Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Краткая характеристика природных условий 7
1.1 Геология и рельеф 7
1.2 Климат, многолетняя мерзлота 10
1.3 Почвы и растительность 15
1.4 Гидрография 18
ГЛАВА 2. Факторы формирования половодья и максимального весеннего стока рек 23
2.1 Климатические и метеорологические факторы 23
2.2 Факторы подстилающей поверхности бассейнов рек 28
2.3 Антропогенные факторы 30
ГЛАВА 3. Гидрологическая изученность территории и анализ надежности исходных данных 42
3.1 Характеристика сети стационарных наблюдений за речным стоком 42
3.2 Обзор исследований максимального весеннего стока рек 46
3.3 Анализ исходной информации 50
ГЛАВА 4. Норма и многолетняя изменчивость максимального весеннего стока 53
4.1 Анализ корреляционных связей 53
4.2 Выбор пунктов-аналогов и расчетного периода 56
4.3 Восстановление рядов наблюдений и оценка нормы максимального стока 57
4.4 Многолетняя изменчивость максимального стока 65
ГЛАВА 5. Методы оценки максимального весеннего стока неизученных рек 67
5.1 Существующие методы расчета 67
5.1.1 Рекомендации нормативных документов 67
5.1.2 Региональные методики 69
5.2 Альтернативные варианты расчета 72
5.2.1 Анализ связи максимальных расходов со слоем стока за период подъема половодья 72
5.2.2 Использование абсолютных значений нормы и изменчивости максимального стока 94
5.2.3 Оценка максимального стока по его связи с годовым стоком и коэффициентом естественной зарегулированности 1 31
Заключение 143
Библиографический список 146
Приложения 157
- Почвы и растительность
- Факторы подстилающей поверхности бассейнов рек
- Обзор исследований максимального весеннего стока рек
- Восстановление рядов наблюдений и оценка нормы максимального стока
Введение к работе
Актуальность проблемы. Тюменская область является одним из крупнейших экономических районов России, интенсивное развитие которого связано с открытием здесь в 50-60-е годы XX века месторождений нефти и газа. Этот факт значительно определил состояние научных исследований в регионе. При размещении производительных сил и развитии хозяйства области важное место принадлежит водным ресурсам. Уточнение данных об этих ресурсах, разработка и совершенствование методов их расчета, особенно по неизученным рекам, являются до настоящего времени весьма актуальной задачей.
Проектирование и строительство на территории Тюменской области большого количества внутри и межпромысловых коммуникаций в сочетании с чрезвычайно густой гидрографической сетью предъявляет особенно высокие требования к качеству инженерно-гидрологического обоснования проектируемых объектов. Весьма актуальными являются при этом расчеты максимального весеннего стока, определяющие надежность и стоимость сооружения многочисленных переходов различных коммуникаций через водотоки. Именно на максимальные расходы рассчитываются размеры различного рода водопропускных и водосбросных отверстий на мостовых переходах, отметки дорожных насыпей, оградительных дамб и т.д.
Технологическое освоение огромных просторов Западной Сибири, к сожалению, не сопровождается столь же масштабным изучением ее природных условий и степени воздействия этого освоения на окружающую среду. В частности, слабая гидрологическая изученность приводит к ошибкам в проектировании и как следствие к многочисленным техногенным авариям. Как отмечают Б.М. Доброумов и СМ. Ту-мановская (1989), разнообразие процессов формирования половодья в разных природных условиях, большое число факторов и все еще недостаточная изученность всех этапов этого процесса затрудняют выработку достаточно полной теории и безупречных методов расчета максимального стока неизученных рек. Многолетняя практика гидрологического обоснования проектов обустройства нефтяных и газовых месторождений севера Тюменской области дает многочисленные примеры не соответствия рассчитанных по материалам СНиП 2.01.14-83 максимальных расходов их фактическим значениям.
Сокращение сети гидрологических постов, монополизация гидро-метеоинформации еще больше усложняют выполнение инженерно- гидрологических расчетов в условиях слабой изученности территории. Эти обстоятельства обостряют необходимость совершенствования методов расчета стока рек с тем, чтобы они были с одной стороны достаточно просты и не требовали большого объема исходной информации и с другой стороны были бы надежны.
Актуальность выполненных исследований подтверждается и тем, что в настоящее время усиливается региональный аспект в разработке новой нормативной информации для гидрологических расчетов. В 1998 году Государственный гидрологический институт завершил работу над первой редакцией нового СНиПа-98, отличительной чертой которого является отказ от строгого регламентирования расчетов по единым схемам и повышение значимости региональных методов.
Цель исследования - разработка новых методик оценки параметров максимального стока половодья рек Тюменской области для условий отсутствия данных гидрометрических наблюдений.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач: дать характеристику условий формирования весеннего половодья и максимального стока рек; произвести анализ методов расчета максимального стока половодья; дать характеристику гидрологической изученности территории Тюменской области и произвести сбор и анализ имеющейся режимной гидрологической информации; произвести расчеты нормы и показателей многолетней изменчивости максимального стока половодья; проанализировать зависимости максимальных расходов половодья от площади водосборов; произвести анализ связи между значениями нормы и коэффициентами изменчивости максимального стока; рассмотреть возможности косвенной оценки максимального весеннего стока другими методами. Исходными материалами для работы послужили данные многолетних гидрологических наблюдений по 119 станциям и постам Росгидромета по 1995 год включительно, а также материалы Нижнеобского водохозяйственного управления и Тюменского областного комитета по охране окружающей среды и природных ресурсов.
Методы исследований. В процессе исследований применялись методы математической статистики, гидрологической аналогии, гра- фических и картографических построений, методы географо-гидрологического анализа и объективной оценки полученных результатов. Большая часть расчетов выполнена на ЭВМ.
Научная новизна работы состоит в том, что для территории Тюменской области впервые реализована идея использования абсолютных значений статистических параметров для разработки методики оценки максимального весеннего стока неизученных рек. На основании полученных связей произведено гидрологическое районирование исследуемого региона.
Новым результатом работы является оценка нормы и многолетней изменчивости максимального стока половодья по состоянию на 1995 год включительно.
Впервые для исследуемой территории рассмотрена возможность использования в расчетах максимального стока значений слоя весеннего стока на фазе подъема половодья, а также коэффициентов естественной зарегулированности.
На защиту выносятся: результаты оценки нормы максимального весеннего стока рек Тюменской области; характеристика пространственно-временной изменчивости этого стока; региональные методики расчета максимального стока половодья неизученных рек.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на заседении отдела гидрологических изысканий НИИ Гипротю-меньнефтегаз (1990), научных семинарах кафедры «Гидрологии суши и охраны водных ресурсов» Пермского госуниверситета (1998, 1999 гг.), на научно-практической конференции «Гидрология Урала на рубеже веков» (г. Пермь, 1999), на заседении кафедры «Физической географии и экологии» Тюменского госуниверситета (2000).
Основное содержание диссертации опубликовано в 3 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (156 наименований) и 5 приложений. Объем работы составляет 157 страниц , в том числе 17 таблиц и 32 рисунка.
Почвы и растительность
Западная Сибирь одинаково удалена как от Атлантического океана, так и от центра континентальности Азиатского материка, поэтому здесь формируется континентальный климат. Значительная протяженность территории области с севера на юг (2100 км) и равнинный рельеф обуславливают широтную зональность в распределении тепла и влаги.
Суммарная солнечная радиация изменяется от 65 ккал/см2 в год на крайнем севере до 80 ккал/см2 в средней части и составляет более 90 ккал/см2 в год на юге области. Продолжительность солнечного сияния в год на севере Ямала (1050 ч) почти в два раза меньше, чем на юге области (2050 ч). Значительная повторяемость пасмурной погоды снижает солнечное сияние по отношению к возможному в теплое время года на 40-60% (Бакулин, Козин, 1996).
Территория исследования характеризуется суровой продолжительной зимой (от 6 месяцев на юге до 8 месяцев в Заполярье), коротким и теплым летом, короткими переходными сезонами. Средняя годовая температура воздуха почти повсеместно имеет отрицательные значения: на крайнем севере -1 0-11 С, в средней части -4- -5С и лишь на юге области составляет 0 - +1С.
Устойчивый переход среднесуточной температуры воздуха через 0 в сторону понижения начинается в конце сентября - начале октября на северо-востоке и через 25-30 дней достигает юго-западной части области. В горах Урала зима наступает по направлению от верхних зон к нижним. Окончание зимнего сезона, напротив, происходит раньше всего на юго-западе области во второй декаде апреля. Как отмечали A.M. Комлев и Н.М. Кизимова (1970), продвижение на север весенних процессов происходит значительно медленнее, чем осенних и завершается за 50 дней. В Уральской части этот процесс начинается от предгорий, последовательно продвигаясь вверх. Средняя продолжительность периода со среднесуточной температурой ниже 0С составляет 240 дней на севере области уменьшаясь к югу до 160 дней.
Суровость зимнего сезона характеризуют средние значения суммы отрицательных среднесуточных температур воздуха. Если на юге области они не превышают 2000, то на полуостровах их значения возрастают в два раза. Наибольшие и наименьшие значения суммы отрицательных температур составляют соответственно на юге 1500-2500С и на севере 3500-5000С (Комлев, Кизимова, 1970).
Распределение среднегодовых сумм атмосферных осадков по равнинной территории области отражает широтную зональность климата (рис. 1.2) и обусловлено, главным образом, особенностями общей циркуляции атмосферы, в частности фронтальной деятельностью западных циклонов, наиболее развитой в средней полосе Западно-Сибирской равнины. К северу и к югу от этой зоны количество осадков убывает, что связано с малым влагосодержанием преобладающего на севере арктического воздуха, с ослаблением циклонической деятельности и повышением температуры на юге.
Основное количество осадков (70-80%) приходится на теплый период года (май - октябрь). На холодный сезон (ноябрь - март) приходится 20-30% годового количества осадков, т.е. он отличается относительной сухостью. Особенно мало зимних осадков выпадает на юге области в районе Приишимья (около 100 мм). В лесной зоне их количество увеличивается до 150-175 мм, в тундре вновь уменьшается до 90-100 мм. Большая часть твердых осадков выпадает в первую половину зимы (ноябрь - декабрь), в связи с преобладанием циклонального типа погоды.
Устойчивый снежный покров на севере Тюменской области образуется 4-16 октября, в центральной части 20-28 октября, на юге области 1-12 ноября. Продолжительность залегания снежного покрова уменьшается с севера на юг, изменяясь соответственно от 260 до 170 дней в году. Разрушение устойчивого снежного покрова в Заполярье происходит с конца мая до конца июня, в центральных районах области - с конца апреля до середины мая, в южных - 5-15 апреля.
Рисунок 1.3 отражает распределение максимальных запасов воды в снеге к концу зимы, которые в северной части области достигают 140 мм, а на юге уменьшаются почти в 2 раза.
Суммарное испарение за период снегонакопления составляет не более 13-15 мм. Испарение за период снеготаяния достигает около 20% от годовой его суммы (Башлаков, 1983).
Следствием достаточно суровых климатических условий является многолетняя мерзлота, которая на территории исследования представлена тремя крупными областями, последовательно сменяющими друг друга с севера на юг (рис. 1.4). В области слитного залегания мощность многолетней мерзлоты достигаетет 300-600 м, ее среднегодовая температура колеблется от -5С до -9С, под руслами крупных рек и большими озерами обычны талики. В области разобщенного залегания мерзлота состоит из двух слоев - верхнего (современного), залегающего от поверхности, и нижнего (реликтового), залегающего на глубине 80-140 м. Мощность верхнего слоя составляет 50-100 м на севере и 10-50 м на юге, а мощность реликтового до 200-250 м. По характеру верхнего слоя многолетней мерзлоты область делится на две зоны. В северной зоне мерзлота нарушается таликами, приуроченными к водотокам и песчаным грунтам. Для южной зоны характерна островная многолетняя мерзлота, которая встречается в основном в органогенных породах. В области реликтовой мерзлоты многолетняя мерзлота с поверхности отсутствует.
Глубина сезонного протаивания мерзлых грунтов уменьшается с юга на север. В бассейнах Надыма, Пура, Таза она достигает 2 м, а на севере Ямала и Гыдана редко превышает 1 м. Минимальные глубины сезонного протаивания установлены на торфяниках, максимальные - в песчаных отложениях (Ресурсы, 1973).
Наличие многолетней мерзлоты в значительной степени определяет облик современного микро- и мезорельефа северной части Тюменской области. В мерзлых породах протекают процессы термокарста, солифлюкции и пучения грунтов.
Факторы подстилающей поверхности бассейнов рек
Климатические факторы (атмосферные осадки, испарение, температура воздуха) и их средние значения, характерные для природных зон области, рассмотрены в разделе 2 главы 1. Они во многом определяют средние многолетние характеристики объема весеннего половодья и максимальных расходов воды.
При изучении, расчетах и прогнозах максимального стока учитывается разнообразие метеорологических факторов, главными из которых являются изменчивость атмосферных осадков и температуры воздуха не только в весенний, но и в весьма длительный предшествующий период. Величина и режим выпадения атмосферных осадков определяют осеннее увлажнение почвы, запасы воды в снежном покрове перед началом весеннего таяния, а также роль осадков, выпадающих в период снеготаяния и половодья. Значения температуры воздуха определяют глубину промерзания почвы к началу снеготаяния (наряду со снежным покровом), сроки и интенсивность снеготаяния, а также и его продолжительность, появление ледяной корки на почве (Нежихов-ский, 1988; Комлев, 1992).
Осеннее увлажнение почвы. Предзимний сезон на территории Тюменской области включает два месяца - сентябрь и октябрь. Особенности хода и сочетания метеоэлементов в эти два месяца во многих случаях определяют характер и величину стока весеннего половодья. За сентябрь - октябрь в лесной зоне области выпадает от 80 до 130 мм осадков (Климатическая характеристика..., 1978). При положительных температурах воздуха в сентябре и октябре большая часть выпадающих осадков стекает в реки. Часть осадков идет на увлажнение почвогрунтов.
По данным Я.К. Башлакова (1983), за 75 лет (с 1885 по 1960 годы) на территории области дождливая осень, наблюдавшаяся 27 раз, в 20 случаях приводила к увеличению весеннего стока. После холодной осени повышенный сток наблюдался 15 раз из 16 случаев и после дождливой и холодной осени 15 раз из 15. Были годы, когда повышенное количество жидких осадков в осеннее время и раннее промерзание почвогрунтов (до появления устойчивого снежного покрова) сочеталось с многоснежными зимами. В результате этих сочетаний в весеннее время наблюдался повышенный сток. Из 33 лет с высоким или повышенным половодьем 8 раз (1890, 1892, 1895, 1903, 1909, 1918, 1923, 1947 годы) увеличение весеннего стока наблюдалось после малоснежных зим и дождливой холодной осени. Эти факты доказывают, что характер предзимних метеоусловий играет весьма существенную роль в формировании весеннего стока.
Произведенные Д.А. Бураковым (1978) расчеты для лесной зоны Западно-Сибирской равнины показали, что на юге тайги доля вклада осеннего увлажнения в величину талого стока составляет 0,60-0,70, а суммы снегозапасов и весенних осадков 0,30-0,40. Выявлено, что чем выше процент заболоченности водосбора, тем в большей степени проявляется влияние изменчивости предшествующего увлажнения на вариацию стока. Для бассейнов рек, где заболоченность 50% и выше, вклад осеннего увлажнения составляет 0,60-0,70, для рек Вагая и Пышмы, где заболоченность 11-15% - снижается до 0,54-0,37.
Запасы воды в снежном покрове перед началом снеготаяния, при прочих равных условиях, оказывают большое влияние на объем талого стока и высоту подъема уровня воды весеннего половодья, хотя в отдельные годы, как отмечалось, сочетание других факторов может в значительной мере предопределить величину весеннего стока.
Твердые осадки накапливаются на водосборах рек области в течение длительного времени (с октября - ноября по март - апрель), не участвуя в формировании стока в холодный период. Потери твердых осадков на испарение относительно невелики (см. раздел 1.2). Однако, и общая их сумма в пределах области небольшая. Они составляют лишь 25-30% от годовой суммы осадков (Ресурсы..., 1973). Снег, выпавший на поверхность водосбора, вследствие ветрового перераспределения, скапливается в понижениях (балках, оврагах, руслах рек) и лесах. Поэтому величина запасов воды в снеге на открытых участках и в лесу или понижениях различна. Так, запасы воды в снеге в 1986 году на открытых водоразделах полуострова Ямал составили 273 мм, в долинах рек 297 мм, в оврагах - 1078 мм (Романова, 1992). Коэффициенты корреляции между запасами воды в снеге в лесу и поле, в соответствие с расчетами В.М. Калинина (1995), для юга области изменяются от 0,72 до 0,95.
По данным Г.П. Медведевой (1972), максимальные запасы воды в снежном покрове, формирующие половодье, в районе Обь-Иртышского междуречья имеют малую изменчивость. Коэффициент вариации максимальных снегозапасов, в среднем, равен 0,25. Но в условиях грядо-во-мочажинного и грядово-озеркового комплексов он возрастает до 0,46. В районах распространения сосново-сфагновых переходных и низинных микроландшафтных комплексов коэффициент вариации снижается до 0,13. Столь значительная разница коэффициентов изменчивости максимальных запасов воды в снеге обусловлена тем, что в условиях неоднородной подстилающей поверхности верховых болот снег распределяется более неравномерно, чем на поверхности низинных микроландшафтов. Причем, в период таяния в грядово-мочажинных и грядово-озерковых комплексах происходит значительно меньшее вымерзание снега и более быстрая отдача воды в реку, чем в низинных.
Атмосферные осадки в период снеготаяния и половодья часто являются существенным дополнением к общему стоку половодья. Однако, роль их в отдельные годы может быть различной. За период снеготаяния сумма осадков на территории Тюменской области, при их средней величине около 60 мм, возрастает в отдельные годы до 100-120 мм или составляет всего 3-5 мм. По данным Я.К. Башлакова (1983), с 1885 по 1960 годы резкое увеличение осадков весной отмечалось 22 раза, что в 16 случаях приводило к увеличению весеннего стока рек области.
В таблице 2.1 приведены данные о средних значениях осадков в период снеготаяния и на спаде половодья по некоторым гидропостам Тюменской области. Большое влияние на характер весеннего половодья и величину стока талых вод оказывает степень промерзания почвогрунтов. Средняя глубина промерзания плоских евтрофных и мезотрофных болот Западной Сибири по большинству микроландшафтов 44 см (Болота Западной Сибири...., 1976). Однако, внутри болотных комплексов средняя глубина промерзания значительно варьирует: от 67 см на кочках до 45 см в понижениях (Ресурсы..., 1973). На юге области глубина промерзания почвогрунтов изменяется от 100 см на северо-западе этой территории до 160 см на юго-востоке (Калинин, 1995).
Значительная глубина промерзания почв в пределах исследуемой территории обусловлена большими суммами отрицательных температур воздуха (см. раздел 1.2), а на юге области - и несущественной влажностью грунтов. Для болотных микроландшафтов средней тайги Тюменской области коэффициенты корреляции связи толщины мерзлого слоя и суммы отрицательных температур воздуха изменяются от 0,88 до 0,94 (Романова, 1983).
Обзор исследований максимального весеннего стока рек
Первые формулы для расчета максимального стока половодья неизученных рек появились в Европе в середине XIX века. Они были основаны на исследовании редукции модуля максимального стока по площади водосбора.
В России первая редукционная формула для расчета максимальных расходов талых вод при недостаточности или отсутствии гидрологических данных была предложена в 1899 году. Позже, в 1907 - 1915 годах, появляются районные формулы Ланге, Г.И. Тарловского (1913 г.), Ф.Г. Зброжека (1901 г.), Спарро.
Наиболее существенные обобщения данных по максимальному стоку половодий для рек Европейской территории страны (ETC) осуществил Д.И. Кочерин в 1926 - 1928 годах. В работе «О нормах наибольших расходов воды для бассейнов Европейской части СССР по фактическим данным», опубликованной в 1928 году, он на основании собранных из различных источников данных по максимальным расходам весенних и ливневых паводков для 134 пунктов разработал схему общего ландшафтного районирования Европейской территории СССР по условиям максимального весеннего стока, рекомендовал расчетные нормы максимального весеннего стока в виде таблиц модулей в зависимости от площади водосбора по районам, привел опытные кривые q = j(F). Позже, в своей работе «Нормы наибольших расходов снеговых паводков в Европейской части СССР», но опубликованной ранее указанной выше работы, в 1927 году, Д.И. Кочерин рекомендует расчетные формулы максимальных расходов. Он впервые в инженерной практике России предложил учитывать специальными коэффициентами влияние на максимальный сток рельефа и леса, а также повторяемость максимальных расходов воды (Соколовский, 1968).
Дальнейшее развитие и уточнение работы Д.И. Кочерина получили в исследованиях Д.Л. Соколовского в 1933-1937 годах, который предложил определять максимальный модуль элементарного стока по рекам - аналогам, а при их отсутствии - по карте изолиний, построенной им для ETC. Расчет значений максимального стока заданной обеспеченности производился с использованием карты изолиний коэффициента вариации талых вод (Соколовский, 1934, 1937). К довоенному периоду относятся также работы А.Н. Бефани (1940) по теории и расчетам весеннего стока, Н.Д. Антонова (1941) по методике расчета объемов весеннего половодья на реках ETC.
В послевоенные годы разработаны основы теории максимального стока и предложены многочисленные приемы его расчетов М.А. Вели-кановым (1949), А.Г. Ковзелем (1953, 1955), Б.Д. Зайковым (1954), П.С. Кузиным (1955), В.Д. Комаровым (1955), Г.А. Алексеевым (1962, 1966), Ю.М. Георгиевским (1957), О.И. Крестовским (1961), А.А. Соколовым (1963, 1966), А.Б. Заводчиковым (1965), В.И. Мокляком (1965), Г.В. Железняковым и Н.Н. Захаревской (1967).
С 1945 по 1967 годы выходит в свет множество работ, где освещены результаты региональных исследований максимального стока талых вод. Расчетные формулы максимальных расходов с региональными параметрами в этот период были предложены Л.Т. Федоровым (1949), А.А. Самохиным (1958), Б.Ф. Перевозниковым (1967) - по Европейской территории страны; Н.Ф. Пановой (1953), Л.К. Малик (1961), Н.И. Княгиничевым (1961), Г.В. Павленко (1963), Г.Д. Эйрихом (1965, 1966), Д.А. Бураковым (1966) - по территории Западной Сибири; Н.А. Паниной (1966) - по горному Алтаю; А.Е. Черкасовым (1958) -по бассейну р. Енисея.
Изучением особенностей формирования максимального стока в различных природных условиях Западной Сибири занимались Л.К. Малик (1958), Г.В. Павленко (1959), Д.А. Бураков (1965); в условиях Северного Казахстана - М.И. Баюшева (1957), А.Б. Заводчиков (1962); в условиях Алтайского края - Л.К. Малик (1957), Г.В. Павленко (1959), в условиях Урала - И.С.Шахов и А.С.Шкляев (1969).
Опыт развития методов расчета максимального стока в послевоенные годы нашел обобщение в общегосударственных нормативах СН 356-66, которые при отсутствии или недостаточности данных наблюдений рекомендуют эмпирическую зависимость коэффициента дружности весеннего половодья от площади водосбора, впервые предложенную К.П. Воскресенским и в дальнейшем разработанную в ГГИ под руководством А.А. Соколова. Позже этот метод с некоторыми уточнениями и исправлениями вошел в нормативы СН 435-72, а затем СниП 2.01.14-83 (см. главу 5).
Опыт использования указанных нормативов по оценке максимальных расходов неизученных рек показал, что в весьма разнообразных условиях нашей страны они часто работают с большими погрешностями. Поэтому в 80-90 годы предприняты попытки уточнения параметров расчетных формул (Водогрецкий, Доброумов, Лютик, 1981; Гопченко, Арзаматова, 1986; Манукало, 1990) и разработки новых методов и подходов к оценке максимального стока по отдельным регионам: Е.Д. Гопченко, Т.А. Симоновой (1981), К.Е. Орловой (1982), В.Н. Жердевым, В.К. Рязанцевым (1984), В.А. Манукало (1991) - для Европейской территории страны; Д.А. Бураковым, В.А. Земцовым (1983), Е.Д. Гопченко, Н.Г. Сербовым (1990), Ю.П. Москвиным, С.А. Багровым (1990), Е.А. Асабиной, А.В. Христофоровым (1993) - по территории Западно-Сибирской равнины.
В последние годы предложен ряд новых методов косвенной оценки максимального стока за период половодья (Гопченко, 1989; Крестовский, Охиниченко, 1989; Рождественский, Лобанова, Тихомирова, 1989; Маслова, 1991; Комлев, 1992; Нежиховский, Жукова, Поликарпов, 1992). Так, А.В. Рождественский, В.А. Лобанова, А.А. Тихомирова (1987, 1989), Н.И. Маслова (1991) в связи с отсутствием в ряде районов страны стационарных наблюдений за речным стоком, разработали методы расчета максимального стока, основанные не только на гидрометрической информации, но и метеорологических наблюдениях, определяющих рассматриваемую гидрологическую характеристику. A.M. Комлевым (1992) на примере данных о максимальном стоке рек бассейна р. Камы предложена схема косвенной оценки нормы и коэффициента вариации этого стока. Норма максимального стока неизученных рек оценивается по районным зависимостям максимальных расходов воды с площадью водосбора, характеризующихся высокой теснотой связи (г 0,95), а коэффициент вариации - через среднее квадратическое отклонение, связь которого с нормой стока прямолинейна и тесна в пределах выделенных районов (г 0,90). Р.А. Нежи-ховским, М.А. Жуковой, Г.И. Поликарповым (1992) предложен способ установления кривой времени добегания для любого речного бассейна.
В указанных выше работах излагаются методы расчета максимального стока преимущественно к большим и средним водосборам. Между тем, вопрос о расчете максимальных расходов весеннего половодья для малых водотоков, в связи с растущим использованием их для водоснабжения, орошения и других целей, становится весьма актуальным. Подобными исследованиями занимались Л.П. Семлянская (1957), М.М. Протодьяконов (1960), В.Е. Водогрецкий (1980), СМ. Ту-мановская (1981), B.C. Дружинин (1981, 1991), И.В. Крапивин, Н.М. Шило (1982), Г.В. Павленко, СП. Шендрик (1988), В.М. Мишон, В.К. Рязанцев (1990), В.К. Рязанцев, В.Н. Жердев (1991).
Восстановление рядов наблюдений и оценка нормы максимального стока
Гидрограф стока половодья также куполообразной формы, но характерна более значительная растянутость не только фазы спада, но и фазы подъема (рис. 5.1) особенно для среднего и нижнего течения. Это объясняется чрезвычайно низкими уклонами поверхности водосборов и значительной их залесенностью (50-60%). III район занимает правобережную часть бассейна Оби на территории Среднего Приобья и включает бассейны рек Вах, Аган, Тромъю-ган, Пим, Лямин, Назым. Доля слоя стока за фазу подъема изменяется в среднем от 32 до 41 %. Ее уменьшение в верховьях рек по сравнению с предыдущими районами, связано с увеличением скорости добе-гания воды к руслу в пределах Сибирских Увалов с одной стороны и значительным сокращением площади лесов на водосборах до 40-12% - с другой. Для р. Вах обнаружено существенное отклонение значения h„, выраженного в процентах от общего стока половодья,от средней районной величины. Она составляет 47%. По-видимому, это связано с ухудшением условий стекания и возрастанием площади лесов на водосборе до 65%. Фронт снеготаяния на реках этого района распространяется от устьев к истокам. Гидрограф половодья имеет достаточно высокий, с четко выраженной вершиной характер. IV район располагается в пределах Северо-Сосьвинской возвышенности, возвышенности Белогорский материк и охватывает равнинную часть бассейна р. Северной Сосьвы, бассейны рек Сеуль, Ендырь и Нягынь-Юган. Доля слоя стока за фазу подъема здесь заметно уменьшается до 28% в верховьях реки и 36% в низовьях, несмотря на высокую степень облесенности водосборов (в среднем 85%). По-видимому, здесь большую роль наряду с возросшими уклонами поверхности начинают играть и мерзлые грунты. Фронт снеготаяния в бассейнах рек Сеуль, Ендырь и Нягынь-Юган распространяется одновременно, а на Северной Сосьве, преимущественно, от истоков к устью. Гидрограф половодья высокий, с четко выраженной вершиной (рис. 5.1). Подъем половодья идет интенсивно. Бассейн р. Ляпин и левые притоки Нижней Оби, берущие начало с восточных склонов Полярного и Приполярного Урала (р. Сыня, р. Собь, р. Щучья) объединены в V район, который характеризуется самой низкой по территории исследования долей слоя стока за фазу подъема в общем слое стока весеннего половодья (всего 20%). Быстрому прохождению фазы подъема способствуют значительные уклоны водосборных площадей, незначительная их залесенность (в среднем 20%), широкое распространение многолетней мерзлоты. Гидрограф половодья высокий, островершинный, в отдельные годы имеет расчлененный характер, что объясняется особенностями весеннего периода и неравномерным таянием снега в горах. VI район включает бассейны рек правобережья Нижней Оби (р. Казым, р. Полуй), где доля слоя стока за фазу подъема составляет 34% и фронт снеготаяния наступает приблизительно одновременно по всему водосбору. VII район объединяет бассейны рек Надым, Пур и Таз. Здесь доля слоя стока за фазу подъема уменьшается до 23% в верховьях и до 30% в нижних течениях рек. Фронт снеготаяния совпадает с направлением течения рек. По сравнению с южными территориями, в двух последних районах отмечается значительное снижение составляющей подъема в общем слое весеннего стока половодья. Это обусловлено повсеместным развитием многолетней мерзлоты и распространением на территории водосборов редкостойных северотаежных ландшафтов, которые слабо задерживают процесс таяния снега. Гидрограф половодья рек этих районов высокий, с четко обозначенной вершиной. Подъем половодья интенсивный. Схема районирования территории исследования была использована на следующих этапах работы: при расчетах коэффициентов парной корреляции слоя стока за период подъема весеннего половодья, при выборе пунктов-аналогов и т.п. К дальнейшим исследованиям привлечены исходные материалы по 60 пунктам наблюдений лесоболотной зоны Тюменской области с рядами продолжительностью не менее 5 лет. По формуле 5.3 вычислены ежегодные значения слоя стока за фазу подъема половодья. Для оценки степени тесноты связи слоя стока за период подъема весеннего половодья отдельных рек с помощью ЭВМ вычислено 116 значений коэффициентов парной корреляции. Они определены для рек, расположенных в выделенных гидрологических районах (приложение 4), при условии, что совместный фактический ряд наблюдений составляет не менее 5 лет. Следует отметить некоторые особенности корреляционных связей значений h n по районам. Самые высокие коэффициенты корреляции наблюдаются в пределах I района. Здесь прослеживается высокая внутри- и межбассейновая корреляция значений h n (г=0,98-0,82). Во II, III и IV районах число коэффициентов корреляции выше 0,8 значительно сокращается. Высокая теснота значений h n, в основном, характерна для бассейнов отдельных рек. Межбассейновые связи здесь редко превышают 0,7. В V, VI и VII районах, ввиду редкой сети стоковых постов, коротких фактических рядов наблюдений по большинству пунктов, а также особенностей колебаний исследуемой характеристики, всего 17% от всех вычисленных здесь коэффициентов корреляции имеют значения не менее 0,7. Причем, очень сложно по единичным случаям судить о преобладании внутри-или межбассейнового вида связей.
В силу объективных причин, к расчетам слоя стока за период подъема половодья была привлечена исходная информация лишь по 1987 год включительно. Поэтому количество пунктов при разной продолжительности фактических рядов наблюдений, которые приняты в этом случае для статистической обработки, распределились следующим образом: более 50 лет - 9 пунктов, от 50 до 31 года - 13 пунктов, от 30 до 26 лет - 8 пунктов, от 25 до 21 года - 12 пунктов, от 20 до 16 лет - 8 пунктов, от 15 до 11 лет - 3 пункта, от 10 до 5 лет - 7 пунктов. Приведенные данные показывают, что только 15% пунктов имеют ряды наблюдений продолжительностью более 50 лет.
На основании анализа значений коэффициентов корреляции и в соответствие с существующими рекомендациями (см. главу 4), в каждом гидрологическом районе выбран основной пункт-аналог (табл. 5.1).
Для определения расчетного периода при вычислении нормы слоя стока за период весеннего половодья произведен анализ разностных интегральных кривых (Кі-і)-і(т) для 12 пунктов с продолжительными фактическими рядами наблюдений. По большинству пунктов было сложно выделить полные циклы водности. Тем не менее, значения Кср., полученные за весь период наблюдений, удовлетворяют условию /Сср.=1,00+0,03. Это позволило принять за норму среднее многолетнее значение слоя стока подъема половодья.
Для всех пунктов наблюдений с короткими рядами или с рядами, имеющими пропуски в пределах выбранных периодов расчета, произведено восстановление ежегодных значений h n. Однако, как и при оценке нормы максимального весеннего стока (см. главу 4), выбрать пункт-аналог для каждого приводимого пункта с полным учетом рекомендаций (Пособие..., 1984) не представилось возможным и основное значение также придавалось величине коэффициента парной корреляции.
