Лекция 4 Сооружения для очистки поверхностных вод.

План:

Общая характеристика образования поверхностного стока.

Круговорот воды в природе

Атмосферные осадки

Характеристика осадков по сезонам года

Интенсивность и продолжительность выпадения осадков, их распределение по площади и во времени

Условия формирования поверхностного стока

Общая характеристика образования поверхностного стока.

Круговорот воды в природе

Выпадение осадков, потеря части воды, сток и испарение составляют основные звенья круговорота воды в природе. Осадки в виде дождя, снега, града и различных поверхностных конденсатов не полностью попадают в сети водоотведения. Значительная их часть либо испаряется, либо поглощается или остается на поверхности, на которую они выпали. Но и после этого скорость формирования стока зависит не только от интенсивности осадков, но и от конфигурации поверхности, а также соот­ношения между высотой слоя и скоростью движения воды.

Интенсивность выпадения осадков меняется и во времени, и по водо­сбору. Важное значение имеет ветер, несущий влагу, которая испарилась с открытой водной или других поверхностей. Ветер вызывает перемещение облаков над водосбором. Осадки будут выпадать в том случае, если температура в облаке водяного пара упадет ниже точки росы, т.е. той температуры, при которой ненасыщенный воздух при постоянном влагосодержании становится насыщенным. Таким образом, выпадению осадков предшествует конденсация водяного пара. Его охлаждение может быть вызвано подъемом воздуха при натекании на горную цепь (орографические осадки), прохождением холодных фронтов (фронталь­ные или циклонические осадки) или нагревом воздуха подстилающей поверхности (конвективные осадки). В последнем случае возникают грозы, при которых осадки выпадают интенсивно, но часто в течение очень непродолжительного времени - нескольких минут или часов.

Снег, снежная крупа и град тоже вносят свой вклад в сток. Для процесса стока важное значение имеют поверхностное задержание и особенности рельефа бассейна водосбора. Круговорот воды в природе показан на рис. 1.1.

Объем стока можно считать случайной величиной, так как на него влияют многие факторы (в том числе солнечная радиация, движение воздуха и др.), поэтому его значение обычно оценивается на основе статистических данных за предшествующий период. Однако, направляя воду в каналы, накапливая ее или перебрасывая в другое место, можно влиять на процесс стока.

В природе есть факторы, влияющие на процесс выпадения осадков. Под влиянием неровностей земной поверхности ветры меняют свое направление и скорость, а содержание влаги в атмосфере ограничено. Поэтому существует некоторый физический предел максимальной интенсивности осадков, которую можно ожидать. Значительная часть осадков, выпавших на поверхность земли, фильтруется в почву. Фактически 98 % запасов пресной воды на Земле (без учета ледяных покровов) находится под землей. Подземные воды медленно движутся в водоносных пластах в направлении более низко расположенных рек, озер и морей и постепенно расходуются в засушливые периоды. Часть подземных вод извлекается растениями и теряется в процессе транспи-рации. При поступлении осадков в водоносные пласты запасы подземных вод восполняются.

Атмосферные осадки

На поверхность земли и на предметы осадки выпадают в виде дождя, мороси, снега, снежных зерен или осаждаются непосредственно из воздуха в виде росы, инея и измороси. Режим увлажнения в основном опреде­ляется выпадающими осадками, которые характеризуются количеством и фазовым состоянием (жидкие, твердые и смешанные), интенсивностью и продолжительностью выпадения. Количество осадков измеряется толщиной слоя выпавшей воды в миллиметрах при отсутствии стока, просачивания и испарения. Интенсивность дождей - отношение коли­чества выпавших осадков к продолжительности их выпадения. В процессе выпадения интенсивность дождя непрерывно изменяется. Поэтому следует различать мгновенную интенсивность в какой-то момент времени и среднюю интенсивность за какой-либо промежуток времени. Интен­сивность обычно выражается в мм/мин.

Для изучения климатических особенностей в любой точке Земли необходимы надежные длительные ряды метеорологических наблюдений. В России с 1650 г. (по приказу царя Алексея Михайловича) караульные стрельцы московского Кремля регулярно записывали явления погоды по степени интенсивности, время их начала и продолжительность.

Регулярные инструментальные метеорологические наблюдения были начаты петербургской Академией наук 1 декабря 1725 г. Ученые Академии создали различные метеорологические приборы: Г. Крафт-термометры, Г. Б. Бюльфингер - барометр и термометр, Ж. Д. Делиль - машину для измерения осадков.

В С.-Петербурге с 1835 до 1862 г. метеорологические наблюдения проводились в Метеорологической и магнитной обсерватории при Горном институте; с 1863 по 1933 г. метеостанция находилась на 23-й линии Васильевского острова; с 1933 по 1970 г. наблюдения проводились на Песочной наб. у р. Малая Невка (ул. Даля, д. 3), а с 1970 г. метеостанция входит в состав Информационного центра погоды, включенного в международную сеть климатических станций, и выполняет весь объем наблюдений по международной программе.

В Москве в 1853 г. была организована Магнитно-метеорологическая обсерватория при Межевом институте и начались регулярные метеоро­логические наблюдения. Обсерватория работала беспрерывно до 1932 г.

В 1879 г. была открыта метеорологическая обсерватория при Сельскохозяйственной академии. В XVIII в. открыты метеорологические станции в Екатеринбурге, Луганске, Тобольске, Енисейске, Томске и др. В настоящее время на территории России развернута широкая сеть метеорологических станций.

До 50-х гг. XX в. в основном измерялось и анализировалось количество осадков в отдельных пунктах наблюдений за различные интервалы времени. Для этого используются осадкомеры или дождемеры различных конструкций. Стандартные осадкомеры состоят из двух основных узлов: приемной воронки с калиброванным входным отверстием и водосборника, где вода хранится до момента измерения. При этом для водобалансовых расчетов в измеренное количество осадков вводят поправки: на смачивание осадкомерного ведра, ветровые (особенно зимой) и на испарение.

До 50-х годов в основном использовались дождемеры с защитой Нифера, в настоящее время применяются осадкомеры Третьякова. Осадкомеры не позволяют получить данные о закономерностях времен­ного распределения осадков. Непрерывные во времени измерения коли­чества осадков производятся с помощью плювиографов (рис. 1.2), состо­ящих из трех основных узлов: узла сбора осадков, механизма для изме­рения количества и регистраторов сумм осадков во времени.

С помощью плювиографа записываются количество выпавших осадков в каждый момент времени и интервалы времени, в течение которых выпадает определенное количество осадков (плювиограммы). В результате расшифровки плювиограмм могут быть вычислены средние интенсивности осадков I = Δ H / Δ t за промежуток времени Δt, где ΔН -количество осадков, выпавших за время Δt.

Для непосредственного измерения интенсивности осадков разрабо­таны интенсиметры (поплавкового типа, капельные, основанные на емкости электрического конденсатора или на тепловом принципе).

В настоящее время используются радиолокационные и трассовые методы измерения осадков, которые позволяют получать простран­ственные характеристики зон осадков и их изменчивость во времени и по территории.

В качестве стандартного интервала времени для измерения интенсив­ности осадков в большинстве стран принята длительность 5 мин, в России с 1969 г.- 10 мин.

Количество осадков зависит не только от влагосодержания воздуха, степени насыщения его водяным паром, интенсивности испарения, загрязненности атмосферы, рельефа территории, но и от характера атмосферной циркуляции. Особенностью циркуляционных процессов является возникновение, перемещение и эволюция крупномасштабных вихрей - циклонов и антициклонов. Циклоны возникают и развиваются в зонах сходимости воздушных масс, которые называются атмосферными фронтами.

Осадки выпадают преимущественно при прохождении циклонов и фронтов. Осадки местного происхождения выпадают мало и только в летний период. Так, выпадение осадков в С.-Петербурге определяется главным образом интенсивностью циклонической деятельности. В течение года осадки выпадают неравномерно: большая часть их (70 %) приходится на теплый период и только 30 % - на холодный. В целом за год выпадает 618 мм (673 мм с поправками) (табл. 1.1).

В Москве наибольшее количество осадков приносят северо-западные и южные циклоны. При непосредственном прохождении фронтов через Москву выпадает в среднем 63 % от годового количества осадков (табл. 1.2), 27 % осадков выпадает, когда фронт проходит на расстоянии 100-400 км от Москвы, и только на 10 % от годовой суммы осадков влияние фронта не сказывается.

В среднем максимум осадков приходится на июль, минимум - на февраль - апрель. Около трети годового количества осадков выпадает в холодный период года, преимущественно в твердом виде (35-36 %). Две трети годового количества осадков выпадает в теплый период (апрель -октябрь). Зимой во время оттепелей и в переходные месяцы (март, апрель и октябрь, ноябрь) выпадает значительное количество (14 %) смешанных осадков (мокрый снег, снег с дождем, ледяной дождь и др.). Величина годового слоя осадков на территории России колеблется от 400 до 1200 мм в год (табл. 1.3).

Основная масса атмосферных осадков на территории России выпадает в виде дождей. На европейской территории России (ЕТР) доля жидких осадков превышает 61 % годового объема; на северо-востоке Сибири и в горах доля осадков в виде дождя снижается до 35-40 %, а на юге ЕТР превышает 80 %; в Западной Сибири - 70-80 %, в Восточной Сибири - 50-60 %.

Капли дождя возникают либо за счет слияния мелких облачных капель в более крупные, либо за счет таяния ледяных кристаллов, содержащихся в облаках, при падении их через слои атмосферы с поло­жительной температурой. Диаметр капель составляет 0,5-7 мм. Капли дождя диаметром до 8 мм падают со скоростью до 10 м/с. Крупные капли (диаметром 3-5 мм) при падении на твердую поверхность разрушаются и образуют брызги, которые разлетаются на расстояние до 110 мм, подни­маясь на высоту до 30 см.

Капли дождя, падающие на водную поверхность, вызывают разбрызгивание воды. Масса разлетающихся брызг может в 1,5 раза превышать массу падающих капель.

При падении капель дождя на гладкую поверхность брызги разлета­ются на большие расстояния, а масса брызг составляет около 70 % массы падающих капель. При падении капель на сухую твердую поверхность земли количество брызг намного меньше, чем при падении на мокрую. При падении капель на пористую поверхность (сухая земля) брызги не образуются. Мелкокапельный дождь (диаметр капель менее 0,5 мм) называется моросью.

В связи с антропогенным загрязнением атмосферы выбросами двуокиси (серного ангидрида) и окислов серы широкое распространение получили "кислые дожди". Выпадение таких дождей привело к закислению природной среды на обширных территориях Европы и Северной Америки, а также в ряде районов других континентов. При этом показатель кислотности осадков рН=4,5, в то время как обычно составляет 5,6-5,7. Если в некоторых районах Земного шара (в тропиках) выпадение кислот­ных дождей может не оказывать существенного влияния на раститель­ность, то в умеренных и высоких широтах такие дожди причиняют существенный ущерб.