2. Баланс содержащихся в воде веществ

В воде могут находиться во взвешенном или растворенном состоянии различные вещества — наносы (взвеси), растворенные соли, газы и т. д. При изучении их режима учитывается закон сохранения массы этих веществ (см. уравнение (2.1)).

Источниками поступления находящихся в воде веществ служат эрозионные процессы, физическое и химическое выветривание, растворяющая работа воды, обмен с атмосферой, химические, био­химические и другие процессы. Во многих случаях эти вещества поступают в водные объекты и удаляются из них вместе с водой (например, с поверхностным и подземным стоком). Поэтому изу­чение баланса и режима взвешенных и растворенных веществ не­обходимо вести на основе анализа водного баланса, т. е. с исполь­зованием уравнения (2.5). При рассмотрении баланса солей, а так­же некоторых химических элементов и газов необходимо учитывать сложные химические и биохимические процессы, происходящие в водных объектах и приводящие либо к дополнительному поступ­лению этих веществ в воду, либо к удалению их из воды. К числу таких процессов относятся, например, образование органического вещества в результате фитосинтеза и разложение органического вещества.

При изучении баланса взвешенного или растворенного веще­ства часто используют данные не о массе этих веществ, а об их концентрации С, выраженной в кг/м³ или мг/л. В этих случаях

масса данного вещества в объеме воды m-aCV, где V— объем воды, д — множитель, зависящий от размерности концентрации С: при размерности кг/м³ <2=1, при размерности г/м³ (или мг/л) а = 10~³.

2. Тепловой баланс

Уравнение теплового баланса (2.2) для любого объема воды или участка суши и интервала времени At должно включать различные составляющие прихода теплоты 0⁺ и ее расхода 0~.

Наиболее важный член уравнения теплового баланса — радиаци­онный баланс R, представляющий собой разность между количе­ством суммарной коротковолновой солнечной радиации, поглоща­емой поверхностью воды или суши 0_С, и эффективным длинновол­новым излучением этой поверхности /:

R = Q_c-I=(Q+q)'(l-r)-I. (2.6)

В уравнении (2.6) Q — прямая, q — рассеянная солнечная ради­ация, г—альбедо поверхности, т. е. отношение количества отра­женной солнечной радиации к количеству поступающей, /— эф­фективное излучение, равное разности между излучением поверх­ности воды или суши в атмосферу и поглощенным встречным излучением атмосферы.

Ряд членов уравнения теплового баланса связан с поступлением или удалением теплоты с поверхностными или подземными водами. Соответствующие приходные и расходные составляющие теплового баланса обозначим через 0_пр и 0_расх и представим как 0_пр = 0* + 0 * и 0_расх = 0~ + 0“, где 0^ — приток (индекс +) или отток (индекс -) теплоты с поверхностными водами, &_w — то же, с подземными.

В уравнении теплового баланса учитывают также теплообмен с атмосферой 0_атм и грунтами 0_Ф, обусловленный различиями в температуре воды и воздуха, воды и грунтов. Соответствующие при­ходные члены уравнения (при поступлении теплоты из атмосферы и от фунтов) обозначим через 0_атм и 0*, а их сумму —через 0о_бм= = 0_атм + 0_ф. Аналогично сумма расходных членов теплообмена (при удалении теплоты в атмосферу и в грунт) записывается как 0^_м=

О_атм Оф .

Большое количество теплоты расходуется (выделяется) при фазовых переходах. Поступление теплоты обозначим через 0ф_аз._пер, затрату — через 0ф_{аз пер}. Эти члены уравнения равны соответственно

®фаз. пер ~ ®лед ®конд ^ ®фаз. пер ®пл ®исгп ГДе 0_лед И 0_КОНД ВЫДеЛеНИе

теплоты при ледообразовании (замерзании воды) и конденсации водяного пара, 0_Ш и 0_ИСП — затраты теплоты на плавление льда и испарение воды (см. разд. 1.3.3).

Вместе с дополнительными положительными членами — поступ­лением теплоты с атмосферными осадками 0*, а также вследствие

перехода части кинетической энергии в тепловую (диссипации энергии 0_ДИС) уравнение теплового баланса (2.2) записывается в виде

^ + ®пр + ©обм + ©фаз. пер + + ®дис ~ ®расх + ®обм + ©фаз. пер ± А0. (2.7)

Все члены уравнения (2.7) выражают в единицах теплоты (Дж) или относят к единице массы (Дж/кг), объема (Дж/м³), площади объекта (Дж/м²). Соответственно и изменение теплосодержания Д0 будет выражаться как с_ррVAT, с_рАТ, с_ррАТ, c_pphAT, где V — объем объекта; р — его плотность; h — толщина слоя (получают путем деления объема V на площадь F); с_р — удельная теплоемкость воды при постоянном давлении.

Зная количественное выражение различных членов уравнения теплового баланса, можно рассчитать величину А0, а затем опре­делить и изменение температуры АТ. При Д0 = О и ДГ=0, т. е. температура объекта не изменяется. При А0 > 0 температура объек­та повышается (ДГ>0), при Д0<О, наоборот, понижается (АТ< 0).

Метод теплового баланса широко используют в гидрологии для исследования изменений температуры воды в реках, озерах, океанах и морях. Как и метод водного баланса, он заключается в состав­лении и анализе уравнения вида (2.7) и его членов, проверке или расчете трудно поддающихся определению членов уравнения. Урав­нение теплового баланса можно использовать, например, для рас­чета количества растаявшего льда или воды, испарившейся с по­верхности водоемов или участков суши. Для этого по известным членам уравнения теплового баланса находят затраты (поступление) теплоты при фазовых переходах, а затем по формулам (1.11) или (1.12) определяют массу (объем или слой) воды, образовавшейся вследствие таяния льда, или массу (объем, слой) испарившейся воды. Зная плотность льда, объем воды легко пересчитать в объем (толщину) растаявшего льда. Аналогично можно найти объем или слой испарившейся воды.