Лабораторная работа №2 эксперементальное определение величин уравнения водного баланса

Цель работы: научиться определять элементы уравнения водного баланса на экспериментальной площадке: слой осадков, слой стока, изменение влажности почвы в метровом слое, инфильтрации.

Исходные данные:

-площадка размером 2 х 2 м,

-величина искусственно созданных атмосферных осадков в отсчетах по баку, из которого вода подается к дождевальной установке (данные выдаются индивидуально),

-отсчеты по установке, учитывающей сток (данные выдаются индивидуально),

-влажность почвы до начала эксперимента и после его окончания (данные выдаются индивидуально).

Определить: величины воднобалансовых элементов по линейно-корреляционной модели, величину испарения и инфильтрации.

Порядок выполнения работы

Экспериментальные исследования являются одним из методов изучения водных объектов в гидрологии. Наравне с методом географической интерполяции, методом аналогии, экспериментальный метод широко применяется в гидрологической практике как для получения представления о распределении гидрологических величин, так и для детального изучения, например, процессов впитывания, склонового стока, времени добегания по склону и руслу, других задач.

Водный баланс и его математическое выражение в виде уравнения водного баланса являются отражением одного из физических законов применяемых в гидрологии - закона сохранения материи.

Для различных периодов детализация уравнения водного баланса различна. Так, для многолетнего периода уравнение водного баланса принято записывать в виде [1].:

, (2.1.)

где Е - результирующая суммарного испарения за вычетом конденсации;

- соответственно, поверхностный и подземный, дренируемый рекой, сток в мм;

- величина инфильтрации в подземные горизонты, не дренируемые рекой в мм;

- атмосферные осадки, выпадающие на водосбор, в мм;

Сумма ( ) представляет собой суммарный речной сток.

Для годового периода времени и отдельных периодов внутри года в уравнение вводится дополнительная составляющая: изменение влагозапасов за рассматриваемый промежуток времени [1]:

(2.2.)

или

= (2.3.)

Сущность экспериментального метода определения составляющих уравнения водного баланса состоит в следующем.

Выбирается площадка определенных размеров характерная по составу почв, растительности, уклону склонов. Площадка ограждается канавками или лотками для сбора стекающей воды. Искусственно на ней создается дождь при помощи дождевальной установки, одновременно фиксируется по временным интервалам количество подаваемой воды. Собранный в лотках или канавках сток подается на измерительное устройство, например, водослив, где фиксируется величина стока за определенное время.

При необходимости - для измерения элементов водного баланса за длительный промежуток времени - может быть установлен испаритель, по которому определяется величина испарения.

Учет инфильтрации может вестись по данным наблюдений за уровнем грунтовых вод в скважинах.

Величина подземного стока определяется по гидрографу стока методами его выделения из общего стока.

Учет изменения влажности почвы и, соответственно, впитывания ведется по отбору образцов почвы и их лабораторному анализу на влажность.

1. Вычисление характеристик атмосферных осадков.

а) слой израсходованной воды в баке, из которого она подается на дождевальную установку, выраженный в отсчетах по баку, необходимо пересчитать в объем выпавших осадков. Пересчет осуществляется с помощью переходного коэффициента k. Величина переходного коэффициента k зависит от геометрических размеров бака и площади дождевания. Примем диаметр бака равным 1м. Тогда площадь водной поверхности в баке составит 0,785 м², а в пересчете на площадку размером 2 х 2м, k= 0,2. Объем выпавших осадков (графа 5, табл.2.1) при таком k определяется как: = , где - разность отсчетов по баку (графа 4, табл. 2.1.).

Таблица 2.1.

Вычисление слоя осадков с k=0,2.

Время, t мин	, мин	Отсчет по баку h, мм	мм	Объем выпавших осадков ,мм	Интенсивность дождя, мм/мин	Слой выпавших осадков, Рмм
1	2	3	4	5	6	7
0		324
3		308
5		290
7		274
9		255
12		238
15		225
18		213
21		208
25		200
30		195

б) Интенсивность дождя (графа 6, табл. 2.1) при рассматриваемых параметрах определится по формуле:

, (2.4.)

где - площадь орошаемой площадки, согласно исходным данным равна 4 м².

в) слой выпавших осадков на площадку за время дождя определим последовательным суммированием выпавших осадков по интервалам времени (графа 7, табл. 2.1).

2. Вычисление характеристик стока.

Согласно отсчетам по водосливу (графа 3 табл.2.2), учитывающему количество стекающей воды с площадки за определенный интервал времени (графа 1, табл. 2.2), используя тарировочную таблицу водослива (табл.2.3), переведем отсчеты по водосливу в объем стока за рассматриваемый интервал времени (графа 4, табл. 2.2).

Объем стока за время необходимо перевести в слой. Для этого объем стока в мм³, умноженный на 10³ при переводе в миллиметры, делим на площадь орошения 4 х 10⁶ мм², переведенную также в мм, и время :

=

Интенсивность стока за время определяется по формуле:

, мм/мин (2.5)

Таблица 2.2.

Вычисление характеристик стока

Время, t, мин	,мин	Отсчеты по водосливу, Н, см	Объем стока, W,см3	Слой стока, Y,мм	Интенсив-ность стока, , мм/мин
1	2	3	4	5	6
0		0
3		0
5		202
7		198
9		200
12		220
15		210
18		200
21		180
25		170
30		160
35		150
38		140
40		120

3.Вычисление запаса влаги в почве.

Расчет выполняется до начала эксперимента и после его окончания.

Влажность почвы согласно [3] определяется по формуле:

, (2.6.)

где - запасы влаги в почве, мм;

- объемный вес почвы, г/см³, принимается по всей глубине отбора образцов равным 1,2 г/см³;

- мощность слоя почвы, см;

- влажность в % абсолютно сухой почвы;

0,1 - коэффициент перевода в миллиметры водяного слоя.

По методике, принятой в Роскомгидромете, запасы влаги подсчитываются для каждого десятисантиметрового слоя почвы. Запасы влаги в слоях любой большей мощности получаются простым суммированием запасов входящих в него 10-сантиметровых слоев. В предлагаемой работе суммирование запасов влаги проведем в метровом слое.

Все вычисления оформляются в табличной форме (таблица 2.4.).

Таблица 2.4.

Вычисление запасов влаги в почве

Глубина взятия образца почвы, см	Характеристики до начала эксперимента		Характеристики после окончания эксперимента
	начальная влажность, UН %	начальный запас влаги, VH, мм	конечная влажность, UК ,%	конечный запас влаги, VК, мм
5	27,4		27,9
10	27,5		27,9
20	27,4		27,5
30	26,9		27
40	26,9		27
50	26,8		27
60	26,7		26,9
70	26,7		26,9
80	26		26,2
90	25,2		25,8
100	25,9		26

1. Водный баланс метрового слоя почвы.

Используя уравнение (2.3.) - = и полученные значения стока и осадков, сравним изменение средних запасов (начальной и конечной) влаги с разностью осадков и стока. Для этого вычислим разность средних запасов влаги до начала эксперимента и после его окончания V= V_К - V_Н, а также разность суммы осадков ( графа 5, табл.2.1) и стока ( графа 5, табл.2.2) за период эксперимента: и ( - ). В случае, если они равны, инфильтрация отсутствует.

Если < ( - ), инфильтрация имеет место, ее величина равна разности:

- - . (2.7)

Разделить инфильтрацию и испарение в уравнении (2.7) не представляется возможным из-за отсутствия методов в классической теории водного баланса. Для этой цели прибегнем к линейно-корреляционной модели, разработанной Иофиным З. К.

2. Линейно-корреляционная модель стока.

Для использования этой модели необходимо построить график зависимости стока от атмосферных осадков [4] и вычислить параметры корреляционного уравнения: . Тогда средняя величина впитывания за период эксперимента определится величиной отрезка , отсекаемого на оси ординат с отрицательным знаком. Положительный знак говорит о противоположном явлении - аккумуляции выпавших осадков на поверхности водосбора

Величина инфильтрации определяется по формуле:

,мм. (2.8.)

Значение испарения получаем из выражения:

,мм. (2.9.)

Параметры корреляционного уравнения находятся методом наименьших квадратов:

(2.10.)

- значение стока каждого интервала времени;

- среднее значение стока за период эксперимента;

- значение осадков каждого интервала времени;

- среднее значение осадков за период эксперимента;

- коэффициент регрессии, определяемый по формуле:

, (2.11.)

где - коэффициент корреляции (мера тесноты связи),

- среднеквадратическое отклонение значений стока от среднего,

- среднеквадратическое отклонение значений осадков от среднего.

(2.12.)

(2.13.)

Подставив известные значения и в уравнение 2.10., найдем параметр b, из формулы 2.11. – 2.13. коэффициент k. Используя формулы 2.8. и 2.9. находим величины инфильтрации и испарения . Величина указывает на значение впитывания, которая может быть сравнима с V.

Контролем вычислений параметров уравнения водного баланса, полученных по линейно-корреляционной модели, служит сумма .