Шпаргалка по "Геофизика ландшафта"

Выявлена зависимость площади бассейна, расхода воды от порядка реки. Также от порядка зависит структура долины. Так, водоток 1-го порядка - просто ручей, водоток 3-го порядка имеет 1-2 поймы, водоток 4-5-го порядка - три поймы, старицы, террасы. Таким образом, сложность строения долины возрастает с увеличением порядка водотока.

Река осуществляет работу по выносу, транзиту и аккумуляции вещества. Причем в водотоках 1-3-го порядков преобладает вынос, в водотоках 4-6-го порядков - транзит, 7-9-го порядков - аккумуляция.

Критерий целостности речной системы К:

,

где Q₁ - расход воды в элементарном бассейне, Q_n - расход во всем бассейне (на замыкающем створе). Таким образом, критерий целостности показывает вклад элементарных бассейнов в сток на замыкающем створе.

Уравнение водного баланса геосистемы имеет следующий вид:

X₁ + X₂ + X₃ + r = E + T + S_п + S_в + U + B_x ± G, где

Х₁ - приход осадков в жидкой фазе;

Х₂ - приход осадков в твердой фазе;

Х₃ - приход осадков в смешанной фазе;

r - конденсация;

E - физическое испарение;

Т - транспирация;

S_п - поверхностный сток (весенний - талые воды и летний ливневой);

S_в - внутрипочвенный сток (верховодка) - течет по горизонту В;

U - подземный сток;

В_х - влага, которая аккумулируется в ежегодном приросте фитомассы (1-3%);

G - фильтрация или поднятие из нижележащих горизонтов.

Подземный, внутрипочвенный и поверхностный сток вместе составляют суммарный речной сток Z.

 

21. Типы водного питания и водного режима геосистем

Типы водного питания - способы прихода влаги в ПТК. Типы водного режима - виды преобразования влаги в ПТК. Выделяют следующие типы водного питания:

1. Атмосферное - только за счет атмосферных осадков (водоразделы, верховые болота);
2. Грунтово-атмосферное (атмосферно-грунтовое) - на склонах;
3. Грунтовое - атмосферное питание здесь более чем в два раза меньше грунтового; выделяют собственно грунтовое и грунтово-напорное питание;
4. Склоновое (поверхностное, делювиальное) - в холмистых моренных ландшафтах, на тяжелых породах - распределение влаги по склону (особенно весной);
5. Пойменное (аллювиальное) - во время паводков (главным образом, весной);
6. Конденсационное - в пустынях, полупустынях ночью происходит внутрипочвенная конденсация влаги (из-за сильного ночного выхолаживания).

 

Типы водного режима - характеризуются по мощности слоя водообмена, осадкам и испарению. Выделяют следующие типы водного режима:

1. Мерзлотный - мощность слоя водообмена менее 1 м, водообмен происходит в течение 4-5 месяцев, физическое испарение E₀ больше транспирации T.
2. Промывной - нисходящее движение влаги, T > E₀. Иногда происходит заболачивание (болотный подтип), уровень залегания грунтовых вод меняется по сезонам (в июле-августе опускается).
3. Болотный - на верховых, сфагновых болотах, E₀ » Т. Лишь в отдельные (аномально сухие годы) происходит опускание уровня грунтовых вод до глубины 30-40 см, приобретает черты промывного режима.
4. Периодически промывной - лесостепь, иногда широколиственные леса (например, подтайга Западной Сибири). E₀ » T.
5. Выпотной (непромывной) - верхняя часть почвы увлажняется, но быстро испаряется - степи, сухие степи, полупустыни.
6. Конденсационный (соответствует конденсационному режиму увлажнения) - главный источник влаги в почве - конденсация влаги в почве.

 

22. Закономерности прихода атмосферных осадков в геосистемы

Изменчивость осадков в пространстве обусловлена как макроциркуляцией, так и локальными процессами. Пространственная изменчивость достигает 20%.  Простанственная изменчивость определяется 1) особенностями мезо- и микрорельефа, наличием крупных вдхр. и озер; 2) состоянием растительности (по сезонам).

Изменчивость осадков во времени - важный фактор функционирования геосистем, их эволюции и, вероятно, важный фактор проявления механизмов устойчивости экосистем. Временная изменчивость достигает 15-20% на севере и 30% и более на юге (за многолетний период). За отдельные месяцы изменчивость может быть больше. Чем больше осреднение периода, тем меньше изменчивость.

Мощным экраном, перехватывающим значительную часть атмосферной влаги, является растительный покров. Трансформация вод в лесных ландшафтах была подробно рассмотрена Н.А.Ворошиловым  в монографии “Роль лесов в охране вод”.

При распространеннии твердых осадков важное значение имеют метельный перенос и перехват растительностью.

Роса - “горизонтальные осадки” - конденсируется в приземном слое. Различают радиационную росу и гуттацию (конденсация влаги, выделяемой растительностью).

 

23. Водно-физические свойства почв и грунтов

При фильтрации и поднятии влаги определяющую роль играют водно-физические свойства почвы - пористость, капиллярность, удельная поверхность.

Пористость - способствует проникновению влаги вниз. Капиллярность отвечает за подъем вод за счет поверхностного натяжения, удельная поверхность - удерживание воды за счет молекулярных сил.

 

Пористость Р вычисляется по формуле:

где g_об - объемный вес почвы, r - плотность почвы. Пористость характеризуется коэффициентом фильтрации (мм/мин).

Фильрация воды по порам происходит в соответствии с законом фильтрации Дарси:

где DH/Dl - напорный градиент, k - коэффициент фильтрации, w - площадь поперечного сечения. Величина k различается у разных пород:

глины - 0,001 м/сут;

суглинки - 0,05-0,1;

супеси - 0,1-0,5;

лессовидные суглинки 0,25-0,5 (зависит от карбонатности);

мелкозернистые пески 1-5;

крупнозернистые пески 20-30;

гравий 20-150.

 

Капиллярность - может “подвешивать” влагу или ее поднимать до высоты h:

где r - плотность пород, r - радиус капилляра, g - ускорение силы тяжести. Капиллярность характеризуется средней и максимально возможной высотой подъема. Для всех пород средней является высота в 1 м, максимальной - 4м; по отдельным породам:

порода	средняя высота	максимальная высота
глина	0,7	2-4
тяжелый суглинок	0,6	1,5-3
средний и легкий суглинок	0,5	1,2-2
супесь	0,4	0,8-1,2
песок	0,3	0,2-1
торф	0,3-0,8	0,2-2,5

Высота поднятия важна для практических целей и для характеристики ПТК.

Удельная поверхность - характеризует водоудерживающую способность пород (влага удерживается за счет поверхностного натяжения). Максимальна удельная поверхность у монтмориллонита (800 м²/г), одна из самых маленьких - у каолинита (80 м²/г).

Таким образом режим движения влаги в почве зависит в первую очередь от водно-физических свойств пород.

 

24. Понятие структуры водного баланса

По Ю.А.Щербакову для природной зоны тайги характерны следующие значения составляющих водного баланса:

 

Х (осадки) = 100%;

S_п (поверхностный сток) = 24%;

U (подземный сток) = 10%;

физическое испарение = 12%;

транспирация = 28%;

испарение почвенной влаги = 26%.

 

Поверхностный сток характеризуется коэффициентом стекания S_п/X, где S_п - величина поверхностного стока, Х - количество осадков. Коэффициент стекания является функцией следующих величин: a (крутизна склона), М (механический состав), W (влагозапасы на склоне до дождя), i (интенсивность осадков).

 

Значения коэффициента стекания осадков

мех. сост.	кр. скл.	почвы с полной влажностью		почвы с нормальной влажностью (50-60%)		почвы с недостаточной влажностью (20-30%)
		осадки <0,1 мм/мин	осадки 1-2 мм/мин	осадки <0,1 мм/мин	осадки 1-2 мм/мин	осадки <0,1 мм/мин	осадки 1-2 мм/мин
супесь	3°	0,50	0,65	0,14	0,35	0,00	0,00
	9°	0,61	0,74	0,20	0,44	0,00	0,15
суглин.	3°	0,60	0,75	0,33	0,55	0,12	0,37
	9°	0,69	0,84	0,44	0,66	0,23	0,44

 

(по данным исследований Государственного метеорологического института и Геофизической обсерватории им. Воейкова в Ленинградской области).

 

Коэффициентом стока называется отношение:

где Z - суммарный русловой сток, Х - количество осадков. Другим показателем, характеризующим сток, является отношение поверхностного стока к подземному: S_п/U. На территории бывшего СССР это отношение в среднем равнялось 0,3.

Значения коэффициента стока максимально в Карелии, на плато Путорана; минимально в Мещерской, Полесской низменностях.

 

Показатели стока зональных типов ландшафтов

тип ландшафта	осадки	коэффициент стока Z/X	Sп/X
тундра	450-550	0,55	3,6
северная тайга	600-700	0,45	2,6
средняя тайга	600-700	0,36	2,4
южная тайга	550-700	0,27	1,5
смешанные и широколист. леса	550-650	0,20	1,5
лесостепь	480-580	0,12	2,3
степь	450-550	0,07	3,0
полупустыня	200-350	0,03	4,5

 

В пустынях происходит рассеяние стока, нет постоянных водотоков, поэтому здесь они не рассматриваются.

Для небольших рек (с площадью водосбора менее 1000 км², т.е. расположенных в одной физико-географической провинции) зависимость коэффициента стока от радиационного индекса сухости обратная (чем больше индекс сухости, тем меньше сток). Зависимость коэффициента S_п/U от индекса сухости имеет вид параболы с минимумом в районе значения индекса сухости 1.

 

 

 

 

 

Методы определения составляющих водного баланса:

Существует два основных метода определения составляющих теплового баланса:

1. Анализ типовых гидрографов. На основе ежегодной справочной информации строится типовой гидрограф реки. Потом он расчленяется по специальной методика и определяются составляющие водного баланса.
2. Водобалансовые экспериментальные изменения. С помощью специальных приборов измеряют сток, осадки и другие показатели.

 

25. Уравнения связи водного и теплового балансов

Между водным и тепловым балансом существуют тесные пространственные связи. Запишем уравнение связи.

R = LE + P + B_z + F;

X = E + Z + B_x.

В оба уравнения входит испарение Е, причем в обоих уравнениях оно играет очень большую роль. Поэтому целесообразно выразить его из обоих уравнений. Получим уравнение Будыко: