Измерение элементов водного баланса

Важным элементом гидрологических расчетов стал в настоящее время расчет основных составляющих водного баланса - осадков, стока и испарения - и всего баланса в целом для отдельных речных бассейнов, озер, крупных территорий.

Об измерении стока мы уже говорили. Этот элемент баланса определяется надежнее, с достаточной для расчетов точностью, 3-5%, которой достигают при измерении скорости течения вертушкой. При этом измерение расхода идеально суммирует весь сток с бассейна до измерительного, "замыкающего", как говорят гидрологи, створа. Здесь не надо ничего ни прибавлять, ни убавлять, ни осреднять. Величина точного, осредненного по бассейну стока получается как бы автоматически. Сток является единственным интегральным элементом водного баланса, измеренным для всей площади водосбора. Все другие элементы баланса, такие, как осадки, испарение, влажность почвы, снежный покров, подземные воды, определяются по выборочным данным, по наблюдениям в точке, а не на площади, а затем "искусственно" осредняются путем соответствующих вычислений.

Значительно хуже обстоит дело с определением средних осадков по бассейну. Хотя измерение осадков касается в основном метеорологов, но это такой больной вопрос для гидрологов, что они занимаются им наравне с метеорологами. Дело в том, что когда необходимо установить среднее количество осадков для какой-либо площади, например для площади административной области, республики, речного бассейна, то осадки измеряют лишь в сравнительно редких точках - в дождемерных пунктах, а затем измеренные в этих точках величины осредняют тем или иным способом по всей площади. Тут следует вспомнить, как неравномерно распределяются осадки по территории, в особенности ливневые,- на одном конце улицы может идти ливень, а на другом сиять солнце. Таким образом, при сравнительно редкой дождемерной сети многие дождемерные пункты могут просто не уловить отдельные дожди.

Для точного измерения осадков на площади пришлось бы организовать такую густую сеть дождемерных пунктов (примерно по 1 дождемеру на каждые 1-2 км²), что значительной части населения земного шара, бросив все дела, пришлось бы заниматься только измерением осадков.

Далее, количество выпавших осадков измеряют, как известно, дождемерами.

В СССР их называют теперь осадкомерами; они несколько отличаются по размерам от дождемеров, приемная площадь которых составляет 500 см²; дождемеры были заменены на дождемерной сети СССР осадкомерами в 1950-1956 гг.

В настоящее время во всем мире применяют дождемеры (в виде открытого сверху сосуда) такого же типа, который применялся в Индии в конце 4 в. до н. э. Это был сосуд диаметром 45 см; для измерения количества выпавших осадков дождевую воду не переливали в мензурку, как это делается теперь, а просто определяли глубину слоя воды в самом дождемере. Своего рода суммарный дождемер измерял общее количество осадков за определенный промежуток времени. По количеству выпавших осадков в Древней Индии назначали налоги на урожай.

Дождемеры в виде сосудов известны в Китае в 13 в., в Корее они получили распространение начиная с 15 в. и представляли собой бронзовый цилиндр диаметром около 15 см, который устанавливался на специальном мраморном постаменте.

Корейский дождемер 1441 г., по Бисвасу

В Европе дождемеры современного типа появились в 17 в. (первым о них упоминает в письме своему другу Галилею в 1693 г. итальянец Б. Кастелли).

Современный осадкомер, принятый в СССР, представляет собой металлический цилиндрический сосуд (дождемерное ведро) строго определенного диаметра (15,8 см; таким образом, площадь приемной поверхности ведра составляет ровно 200 см²). Ведро постоянно стоит открытым на столбе высотой 2 м. Попавшие в ведро осадки один или два раза в сутки сливают в стеклянную мензурку - дождемерный стакан. Отсчеты непосредственно по мензурке показывают высоту слоя осадков, который остался бы на поверхности почвы, если бы не стекал, не испарялся и не просачивался.

Точность измерения осадков осадкомером весьма изменчива - зависит от места и способа установки ведра: на открытом для ветра месте дождемер покажет количество осадков, отличающееся от измеренного в защищенном месте, и т. д. Если осадки выпадают зимой в виде сухого снега, то ветер обычно выдувает часть снега из ведра, несмотря на применяемые меры защиты ведра от ветра. Бывает и наоборот - при очень неудачной установке ведра ветер "надувает" в ведро лишний дождь или снег.

Но это еще не все. При переливании осадков из ведра в мензурку обязательно теряется некоторая часть - смачивается наклоненная стенка ведра. А если осадки выпали в виде снега, то их надо до измерения еще и растопить. Да и из самого дождемерного ведра, стоящего на столбе, часть уловленных осадков должна испариться до того, как ведро снимут со столба для измерения.

Таким образом, дождемеры и осадкомеры показывают неточное, обычно преуменьшенное количество осадков, особенно в северных странах, где выпадает много снега. Поэтому советские метеорологи и гидрологи, когда подсчитывали водный баланс территории Советского Союза, ввели поправки к измеренным величинам осадков. Поправки были рассчитаны после специальных исследований и анализа огромного материала наблюдений. Величина поправок к среднему годовому количеству осадков колебалась в отдельных районах СССР от +17 до + 56%, т. е. в некоторых случаях осадков было в действительности в 1,5 раза больше, чем показывал дождемер!

Всемирная метеорологическая организация проводит исследования точности измерения осадков различными типами дождемеров, "принятых на вооружение" метеорологическими службами разных стран. Однако это все те же дождемеры в виде открытых сосудов, различия их заключаются в основном только в размерах приемной поверхности, высоте установки над уровнем почвы, защитных устройствах против ветра и т. д. Ничего нового они, очевидно, не дадут.

Одно из принципиально новых решений - измерение осадков с помощью радарных установок - разрабатывается в СССР и США. Принцип основан на обратном отражении радиоволн различными объектами, находящимися на их пути, в том числе и выпадающими атмосферными осадками. Передатчик радиолокатора посылает со специальной направленной антенны радиосигналы в сторону района, охваченного осадками; часть сигналов отражается осадками, возвращается обратно, улавливается той же антенной и обнаруживается на индикаторном устройстве (экране). Опытные установки подобного типа уже работают. В Америке, в частности, они успешно используются для слежения за передвижением тропических циклонов.

Измерить третий основной элемент водного баланса - среднее по территории испарение (с почвы, растительности, водных объектов и т. д.) - еще труднее, чем осадки. Испарение тоже приходится определять в отдельных точках особыми приборами - испарителями. Почвенные испарители измеряют испарение с почвы, водные испарители - с поверхности воды.

Почвенный испаритель, принятый на сети станций СССР в качестве стандартного прибора, представляет собой металлический цилиндрический бак высотой 50 или 100 см и площадью 500 см². Бак заполняется почвенным монолитом, т. е. куском цельной почвы вместе с покрывающей ее травой, взвешивается на весах и устанавливается под открытым небом в металлическом гнезде в почве так, чтобы поверхность монолита находилась на одном уровне с поверхностью почвы. Через промежуток времени, за который хотят определить испарение, обычно через сутки или 5 суток, испаритель вынимают из гнезда и вторично взвешивают. По тому, насколько уменьшился вес (принимая, что это произошло в результате испарения), можно рассчитать слой испарившейся воды. Для контроля наблюдений и введения поправок на количество выпавших осадков служит почвенный дождемер, установленный в почве так же, как и почвенный испаритель, и тоже имеющий приемную поверхность, равную 500 см².

Водные испарители представляют собой такие же металлические баки, как и почвенные, только их испаряющая поверхность равна 3000 см² и в них помещается не почвенный монолит, а наливается до краев вода. Водные испарители можно устанавливать и на суше, и на водных объектах - на поверхности воды, на специальных плотах. Величину испарения определяют не по уменьшению веса испарителя, а по понижению уровня воды в нем. При водном испарителе, как и при почвенном, устанавливают специальный дождемер.

Разумеется, показания и почвенных и водных испарителей зависят от того, каковы тип и устройство прибора (например, площадь испаряющей поверхности, высота бортов, тепловая изоляция стенок), где установлен он, в частности, степень его защищенности от нагрева солнцем и от ветра, который усиливает испарение.

Величина испарения с почвы и с воды, пожалуй, еще больше изменяется по площади, чем величина осадков.

Во время Международного гидрологического десятилетия (1965-1974 гг.) проводились международные исследования точности измерения испарения водными испарителями различных типов из разных стран. Результаты исследований позволили рекомендовать в качестве сетевых испарители: советский - ГТИ-3000 и американский класса "А", обеспечивающие наибольшую точность измерения величин испарения. В качестве международного контрольного и эталонного прибора для введения поправок в показания испарителей различных типов был принят применяемый в СССР испарительный бассейн площадью 20 м².

Испарение с водной поверхности рассчитывают также по формулам, в которых учитывается температура поверхности воды и воздуха, скорость ветра, влажность воздуха и другие факторы, влияющие на испарение, однако при расчетах водного баланса испарение обычно определяют по уравнению водного баланса как разность между измеренными осадками и стоком.

Конструкторам гидрологических приборов и гидрологам надо еще много поработать, чтобы добиться необходимой точности измерений осадков, испарения и стока, найти новые принципы измерений.