Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ландшафтные особенности территории и их влияние на поверхностные воды 11
1.1. Общие принципы ландшафтного районирования 11
1.2. Ландшафтные особенности Свердловской области 15
1.3. Влияние ландшафтных особенностей территории на сток поверхностных вод 24
1.4. Влияние природных условий ландшафтных подпровин ций Свердловской области на сток поверхностных вод 34
1.5. История развития и степень изученности водного режима 40
Глава 2. Особенности водного режима рек и режима водопотребления 49
2.1. Водный режим рек 49
2.2. Режим водопотребления 62
2.3. Согласование водного режима рек с режимом водопотребления 68
Глава 3. Показатели оптимального размещения водохозяйственных сооружений в различных ландшафтных условиях и их учет при планировании рационального использования водных ресурсов 73
3.1. Потери воды на испарение с площади зеркала водохранилища 73
3.2. Потери воды на фильтрацию 82
3.3. Оценка длины участка водотока ниже створа водохозяйственного объекта с существенным нарушением природного водного режима 86
3.4. Оценка капитальных затрат на регулирование речного стока в различных ландшафтных условиях 93
Заключение 112
Литература
- Влияние ландшафтных особенностей территории на сток поверхностных вод
- Влияние природных условий ландшафтных подпровин ций Свердловской области на сток поверхностных вод
- Режим водопотребления
- Потери воды на фильтрацию
Влияние ландшафтных особенностей территории на сток поверхностных вод
Физико-географическое районирование является основным видом природного районирования. Под физико-географическим районированием понимается выделение геокомплексов (природных комплексов) на какой-либо территории на основе ее камерального и полевого изучения. Классификация геокомплексов предполагает определение их таксономического ранга, их наименование, изображение на карте и текстовую характеристику их специфических особенностей. Геокомплекс, по В.И. Прокаеву, — это индивидуальная, неповторимая единица, характеризующаяся некоторой однородностью комплекса природных компонентов. Компонентами являются геологическое строение и рельеф, климат, воды, почвы, растительность, животный мир [114].
Роль различных компонентов в обособлении геокомплексов существенно неодинакова. Они делятся на «ведущие» («определяющие») и «ведомые» («зависимые») [114]. К первым относятся геолого-геоморфологический и климатический компоненты, которые определяют в основном энергетическую и вещественную базу для протекания физико-географических процессов в геокомплексах. Ко вторым — воды, почвенный и растительный покровы, животный мир.
Любое физико-географическое районирование есть выявление (с дальнейшим картографированием, описанием и т. д.) индивидуальных единиц. Региональные единицы определенного ранга затем на основе общих свойств можно типологически обобщать. Все единицы физико-географического районирования имеют отчетливо выраженную индивидуальную структуру, сформировавшуюся в специфических, в каждом конкретном случае, местных условиях. Они уникальны и неповторимы в про 12 странстве. Природа их определяется не только современными условиями, но и индивидуальным проявлением предыдущих этапов развития, различной интенсивностью процессов преобразования их исходной структуры [116]. Физико-географическое районирование, положенное в основу данной работы, базируется на теоретических взглядах В. И. Прокаева, который выделяет не только тектогенные и климатогенные, но и ландшафтные геокомплексы [114, 115].
Основными принципами физико-географического районирования являются следующие: объективность районирования, однородность комплекса геокомпонентов, территориальная целостность, сравнимость результатов и учет основных закономерностей физико-географической дифференциации в соответствии с их порядком (планетарные, региональные, местные) и рангом связанных с ними ведущих факторов.
Для выделения односторонних геокомплексов при районировании применяется метод ведущего фактора, для выделения ландшафтных — метод наложения границ тектогенных и климатогенных геокомплексов (далее — метод «наложения»). При использовании первого метода, в первую очередь, устанавливаются конкретные геоморфологические и климатические различия территории, которые обуславливают обособление на ней тектогенных и климатогенных геокомплексов определенного ранга. Такие природные комплексы являются односторонними, т. е. обуславливают однородность только одного компонента и позволяют дать достаточно полную характеристику только ему. При использовании метода ведущего фактора прежде всего необходимо установить их роль в формировании конкретных геолого-геоморфологических или климатических особенностей территории, которые обуславливают обособление тектогенных или климатогенных геокомплексов определенного ранга. Ведущие факторы выявляются путем тщательного анализа общегеографических и отраслевых тематических карт, материалов дистанционных съемок, а также текстовых характеристик природных сходств и различий территории. Следует отметить, что термин «ведущий фактор» в отношении климатического и геолого-морфологического факторов-компонентов здесь и далее употребляется с определенной долей условности, т. к. ведущими факторами дифференциации следует считать неравномерный приток солнечной радиации, вращение Земли, тектонические движения, циркуляцию атмосферы и т. д., т. е. понятие о ландшафтообразующих факторах правильнее связывать с внутренними и внешними энергетическими воздействиями. Согласно А.Г. Исаченко [59] «Через климатический и геолого-геоморфологический компоненты входные воздействия энергетических факторов передаются другим компонентам, но сам климат, как и твердый фундамент, является «продуктом» сложного взаимодействия внешних факторов и компонентов геосистемы».
Метод «наложения» применяется тогда, когда геокомплексы обособляются под воздействием не одного, а двух ведущих факторов, ареалы преобладающего воздействия которых не совпадают. При помощи этого метода выделяются ландшафтные геокомплексы, которые позволяют дать достаточно полную, комплексную характеристику и оценку природного потенциала территории. В таких природных комплексах наблюдается близкая, сопоставимая степень однородности всех природных компонентов.
Единицы районирования, таксономический ранг которых выше района (называемые далее единицами высшего ранга), характеризуются высокой степенью оригинальности, быстро уменьшающейся при спуске по ступеням таксономической лестницы (рис. 1.1).
Влияние природных условий ландшафтных подпровин ций Свердловской области на сток поверхностных вод
Лесная подстилка и сплошной моховой покров удерживают значительное количество осадков — 10-20 мм, травяная же и древесная растительность удерживает лишь 1-2 мм и только ель — до 5 мм, т. е. лесной полог сам по себе, при отсутствии лесной подстилки, задерживает очень малый % ливневых вод. Зимой полог леса, особенно лиственных пород, не задерживает снег, и все осадки достигают почвы.
Степные реки территорий малой облесенности имеют низкие средние максимумы половодья, что объясняется малыми запасами снега на их водосборах. В отдельные годы с большими запасами снега и быстрым его таянием отмечается обильное поступление воды в реки [153].
Важную роль в накоплении влаги (помимо различных типов растительности) играет характер почвенного покрова. Гидрологическая роль почвогрунтов определяется их способностью аккумулировать в поровом пространстве часть атмосферных осадков и переводить их в почвенный и грунтовый сток. Эта способность зависит от мощности лесной подстилки, водно-физических свойств почв, криогенных процессов и т.д [49].
Почвы — природный фактор, подверженный сильным изменениям. Количественная оценка распространения того или иного типа почв разного механического состава в речных бассейнах очень важна для оценки роли фактора в формировании режима речного стока. Влияние почвенного покрова речного бассейна на сток зависит от водоудерживающих свойств почв, которые определяют процессы впитывания, инфильтрации и испарения воды, поступающей на водосбор в виде осадков [131]. При относительной высокой инфильтрационной и слабой водоудерживающей способности почвы большая часть осадков просачивается через ее генетические горизонты, достигая уровня грунтовых вод, и способствует увеличению их запасов. В этом случае поверхностный сток уменьшается, испарение мало.
Внутригодовое распределение стока будет более равномерным в результате увеличения стока в меженный период. При малой инфильтрационной и высокой удерживающей способности почвы выпавшие атмосферные осадки почти полностью стекают по поверхности, увеличивая поверхностный сток, но запасы подземных вод в этом случае восполняются мало. Структурные почвы легко впитывают воду, обладают высокой водоудерживаю-щей способностью. Бесструктурные почвы впитывают небольшое количество воды, увеличивая поверхностный сток.
Характер почвенного покрова, определяющий его водоудержи-вающую способность, играет решающую роль при формировании стока временных водотоков и малых речных бассейнов. В некоторых случаях, например, в горных областях, указанный фактор является более значимым, чем климатические условия. Водосборы средних рек имеют неоднородные почвы, поэтому их совокупное влияние на величину стока носит более сглаженный характер [18].
Инфильтрационная способность почв является одним из основных факторов, определяющих объем и динамику стока. Наибольшую водопроницаемость имеют черноземы (1,7 мм/мин). Наименьшую водопроницаемость имеют светло-серые лесные почвы - 0,17 мм/мин, серые лесные почвы - 0,84 мм/мин, подзолистые - 0,60 мм/мин [99].
Водно-физические свойства почв зависят от произрастающих на них насаждений. Водопроницаемость почв под лесом значительно выше, чем под луговой растительностью. Характерной особенностью лесных почв является более хорошая оструктуренность и водопрочность их агрегатов. В процессе роста лесов почва под ними постепенно изменяет свои водно-физические свойства: с ростом деревьев увеличивается и масса их корней, которые в свою очередь улучшают дренированность генетических горизонтов почвы, увеличивается масса подстилки, а также наблюдается рост числа водопрочных агрегатов. С увеличением сомкнутости древостоя увеличивается мощность подстилки, а также интенсивность впитывания
воды в почву.
Инфильтрационная способность почвы зависит также от распределения температуры и влажности по почвенному профилю. Влияние влажности в ходе промерзания и оттаивания почвы на формирование потерь талого стока в разных ландшафтных зонах неравнозначно. Если в лесостепной зоне промерзание почвы играет существенную роль в формировании потерь, то в лесной, особенно на заболоченных и залесенных водосборах, оно не имеет существенного значения, что связано с особенностями строения почвенного профиля. Высокие коэффициенты талого стока и малые потери имеют место при сочетании глубокого промерзания (более 60 см) с сильным увлажнением почвы. Большие потери талых вод наблюдаются в условиях слабого промерзания почвы. Значительные потери талых вод наблюдаются при сочетании глубокого промерзания со слабым увлажнением почвы, так называемая сухая мерзлота [130].
В лесах подстилка в значительной степени предохраняет почву от промерзания, содействует сохранению тепла, запасенного в почве летом. Вследствие этого и зимой лесные почвы обладают значительной водопроницаемостью, поэтому в лесу потери стока на инфильтрацию практически не зависят от глубины промерзания и определяются в основном степенью увлажнения почвы. На лесных водосборах основным фактором, определяющим потери талых вод на инфильтрацию, является дефицит влажности мертвого слоя почвы. В предвесенний период дефицит влажности лесных почв значителен, что обусловлено пористостью лесных почв. В связи с этим на водосборах лесной зоны основной объем потерь на инфильтрацию формируется на залесенных участках.
Режим водопотребления
Продолжительность половодья зависит от размеров рек и высотного положения их водосборов, а также от увлажненности территории и, прежде всего, от величины снегозапасов к началу снеготаяния. Большая продолжительность половодья характерна для крупных рек (Тавда, Тура). В горных районах период половодья при прочих равных условиях больше чем на равнине, что связано с затяжным характером снеготаяния из-за разновременного перехода температуры воздуха через 0 в разных высотных поясах. Заметно больше продолжительность половодья у рек с сильно заболоченными водосборами (в низовьях рек Туры и Тавды период половодья достигает в среднем 90-110 суток при F = 60-80 тыс. км2). Наименьшей длительностью половодья отличаются реки южных лесостепных районов, особенно в бассейне реки Пышма, где снежный покров незначителен и дождевые осадки в период снеготаяния также невелики.
На реках горного Урала, а также северных районов равнины половодье нередко имеет многопиковую форму как за счет прерывистого характера снеготаяния (в основном в горах), так и дождевых подъемов, накладывающихся на снеговой сток. На территории Западно-Сибирской равнины в пределах лесной зоны многопиковые половодья редки, в основном наблюдаются одновершинные. Стройные однопиковые половодья типичны для рек юго-восточных лесостепных районов.
Амплитуда колебаний уровня воды в период половодья сильно меняется по годам и по территориям. На средних реках высота подъема уровня (над предвесенним) составляет преимущественно 2-4 м, достигая в отдельные годы 4-6 м. При прочих равных условиях подъемы уровня воды на реках горных районов несколько меньше, вследствие большой растянутости половодья и многовершинной его формы. На малых водотоках (площадь водосбора, которых меньше 1000 км ) весенние подъемы уровня обычно не превышают 1 м. Наибольшей величины (в среднем 5-6 м) подъемы достигают в низовьях крупных рек: Туры и Тавды.
Интенсивность подъема уровней в среднем составляет на малых водотоках 10-15 см, на более крупных реках обычно 20-30 см в сутки. Максимальные величины суточного приращения уровня воды достигают 1-2 м. Нередко наиболее интенсивные подъемы уровня связаны с заторными явлениями в период прохождения половодья. Спад уровней происходит медленно. Наибольшие величины падения уровня за сутки не превышает 80 см.
Устойчивое стояние уровня воды и слабое изменение водности в течение летне-осеннего периода наблюдается главным образом на реках лесостепной зоны. Дождевые подъемы здесь очень незначительны и имеют место не ежегодно. В лесной зоне равнинной части территории дождевые паводки являются более обычным явлением. Наблюдаются они также не ежегодно, но характеризуются более высокими подъемами уровня воды. В отдельные редкие годы по величине максимальных расходов дождевые паводки оказываются соизмеримыми с весенним половодьем, что особенно касается северных районов лесной зоны. В среднем за летне-осенний период на реках этой зоны наблюдается 1-3 паводка, в дождливые годы число их увеличивается до 4-8. Продолжительность устойчивой межени на реках лесостепной зоны достигает в среднем 110-150 дней, в лесной зоне длительность безпаводочных периодов несколько меньше - от 70 до 120 дней. Наиболее неустойчивым характером межени, часто прерываемой дождливыми паводками, отличаются горные реки особенно в пределах восточного склона Северного Урала (реки Лозьва, Вижай, Ивдель и др.) В летне-осенний период режим этих рек приближается к паводочному. Наибольшие промежутки между паводками, когда режим рек может рассматриваться меженным, в среднем составляют 15-30 дней; наибольшая их продолжительность достигает 40-60 дней. В отдельные дождливые годы паводки почти непрерывно следуют один за другим, причем межпаводоч-ные периоды сокращаются до 2-5 дней. Дождевые максимумы нередко приближаются по величине к весенним, а в отдельные многоводные годы превышают их. На реках Среднего Урала повторяемость дождевых паводков несколько уменьшается. Соответственно больше продолжительность межпаводочных периодов 60-100 дней [127].
По мере увеличения размеров рек межень при прочих равных условиях приобретает более устойчивый характер, дождевые подъемы снижаются и, как правило, по высоте значительно уступают весеннему половодью. Некоторым исключением являются крупные реки, например, река Тавда, где из-за малых уклонов местности и большой заболоченности водосборов процессы стока осуществляются замедленно, вследствие чего при затянутом весеннем половодье, сливающимся с дождевыми паводками, летняя межень выражена нечетко, причем в отдельные годы она практически отсутствует.
Зимняя межень отличается устойчивостью, большой продолжительностью и низким стоком. Период зимней межени достигает в среднем 140-160 дней. С начала ледообразования водность рек быстро снижается, причем в северных районах области минимум ее обычно наступает в марте, а в более южных районах — преимущественно в феврале. Ход уровней воды в зимний период обычно не соответствует плавному изменению водности рек. В начале зимы для многих рек характерны зажорные подъемы уровня воды, а также периодические его повышения, связанные с образованием наледей.
В связи с особенностями внутригодового режима рек наивысшие за год уровни, как правило, наблюдаются в период прохождения весеннего половодья и значительно реже, исключая малые водотоки, во время летне-осенних дождевых паводков.
Наинизшие за год уровни имеют место обычно в конце лета (в августе и начале сентября). Несмотря на малую водность рек в зимний сезон, наинизшие уровни в этот период незначительно превышают летние из-за подпорных явлений, связанных с процессами ледообразования. Исключением являются лишь реки сильно заболоченного бассейна реки Тавды, где наинизший годовой уровень приходится на вторую половину зимы. Это является следствием промерзания болот, приводящего к резкому снижению стока в этот сезон. Летом же для рек бассейна реки Тавды характерно высокое стояние уровня воды по причине замедленных процессов стока в условиях плоской заболоченной равнины.
Многолетняя амплитуда колебаний уровня воды меняется в широких пределах — у малых водотоков ее величина составляет от 1 до 4 м, а на средних реках — от 3-4 до 8-10 м [127].
Коэффициенты внутригодовой (отношение расхода воды в многоводный период года к расходу воды в маловодный период) и многолетней (отношение расхода воды в многоводный год к расходу воды в маловодный год) изменчивости показывают, что поверхностные воды подвержены значительным колебаниям, как в многолетнем, так и во внутригодовом разрезе (табл. 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, рис. 2.1, 2.2, 2.3, 2.4).
Наиболее низкий коэффициент внутригодовой изменчивости стока в году, близкий к среднему многолетнему имеют реки с площадью водосбо-ра более 1500 км ., в горных и предгорных подпровинциях, а также в под-провинции Зауральской складчатой возвышенности. У рек подпровинций Западно-Сибирской равнинной страны коэффициенты внутригодовой изменчивости значительно выше. Наибольших значений они достигают в подпровинциях осиново-березовых лесов Зауральской складчатой возвышенности и Пышминской равнины (табл. 2.2,рис. 2.1).
Потери воды на фильтрацию
Таким образом, на территории любой ландшафтной подпровинции увеличение удельного объема водохранилищ способствует росту полезной отдачи и уменьшению капитальных затрат на их строительство.
Сокращение площади водной поверхности и увеличение удельных объемов водохранилищ, может быть осуществлено с помощью отсечения мелководий дамбами и увеличения высоты основной плотины.
Капитальные затраты на получение водоотдачи, как следует из уравнения (3.13) уменьшаются, а сама полезная отдача, согласно уравнению (3.14), с ростом удельных объемов увеличивается. В горных условиях рост удельного объема определяется рельефом местности и высотою подпорной плотины. В равнинных районах необходимо не только строительство более высокой плотины, но и отсечение мелководий с помощью дамб. Поэтому для оценки эффективности строительства водохранилищ в равнинных условиях, с отсечением мелководий, необходимо сопоставление капитальных затрат на получение водоотдачи в реальных условиях релье 105 фа, капитальных затрат с учетом сокращения водной поверхности при сохранении общего объема водохранилищ и капитальных затрат на строительство отсекающих мелководья дамб.
Расчеты капитальных затрат, в зависимости от удельного объема, выполнены по уравнению (3.13), а ограждающих дамб согласно [108] по зависимости (3.15): 3 = 0,019hU4L , (3.15) где: 3 — капитальные затраты на строительство, млн. руб; h -— высота дамбы, м; L — длина дамбы обвалования, км. Согласно выполненным расчетам при сокращении площади зеркала водохранилищ на 25, 50 и 60 % и сохранении их общего объема в равнинных районах Свердловской области на строительство подпорных и ограждающих дамб суммарные затраты сокращаются на 30-60%, в зависимости от формирующегося удельного объема (табл. 3.11). Увеличение удельных объемов водохранилищ, при строительстве их в полувыемках-полунасыпях, не могут изменить полученных выше выводов, поскольку земляные работы дешевле. Приведенные данные позволяют рекомендовать определенные схемы водохозяйственных сооружений [175], в зависимости от ландшафтных условий территории (табл. 3.12).
Удельные капитальные затраты на получение 1 м полезной отдачи при регулировании речного стока водохранилищами с учетом увеличения удельного объема Параметры водохранилища Полезная отдача,м3/с Капитальные затраты на получение отдачи 1м3 годовой производительности, млн.руб/м3 Размеры ограждающих дамб Удельные затраты на получение 1м водоотдачи за счет строительство ограждающих дамб, млн. руб/м3 Суммарные удельные затраты на получение 1 м3 водоотдачи в условиях сокращения площади зеркала, млн. руб/м Разница удельных капитальных затрат при строительстве водохранилища в природных условиях и при сокращении площади зеркала за счет строительства дамб, млн. руб/м
Показатели оптимального размещения водохозяйственных сооружений Ландшафтные условия Рекомендуемые формы водохозяйственных сооружений — Соотношениепотерь на испарение ифильтрацию с удельнымобъемом водохранилищ;— зависимость водоотдачи от удельныхобъемов водохранилищ;— влияние величины удельных объемовводохранилищ на капитальные затраты. Ландшафтные провинции Уральской равнинно-горной страны. Расположение водохранилищ на тех участках рек, которые имеют V - образный профиль. Ландшафтные провинции Западно-Сибирской равнинной страны. Строительство водохранилищ с отсечением мелководий с помощью дамб или в полувыемке-полунасыпи. Выводы Водохранилища, являясь частью ландшафтных геокомплексов, в процессе регулирования стока испытывают воздействие различных ландшафтных компонентов. Наибольшее влияние на динамику водных ресурсов оказывают термические условия ландшафтных подпровинций, так как именно они, в первую очередь, определяют величину потерь на испарение. Увеличение потерь на испарение, на территории Свердловской области, происходит при смене природных зон (таежной на лесостепную) и секторов (переходного на континентальный). Оно связано, прежде всего, с по увеличением солнечной радиации в лесостепной зоне, а также с увеличением ясных солнечных дней в континентальном секторе. Наибольшие потери на испарение происходят, таким образом, в лесостепной провинции Пышминской равнины.
Изменение потерь на испарение объясняется не только секторно-зональными различиями на территории области, но и разной величиной удельного объема водохранилищ. Чем больше удельный объем водохранилища, тем меньше потери воды на испарение. И наоборот, чем меньше удельный объем водохранилища, тем более значительны потери воды на испарение на территории любой ландшафтной подпровинции. Уменьшение потерь на испарение возможно при увеличении удельных объемов водохранилищ.
При уменьшении площади зеркала водохранилищ на 50% и увеличении их удельного объема потери на испарение, по ландшафтным под-провинциям сокращаются в 2,5-3,6 раза. Максимальное сокращение потерь на испарение характерно для лесостепных подпровинции.
Потери на фильтрацию, также как и на испарение, зависят от удельного объема водохранилищ. Связь их носит обратнопропорциональ-ный характер. Наиболее значительные потери на фильтрацию испытывают водохранилища, расположенные на территории Западно-Сибирской равнины, так как их средний удельный объем значительно меньше, чем у водохранилищ горных и предгорных районов.
В условиях территориального перераспределения происходит нарушение естественных характеристик стока рек. Восстановление их наступает на различном удалении от мест водохозяйственных мероприятий. Наиболее быстро они восстанавливаются в горных и предгорных провинциях, а также в провинциях Уфимского плато и Зауральской складчатой возвышенности.
Капитальные затраты на регулирование речного стока, при близких площадях водосбора и одинаковой полезной водоотдаче значительно выше в лесостепных подпровинциях, чем в таежных; в континентальном секторе, чем в переходном; в подпровинциях Западно-Сибирской равнины, чем в подпровинциях Уральской равнинно-горной страны и увеличиваются, таким образом при движении с севера на юг и с запада на восток. На величину капитальных затрат влияет ландшафтное строение территории. Максимальных значений они достигают в лесостепной провинции области.
Увеличение удельного объема, у водохранилищ на территории любой ландшафтной подпровинции, способствует росту полезной отдачи и уменьшению капитальных затрат на строительство.
Наиболее оптимальный вариант водохранилищ в подпровинциях Западно-Сибирской равнины — это водохранилища с отсечением мелководий с помощью дамб или в полу выемке-полу насыпи. В подпровинциях Уральской равнинно-горной страны - расположение водохранилищ на тех участках рек, которые имеют V - образный профиль долины.
