 8

н в

которые и сопоставляются с аналогичны- | §

ми параметрами для ряда Е.. й М

Опираясь на изложенную методику, £ ®

и

были определены элементы водного балан- # х

са в бассейне Верхней Волги. Для выяв- ц ®

« М

ления стохастических свойств временных ® й

рядов были получены выборочные оценки 8 5Э

Н й

среднего значения, коэффициентов вари- § «

5 и

ации, асимметрии и автокорреляции за ^ ^ период 1914/1915-2000/2001 годов N «

= 87 года) (таблица). Из таблицы видно, ^ и

что средняя многолетняя величина атмос- и ч

ферных осадков в бассейне Верхней Вол- §

ги изменяется от 597 (частный водосбор ® 2

Чебоксарского водохранилища) до 716 8 и

мм (частный водосбор Иваньковского во- и <5

дохранилища). Средняя величина речного ^

стока колеблется от 137 (частный водосбор ®

Чебоксарского водохранилища) до 242 мм д

(частный водосбор Нижегородского водо- о

хранилища). Средняя величина суммар- о1

ного испарения с поверхности суши нахо- 3

дится в диапазоне от 373 (частный водо- ® сбор Нижегородского водохранилища) до 503 мм (частный водосбор Иваньковского водохранилища). Коэффициент вариации

Частный водосбор Чебоксарского водохранилища 0,31 ь-СО ь- - 141 | гН СО 1 0,04 0,05

ьа о СО ^ 1 СО ю 00 ю 3 203 00 со 0,08 -0,10 -0,07

Ч ь- со 1 9 <М 2 ь- 155 со со 0,24 0,66 0,38

а. ь-сп ю 2 00 ь- 9 со 343 СП СО 0,12 -0,01 -0,04

Частный водосбор Нижегородского водохранилища ^ -0,29 3 ю 1 -140 293 СП 1 0,04 0,39

ьа 3 ь- 3 2 ю ^ 9 СП 2 153 о со 0,08 0,16 0,02

Ч 2 2 6 ю ^ ю СП 361 | СП СО 0,29 0,45 0,48

а. ю гН СО ь- <м 00 9 4 378 | со ь- 0,12 0,24 0,09

Частный водосбор Рыбинского водохранилища ^ 0,91 о ь- 0 СП - 160 | 00 <м 1 -0,20 -0,08

ьа ь- 3 00 ю 2 о 4 181 ю со 0,07 0,27 -0,19

Ч о 2 2 ь- 3 ю СП 7 ь- 2 00 ю 0,28 0,43 0,35

а. 00 ь-СО 9 00 00 4 ю 4 435 | со 00 0,12 0,04 0,14

Частный водосбор Угличского водохранилища ^ -0,10 ю о 1 1 СП - 196 | СП со 1 0,28 -0,05

ьа ю СП ^ 0 00 ю 4 СО 3 216 | <м 0,08 -0,60 -0,05

Ч 00 СП 1 0 со ^ ю СО 365 | СО 0,32 0,67 0,42

а. 3 СП СО 1 00 00 6 со 4 445 | СП 00 0,13 -0,23 0,13

Частный водосбор Иваньковского водохранилища ^ 0,26 ю ь- 00 00 - 163 <м со 1 0,08 0,001

ьа 3 о ю 0 СО 6 ю гН 4 245 о ^ 0,08 0,59 -0,13

Ч 3 гН 2 3 ю 3 гН 00 | 272 | СО ю 0,26 0,05 0,39

а. 6 гН ь- 9 ю 9 00 СП 4 461 <м СП 0,13 -0,15 0,11

Параметр Среднее значение Максимальное значение Минимальное значение | Амплитуда | Стандарт Коэффициент вариации Су Коэффициент асимметрии Сн Коэффициент автокорреляции г[1]

величин стока - 0,07...0,32.

Были проанализированы колебания элементов водного баланса по частным водосборам бассейна Верхней Волги. Установлено, что элементам водного баланса характерно чередование их аномальных значений. На рисунке приведены аномальные изменения в ходе колебания ЭВБ частного водосбора Чебоксарского водохранилища. Для установления длительности этих периодов построены разностные интегральные кривые ЭВБ для частных водосборов бассейна Верхней Волги, по которым видно, что помимо отдельных маловодных лет по осадкам и стоку выделяются и их группировки, охватывающие от двух до десяти лет:

двухлетки - 1919/1920-1920/1921, 1945/1946-1946/1947, 1973/1974-

1974/1975, 1991/1991-1991/1992 и 1995/1996-1996/1997 годы;

трехлетки - 1931/1932-1933/1934,

1941/1942-1943/1944,

1948/1949-1950/1951 годы;

пятилетки - 1935/1936-1939/1940

годы.

Кроме этих группировок маловодных лет по осадкам, можно выделить наиболее длительный 19-летний маловодный период по условиям естественной увлажненности (1931/1932-1950/1951), а по стоку - 46-летний маловодный период (1931/1932-1977/1978). Если анализировать суммарное испарение, то можно выделить достаточно длительный 43-летний засушливый период (1931/19321974/1975). По суммарным изменениям бассейновых влагозапасов наблюдается непрерывное чередование трех-четырехлетних группировок по сработке (- ДУ.) и наполнению (+ ДУ.) бассейновых влагозапасов. Здесь также можно выделить достаточно длительные группировки изменения бассейновых влагозапасов.

(Р, - Рср), мм/год

1920

1940

1960

1980

Годы

2000

(Д - Дор), мм/год

1920

1940

1960

1980

Годы

2000

(£, - -Еср), мм/год

1920

1940

1960

в

1980

Годы

2000

- Кр). мм/год

■ Ь

1920

1940

1960

Годы

1980 2000

Аномалии изменения суммарных годовых атмосферных осадков Р (а), речного стока Я (б), испарения Е (в), бассейновых влагозапасов V (г) за период с 1914/1915 по 2000/2001 год для частного водосбора Чебоксарского водохранилища

Выводы

Проведенный сопряженный анализ свидетельствует о том, что помимо осадков на формирование маловодных и многоводных периодов годового стока оказывают влияние и такие элементы водного

(б8\

баланса, как суммарное испарение и изменения бассейновых влагозапасов.

1. Соколова А. А., Чапмена Т. Г. Методы расчета водных балансов: руководство по исследованиям и практике. - Л.:

№ 2' 2012

б

а

г

Гидрометеоиздат, 1976. - 120 с.

2. Рекомендации по расчету испарения с поверхности суши / Под ред. П. П. Кузьмина, С. М. Алпатьева. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1976. - 96 с.

3. Исмайылов Г. Х., Федоров В. М. Оценка возможных изменений элементов годового водного баланса бассейна Волги // Природообустройство. - 2010. - № 5. -С. 58-64.

4. Исмайылов Г. Х., Федоров В. М.

Межгодовая изменчивость и взаимосвязь элементов водного баланса бассейна реки Волги // Водные ресурсы. - 2008. - Т. 35. - № 8. - С. 259-277.

Материал поступил в редакцию 03.06.11. Беглякова Татьяна Ивановна, аспирантка кафедры «Гидрология, метеорология и регулирование стока» Тел. 8-905-781-97-25. E-mail: [email protected]

УДК 502/504 : 626.83

Д. С. БЕГЛЯРОВ, Д. Ш. АПРЕСЯН

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В НАПОРНЫХ СИСТЕМАХ ВОДОПОДАЧИ ПРИ ПУСКАХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

В статье излагаются вопросы, с вязанные с переходными процессами в напорных системах водоподачи при пуске насосов. Приводится методика расчета по определению параметров насосного агрегата.

Напорная система водоподачи, насосная станция, насос, напорный трубопровод, клапан для впуска и защемления воздуха, обратный клапан, переходные процессы.

There are stated questions connected with transients in pressure water supply systems under pumps starting. The calculation method is given on determination of the pump aggregate.

Pressurized water supply system, pump sion and jamming valve, back-pressure При изменении режимов работы насосных станций в их элементах возникают гидромеханические переходные процессы. По частоте повторения и месту, занимаемому в рабочем процессе станции, переходные процессы можно разделить на основные и особые.

Основные переходные процессы -«нормальный» пуск насосного агрегата; зарядка и разрядка сифонного водовыпу-ска или открытие и закрытие затвора; изменение подачи насоса с помощью разворота лопастей рабочего колеса или изме-

№ 2' 2012

station, pump, pressure pipeline, air admis-valve, transients. нение частоты вращения агрегата; «нормальная» остановка агрегата - являются необходимой частью рабочего процесса станции и повторяются каждый раз при изменении режима ее работы [1].

Особые переходные процессы - это работа насоса в неустойчивой зоне характеристики, отключение двигателя насоса от сети без отключения напорного водовода от верхнего бьефа, пуск насоса при закрытом клапане срыва вакуума на сифонном водовыпуске. Указанные режимы не являются обязательными для эксплуата-

1б9)