Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Речной сток и особенности его изменения 10
1.1 Составляющие речного стока
1.2 Сток воды и особенности его пространственного изменения 13
1.3 Особенности территориальной изменчивости стока наносов 23
1.4 Особенности изменения стока растворенных веществ 32
1.5 Биологическая составляющая речного стока 37
1.6 Сток тепла 40
Глава 2. Речная сеть территории и ее влияние на подобие условий концентрации стока 43
2.1 Типы строения речной сети.
2.2 Формализация структуры водотоков 52
Глава 3. Анализ изменения характеристик стока по длине речной сети 64
3.1 Анализ предшествующих исследований
3.2 Исследование соответствия порядков и гидрологических характеристик рек 76
Глава 4. Масштабные эффекты изменения гидрографических, морфометрических и гидрологических характеристик рек 98
4.1 Масштабные эффекты и их физическая природа
4.2 Эффекты изменения гидрографических характеристик рек 99
4.3 Эффекты изменения морфометрических характеристик русел рек 105
4.4 Эффекты изменения характеристик речного стока 106
Глава 5. Прикладные аспекты индикационной гидрологии 116
5.1 Потенциал индикационных методов при оценке возобновляемых водных ресурсов неизученных рек
5.2 Использование индикационных методов для оценки характеристик стока неизученных рек 123
5.3 Использование методов индикационной гидрологии для оценки русловых запасов воды 124
5.4 Оценка воздействия антропогенных нагрузок на составляющие речного стока 127
5.5 Оценка гидрологических характеристик при проектировании трубопроводов через реки 139
Заключение 144
Список литературы 147
- Сток воды и особенности его пространственного изменения
- Формализация структуры водотоков
- Исследование соответствия порядков и гидрологических характеристик рек
- Эффекты изменения морфометрических характеристик русел рек
Введение к работе
Актуальность исследования. Масштабные эффекты изменения
гидрографических, морфометрических, морфодинамических
характеристик рек, стока воды, наносов, растворенных веществ,
биологических субстанций, тепла по длине рек имеют важное научное и
практическое значение. Они увязывают интенсивность этих изменений и
размер (порядок) водотока в произвольном створе речной сети. В
условиях сокращения числа пунктов гидрологических наблюдений
использование масштабных эффектов один из важных факторов
создания новых методов расчета характеристик потока и русла. Весьма
эффективными могут стать подходы, учитывающие идеи
индикационной гидрологии и закономерности изменения осредненных
параметров системы руслового потока при последовательном
увеличении порядка рек. Определение водно-ресурсного потенциала
территории относительно просто (и с достаточной точностью) можно
осуществлять на основе региональных связей между водоносностью рек
и их порядками (размерами). На произвольном участке рек данные о
средних многолетних расходах воды и уклонах рек, зависящие от их
размера, являются важнейшей информацией для оценки
гидроэнергетического потенциала водных потоков. Сведения о
гидрографических, гидрологических и морфометрических
характеристиках водотоков исключительно важны для реализации начальных этапов различных проектов в области природопользования и гидроэкологии.
Методы и закономерности индикационной гидрологии позволяют получить представление о величине разнообразных характеристик системы «поток - русло» в верхнем, среднем и нижнем течении рек, а
также оценить меру их пространственных изменений. Учет этих изменений является условием получения надежных корреляционных связей между гидрологическими характеристиками и определяющими их факторами, свободных от масштабных искажений.
Цель работы — закономерности изменения гидрографических, гидрологических и морфодинамических характеристик рек при увеличении их размера в различных природных условиях. Для их выявления потребовалось:
оценить подобие водосборных территорий по условиям
формирования стока воды, наносов, растворенных веществ,
биологических субстанций, стока тепла; выявить
меридиональную и широтную изменчивость характеристик
речного стока в разных природных зонах;
изучить особенности влияния процессов сосредоточения
поверхностных вод в русловой сети на масштабные изменения
речного стока; типизировать рисунки речной сети;
изучить существующие методы и выбрать оптимальную схему
определения размера (порядка) водотоков,
определить меру влияния порядка рек на средние многолетние
характеристики стока, гидрографические и морфодинамические
характеристики рек России;
оценить эффекты изменения характеристик стока при
последовательном увеличении размера рек; выявить основные
факторы масштабных эффектов в различных гидрографических
и климатических условиях,
определить потенциал и эффективность методов индикационной
гидрологии при решении водохозяйственных и экологических
задач.
Методика исследования и фактический материал. Исследования выполнены на основе гидролого-географических обобщений осредненных данных наблюдений на гидрологических постах рек России и мира; статистической обработки этих материалов, анализа корреляционных связей между гидрографическими, гидрологическими, морфодинамическими характеристиками рек и их размером (площадью бассейна, порядком). Оценка подобия водосборных территорий по условиям формирования стока воды произведена на основе материалов наблюдений, полученных в рамках Международной гидрологической программы. Типизация рисунков речной сети осуществлена на основе сведений, размещенных в справочнике «Гидрологическая изученность» [Ресурсы..., 1966]. Анализ изменения средних многолетних и характерных расходов воды, наносов, растворенных веществ, тепла, гидрографических характеристик рек в зависимости от их размера выполнен на основе справочников Водного кадастра. Масштабные эффекты изменения стока биологических субстанций изучены с привлечением опубликованных данных экспедиционных исследований [Добровольская, 2002, Ежегодник состояния..., 1990-1992]. Значительная часть использованных материалов получена автором при проведении натурных исследований в 1995 - 2002 гг.
Предметом защиты являются: закономерности изменения средних многолетних расходов воды при увеличении размера рек в разных природных зонах; типизация рисунков речной сети; региональные зависимости гидрографических, морфодинамических характеристик и характеристик стока (средних многолетних и характерных расходов воды, наносов, растворенных веществ, биологических субстанций, тепла) от порядка рек; масштабные эффекты изменения указанных характеристик по длине рек в различных физико-географических
условиях; результаты использования методов индикационной гидрологии при решении водохозяйственных задач.
Научная новизна работы. В диссертации выявлена пространственная неоднородность территории России в отношении величины гидрографических, гидрологических и морфодинамических характеристик рек при равенстве площади их водосборов. Разработана оригинальная классификация рисунков систем водотоков, дана характеристика их влияния на продольное изменение характеристик системы «поток-русло». Выявлено подобие речных потоков по зависимости характеристик стока от размера (порядка) рек. Впервые установлена мера масштабных изменений этих характеристик для большинства крупных речных систем Российской Федерации при увеличении порядка реки на единицу.
Практическая значимость исследований связана с разработкой методов решения ряда водохозяйственных и гидроэкологических задач. На основе этих методов можно оценить водные ресурсы неизученных территорий, определить средние, характерные расходы воды в произвольном створе речной сети, если известны ландшафтная зона и порядок реки. Они весьма эффективны при оценке регионального фона и выделении антропогенной составляющей стока воды, наносов, растворенных веществ, биологических субстанций. В диссертации приведены результаты применения методов индикационной гидрологии для оценки гидрологической безопасности переходов трубопроводов через реки в зоне расположения Балтийской трубопроводной системы и нефтепровода «Россия - Китай». Учет масштабных эффектов изменения стока в бассейне Уфы оказался эффективным при определении степени разбавления загрязняющих веществ на участке их потенциального поступления в реку ниже Павловского водохранилища. При изучении
состояния рек в черте г.Зеленограда фоновая информация о меженных расходах воды, полученная с учетом масштабных изменений стока, стала основой для выявления его антропогенных составляющих.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования вошли в итоговые отчеты по проектам РФФИ №97-05-65094 «Закономерности изменения потоков вещества и энергии по длине речных систем»; 00-05-64120 «Закономерности трансформации состояния экосистем малых рек в различных природных условиях». Они докладывались на Международной конференции студентов и аспирантов МГУ («Ломоносов - 97» (апрель 1997 г.), «Ломоносов - 98» (апрель 1998 г.), «Ломоносов - 99» (апрель 1999 г.)), на XII (Пермь, октябрь 1997 г.), XIV (Уфа, октябрь 1999 г.) и XVII (Краснодар, октябрь 2002 г.) Межвузовском координационном совещании по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов, на конференции «Процессы и экологическая обстановка в бассейнах малых рек» (Ижевск, апрель 1999 г.), на конференции «Малые реки: Современное экологическое состояние, актуальные проблемы» (г.Тольятти, апрель 2001 г).
Публикации. Итоги исследований изложены в 4 статьях, 2 из которых подготовлены в соавторстве, и 7 тезисах (1 с соавторами).
Структура работы. Работа состоит из Введения, 5 глав и Заключения. В первой главе рассмотрены общие закономерности формирования геостока. Здесь же выполнен анализ зависимости среднего многолетнего расхода воды от размера рек в разных природных зонах. Во второй главе обоснованы признаки подобия и отличий рисунков речной сети, осуществлена типизация структуры водотоков, рассмотрены методы выделения элементов этой структуры в зависимости от их размера (порядка). Третья глава посвящена
выявлению зависимости гидрографических, гидрологических и морфодинамических характеристик от порядка рек в разных физико-географических районах России. В четвертой главе приведены результаты исследования масштабных эффектов изменения различных характеристик системы «поток-русло». В пятой главе рассмотрен опыт практического применения методов индикационной гидрологии к решению некоторых водохозяйственных и гидроэкологических задач.
Автор благодарит коллектив кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ за помощь в работе над диссертацией. Особую признательность автор выражает профессорам кафедры В.М.Евстигнееву, Г.П.Кумсиашвили, А.В.Христофорову, Р.С.Чалову, доцентам А.М.Алабяну, П.В.Ефремову, В.А.Жуку, М.Б.Заславской, Н.Л.Фроловой, к.б.н. А.В.Гончарову, инженеру К.Ф.Ретеюм, Н.В.Шенберг, С.И.Гаррисону. Автор признателен сотрудникам научно-исследовательской лаборатории эрозии почв и русловых процессов имени Н.И.Маккавеева д.г.н. А.Ю.Сидорчуку, к.г.н. А.В.Чернову, В.В.Иванову, инженеру Б.В.Белому за плодотворную совместную работу в период проведения полевых работ.
Сток воды и особенности его пространственного изменения
Сток воды является важнейшей компонентой геостока. Слой стока за многолетний период [Чеботарев, 1965 и др.]: где х - норма слоя осадков, a z - испарения. Величина у и водные ресурсы речного бассейна (или территории) в среднем за многолетний период остаются постоянными. Пространственные особенности их изменения обусловлены закономерностями распределения слоя осадков и испарения. Количество выпадающих осадков зависит от содержания влаги в атмосфере. Оно изменяется под влиянием континентальности климата, особенностей общей, региональной и местной атмосферной циркуляции. Основным источником поступления влаги в атмосферу является Мировой океан. Наибольшее содержание влаги в воздухе наблюдается над его поверхностью. По мере удаления от океана оно уменьшается (рис. 1.2). В атмосфере областей, находящихся на одинаковом расстоянии от водоема, может содержаться разное количество влаги, что влияет на количество осадков. Пространственное распределение слоя осадков на различных широтах отдельных континентов нашей планеты характеризуют данные табл. 1.1 [Мировой водный баланс, 1974]. Наибольшее количество осадков выпадает в экваториальном и субэкваториальном поясах земного шара. В этих поясах океаническая поверхность занимает максимальную площадь. К северу и югу от экватора среднее количество осадков снижается со скоростью в среднем 21 -22 мм/град. Пространственное распределение слоя испарения иллюстрируют данные табл. 1.2 и рис. 1.2-1.3. Слой испарения зависит от поступления солнечной радиации и насыщенности воздуха влагой. Наибольшее испарение характерно для поверхности Мирового океана, где оно равно испаряемости - максимально возможному испарению при данном поступлении солнечной радиации. Поступление солнечной радиации подчиняется широтной зональности, поэтому испаряемость убывает от экватора и тропических широт (где располагается термический экватор) к полюсам. Величина слоя испарения контролируется величиной содержания влаги в воздухе и распределением слоя осадков.
Разные величины испарения на одних и тех же широтах связаны с неоднородностью этих факторов. Для 20-30 с.ш. среднее годовое испарение в Евразии и Северной Америке примерно равно 500 мм, а в Африке оно составляет 30 мм. Это обусловлено характером регионального соотношения испарения и испаряемости. Характер пространственного распределения стока воды иллюстрирует табл. 1.3 и рис. 1.2-1.3. Наибольший слой стока показателен для рек, бассейны которых расположены в экваториальных широтах. Несмотря на большое испарение, количество осадков здесь настолько велико, что речной сток достигает глобального максимума. Минимальный слой стока характерен для сухих тропиков, где максимальны радиационный баланс и испарение, а слой осадков -экстремально мал. В умеренных широтах северного полушария наблюдается увеличение слоя речного стока с юга на север (рис. 1.3). Что касается распределения стока по территории разных материков, то на севере Африки его величина в 10 раз меньше чем в Северной Америке или в Азии. Относительно малая величина слоя стока рек Австралии обусловлена площадью материка, не обеспечивающей перехват влаги. Влага транзитом проходит над его поверхностью [Мировой водный баланс, 1974]. С удалением от океана пространственное изменение речного стока все больше подчиняется закону географической зональности [Калинин, 1968]. В пределах отдельных материков велико влияние рельефа и континентальности климата на речной сток. С увеличением высоты местности возрастает количество выпадаемых осадков. Одновременно уменьшается температура, испаряемость и испарение. Поэтому, в горных районах наблюдается увеличение речного стока. В горах большое значение имеет расположение речного бассейна относительно направления переноса воздушных масс. Модули стока в бассейнах рек, расположенных с наветренной стороны гор, могут в несколько раз превышать модули стока рек, находящихся с их подветренной стороны. Заметное увеличение речного стока наблюдается, например, на западных склонах Кавказа, Урала [Комлев, 1992]. Наоборот, на их восточных склонах слой стока снижается в 4-8 раз. В глубоко расчлененных районах хорошо увлажненные окраинные хребты создают преграду поступлению влаги. В результате межгорные понижения иногда заняты засушливыми степями и полупустынями. Сток воды в одной природной зоне зависит от размера речного бассейна, его площади (F). Чем больше F, тем больше водоносность рек, дренирующих этот бассейн. Исключение составляют транзитные реки, пересекающие бессточные области суши. Очевидно (табл. 1.3), что равные площади водосборов в умеренной и экваториальной зонах отличаются по модулю стока. Тем не менее на территории водосбора р.Москвы не сформируется сток воды, равный стоку Амазонки, даже если этот бассейн будет находится в зоне экваториального климата. Существует жесткое ограничение по площади бассейна (F = 7050000 км2), чтобы на ней сформировался средний многолетний расход воды Qo 175000 м /с [Harald Sioli, 1984]. Очевидно, что в других природных условиях для этого потребовалась бы существенно большая территория. Для выявления региональных типов связи между стоком воды и площадью водосборов можно воспользоваться данными наблюдений на гидрологических постах различных рек нашей планеты [Косицкий, 1998, 1999]. Они содержатся в обобщениях, подготовленных ЮНЕСКО (1969) по итогам Международного Гидрологического десятилетия. Зависимости между средним многолетним расходом воды Q0 и площадью водосбора F для каждой природной зоны имеют нелинейный характер (рис. 1.4). Они аппроксимируются уравнениями типа
Формализация структуры водотоков
Различие типов строения речных систем не исключает существования закономерностей соответствия смежных элементов сети. Первым на это обратил внимание Плайфер в начале прошлого столетия [Tarr and Martin, 1914]. Любая река состоит из главного русла и притоков. Каждый из них имеет некоторые линейные размеры. В совокупности элементов русловой сети наблюдается их закономерное изменение от истока к устью главной реки. Для характеристики размера этих элементов Р.Хортон (1948) ввел понятие "порядок реки" N. Порядок реки - индикационная гидрографическая характеристика водотока, дающее осредненное представление о размере реки. Существует два принципиально разных подхода к определению N. Первый устанавливает N по отношению притока к главной реке. Река, впадающая в море или озеро называется главной рекой (например, Волга). Притоки, непосредственно впадающие в главную реку, называются притоками первого порядка. Для них N = 1. Для волжского бассейна такой порядок имеют реки Ока, Кама, и др. Притоки рек с N = 1 (Протва, Москва, Клязьма и др.) являются притоками второго порядка и т. д (рис.2.7а). Данная схема определения N удобна для создания каталогов, баз данных по элементам речной системы. Порядок реки при этом не является характеристикой размера реки. В одну и ту же реку могут впадать притоки, имеющие разный размер. Например, в Волгу впадает р.Кама, (F = 507000 км2) и р.Чагра (F = 3440 км2). Обе реки являются водотоками первого порядка, хотя отличаются по длине, площади водосбора и т.п. Второй подход к определению порядка реки разработал Р.Хортон (1948). Он предложил считать рекой первого порядка (7V = 1) самый малый водоток, не имеющий притоков. При слиянии двух рек первого порядка образуется река с N = 2. Слияние двух рек второго порядка даст реку третьего порядка и т.д. В общем случае при слиянии двух рек разного порядка, порядок образующейся реки равен наибольшему из N сливающихся водотоков. Слияние рек одного порядка приводит к увеличению порядка объединенной реки на единицу. Это соответствует так называемой дихотомической схеме кодировки потоков [Черных, 1971; Алексеевский, Косицкий, Петунина, 1997]. В соответствии с ней находится порядок главной реки в ее устье (Nycm). Затем Р.Хортон проводил перекодировку порядков главной реки от истоков к устью, полагая, что они постоянны и N = Nycm по всей длине русловой сети (рис.2.7б). Это противоречит реальному характеру изменения гидрографических, морфометрических и гидрологических характеристик вдоль главной артерии стока.
А.С.Стралер (1952) и В.П.Философов (1967) предложили отказаться от гипотезы Р.Хортона N = Nycm. В этом варианте определения N водотоками первого порядка на равнинных территориях являются временные потоки в ложбинах стока (рис. 2.4в) (разд.2.1). Водотоки второго порядка располагаются в оврагах, а водотоки с N = 3 - в балках. Собственно реками соответствуют элементы сети с N = 4 -г- 5 [Симонов, Кружалин, 1992]. Недостатком метода является несоответствие малых порядков собственно рекам. В ложбинах, оврагах, а иногда и в балках формируются лишь временные потоки. Река же - водный поток сравнительно больших размеров, как правило, постоянный, питающийся стоком атмосферных осадков со своего водосбора и текущий в разработанном им русле [Чеботарев, 1978].
Схему определения N, близкую к системе Стралера-Философова, предложил Б.П.Панов (1948). Однако, он исключает из структуры русловой сети ручьи. В результате водотоки с N = 1,2, 3 и т.д. по этой методике соответствуют большим значениям N по другим системам кодировки потоков [Философов, 1967]. Оригинальность предложений Б.П.Панова заключается в использовании характерной длины водотоков для определения их порядка.
Рассмотренные схемы определения N учитывают лишь впадение притоков с размерами, совпадающими с N главной реки. Впадение более мелких притоков не учитывается, хотя и они вносят определенный вклад в водоносность главной артерии стока. Н.А.Ржаницын (1960) предложил увеличивать порядок реки на единицу не только при впадении равнопорядкового водотока, но и при впадении меньших по размеру притоков. В результате, учитывается вклад большего числа элементов речной сети в увеличение размера главной реки (рис. 2.7г). Этот прием не позволяет достигнуть полного соответствия между структурой речной сети и характеристик системы поток-русло, поскольку уточненная величина N принимает лишь целочисленные значения, сохраняется постоянной при существенном изменении этих характеристик. Скачкообразное их увеличение при изменении от N к N + 1 противоречит реальным условиям изменения гидрологических и гидрографических характеристик по длине речных систем.
Этот недостаток схемы кодирования потоков устранил Р.Шриве (1967). Он предложил складывать порядки сливающихся рек для определения TV главной реки (рис. 2.7д). В результате оказывается, что на произвольном участке реки N = Р, где Р - число притоков первого порядка в бассейне реки. Получаемые значения порядков рек оказываются очень большими (например, в устье р.Вычегды N = 548), что создает проблемы технического смысла.
Исследование соответствия порядков и гидрологических характеристик рек
Для изучения зависимости характеристик геостока от величины порядков рек Niu территория России подразделена на ряд районов с относительно однородными условиями формирования стока, в пределах которых находится достаточное количество гидрологических станций и постов. Перечень районов исследования представлен в табл.3.8. Наиболее полно изучена Европейская территория России. В Азиатской части страны максимальное внимание уделено бассейнам Оби, Енисея, Лены и Амура.
В качестве гидрографических характеристик рек использованы площадь водосбора F, длина L и уклон водной поверхности /. Все они (Л) связаны с порядком рек (рис.3.5) зависимостями типа Здесь / - индекс исследуемой характеристики. Параметры а( и bt для разных рек приведены в табл.3.9. Параметр 6, характеризует меру увеличения Г І при изменении порядка реки от Niu до Nm+1. Параметр at зависит от значения bt и абсолютной величины характеристики Г{. Изменение значений F в разных регионах страны {Nm = const) характеризует табл.3.10. Различия площадей водосбора рек одного порядка связаны с дифференциацией территории по густоте речной сети (рис.3.6). Чем больше эта характеристика, тем меньше площадь водосбора, на которой формируется река с Ыш = const. В бассейне Колымы, где Гс= 0,92 км/км , площадь бассейна реки при Nm = 12 равна 2 410 км . В бассейне Тобола густота речной сети снижается до 0,17 км/км , а площадь водосбора реки {Nm = 12) возрастает до 71 400 км . (Nu/ - const). Влияние этого фактора на изменение L выражено слабее (по сравнению с воздействием на F). На это указывает теснота статистической связанности между переменными. Минимальная длина реки (при Ыш — 12) присуща рекам бассейна Колымы - 339 км, а максимальная - в бассейне Дона - 921 км (табл.3.10).
Уклоны рек уменьшаются при увеличении порядка реки. В результате параметр Ь/ - отрицательная величина. Значения параметров а/ и Ь[ зависят от разницы АН абсолютных высот расположения истока и устья рек, длины реки L. При L = const значения уклонов рек тем больше, чем больше АН. При АН = const величина / является убывающей функцией L.
Из всех морфометрических характеристик русла наиболее тесную связь с порядками рек обнаруживает ширина реки В. Что касается глубины русла и скорости течения, то местные условия формирования морфологических форм русла оказывают на них большее воздействие, чем размер реки. Связь ширины русла с порядками рек описывается уравнением типа (3.20). Параметры уравнения для разных рек приведены в табл.3.11. При одинаковом порядке рек ширина русла изменяется от 53 до 227 м (Nuf=\2). Наибольшая ширина русла характерна для рек Печоры и
Северной Двины. Бассейны этих рек находятся в области формирования высоких модулей стока (Владимиров, 1990). Наименьшая ширина русел отмечается в бассейне Колымы, где высока густота речной сети и большая часть водотоков представлена горными и полугорными реками [Русловой режим..., 1994].
К гидрологическим характеристикам, связанным с порядками рек, отнесены средние и характерные расходы воды, средние расходы взвешенных и влекомых наносов, расходы растворенных веществ и биологических субстанций. Их зависимость от Ыш описывается уравнением типа (3.20). Наиболее тесную связь с Nm имеет средний многолетний расход воды Q0 (рис.3.7). Параметры соответствующих корреляционных уравнений представлены в табл. 3.12. Полученные с их помощью средние и характерные расходы воды рек (при Л # = 12) сильно изменяются по территории России (табл.3.13). Наименьшее значение Q0;i2 характерно для условий водосбора р.Колымы (16,7 м3/с).
Оно максимально для бассейна Оби и рек, впадающих в Обскую губу (470 м /с). Гигантский диапазон изменения в пределах страны Qo;n связан с различиями в густоте водотоков (влияние на F) и зональных соотношений между составляющими водного баланса территории (воздействие на водоносность рек). На это указывает зависимость средних многолетних расходов воды рек {Nin = 12) от площади водосбора (рис.3.8). По характеру этой зависимости объединяются в одну группу районов бассейны Северной Двины, Печоры, Камы, Енисея, Колымы, Амура, Оби (за исключением левобережной части и рек в бассейне Чулыма), рек, впадающих в Обскую губу. В этой группе (при F/2 = const) значения Q0r п больше, по сравнению с водоносностью рек в бассейне Оки, Дона, Тобола, Лены, Яны, левобережья Оби (до устья р.Васюган).
Максимальные Qmax и минимальные Qmin расходы воды зависят от густоты речной сети, увлажненности территории и от редукционных свойств речного бассейна. Поэтому, закономерности их распределения по территории России более сложны. В ее пределах существует большее число районов с относительно однородными условиями формирования максимального и минимального стока.
В зависимости от этих условий (тип строения речной сети одинаков) находится также характер нарастания стока по длине крупных рек (рис.3.9). Интенсивность продольного увеличения стока воды практически не изменяется по длине этих рек. Отличия природных условий вызывает специфику возрастания водоносности. В бассейне Печоры, где средние многолетние расходы воды максимальны, скорость увеличения Qo на верхних AL = 1000 км в среднем равна 1,2 м3/(скм). В верховьях Оки и Дона скорость увеличения Q0 составляет соответственно 0,54 и 0,27 м /(скм). Реки в бассейне Оки имеют большую водоносность, чем притоки Дона.
Эффекты изменения морфометрических характеристик русел рек
Первый опыт изучения масштабных эффектов изменения гидрологических характеристик принадлежит Н.А.Ржаницыну. Несмотря на различия условий формирования стока степных, лесных и заболоченных водосборов, коэффициент масштабного изменения средних многолетних расходов воды KQ=2,&3 (Ржаницын, 1960). Увеличение максимальных расходов воды вдоль речной сети происходит более плавно, поэтому для них #g=2,24. Поскольку с порядком реки связана и продолжительность весеннего половодья (чем больше Ырж, тем больше и Тп\ то Ржаницыным получен аналогичный коэффициент и для этой характеристики Кт. Величина его колеблется в пределах от 1,3 до 10 и уменьшается с увеличением размера реки, что также связано с использованием уравнения типа (4.14). Максимальные значения Кт характерны для степных, а минимальные для заболоченных водосборов. Для учета природных особенностей водосборов следует учитывать, что продолжительность весеннего половодья рек, имеющих лесные и заболоченные бассейны, соответственно на 23 и 38% меньше, чем на степных реках (при NP3IC = const). Коэффициенты масштабных изменений основных гидрологических характеристик для некоторых рек России представлены в табл.4.5. Практически для всех рек увеличение порядка реки с N до N+ / вызывает увеличение QQB2 раза, то есть KQ„=2,0. Коэффициент пространственной изменчивости этой характеристики по территории России составляет всего 0,020. Объясняется это тем, что KF=2,a модуль стока средних рек Мо, находящихся в одинаковых природных условиях, величина постоянная. Средний многолетний расход воды зависит от величины модуля стока и площади водосбора. Поэтому, величина KQ„ = KF. Средний многолетний расход воды в поперечном сечении русла реки на ее произвольном участке Из составляющих правой части уравнения (4.15) лишь В0 монотонно увеличивается с ростом размера реки. Величины V0 и h0 в большой степени зависят от морфологии участка реки (местных условий). Тем не менее, их произведение обнаруживает закономерное изменение при увеличении порядка реки. Поскольку коэффициент масштабных изменений средних многолетних расходов воды KQ0= 2, а средней ширины русла Кв = 1,4 « 42, то коэффициент масштабного изменения произведения V0ho также равен V2. Этот вывод четко указывает на обратную зависимость между V и h на участках рек при Nm = const. Чем больше V, тем меньше h. Наоборот, увеличение глубины реки сопровождается уменьшением скорости потока V. Для максимальных и минимальных расходов воды коэффициенты масштабных изменений заметно отличаются от Кд
Вследствие редукционных свойств речных бассейнов Кдтса 2, a Kgmin 2. Среднее значение KQmax равно 1,8, а.Кдтіт характеризующего изменение летних и зимних расходов воды при переходе от участка реки с порядком N к участку с N+1, возрастает до 2,3. По величине эти коэффициенты существенно различны для рек России. Их изменчивость значительно превышает пространственную изменчивость коэффициента KQ„. Коэффициент пространственной изменчивости Кдтах составляет 0,042, а KQmm - 0,12. Они контролируются редукционными свойствами речных бассейнов, влияющими на условия формирования экстремального стока. Наименьшие масштабные изменения максимальных расходов воды характерны для рек лесной и лесостепной зон {KQmax = 1,7). Максимальные расходы воды рек в зоне тайги возрастают на большую величину (при одинаковом изменении Nui), поскольку KQmax = 1,8 -f- 1,9. Наоборот, минимальные расходы воды в этой природной зоне отличаются меньшим масштабным эффектом изменения по сравнению с условиями продольной трансформации минимального стока рек степных регионов. Например, в бассейне Печоры при увеличении Иш от 9 до 10 минимальные летние расходы воды увеличиваются с 29,6 до 62,4 м /с, а в бассейне Дона с 9,4 до 24,2 м /с. Данная закономерность контролируется пространственным изменением величины редукционных коэффициентов стока [Евстигнеев, 1990]. Свойства уменьшать модуль стока при увеличении Ыш выражены тем меньше, чем больше густота речной сети. В результате на фоне увеличения густоты сети происходит увеличение скорости продольного изменения максимального и уменьшение Кдтіп (рис.4.2). При большей густоте речной сети увеличение порядка реки на единицу происходит на меньшей длине главного водотока. Это означает уменьшение среднего времени добегания воды от частного бассейна к замыкающему створу, что и характеризует ослабление редукционных свойств водосборов. Масштабные изменения характерны и для других видов стока. В частности, по длине рек происходят закономерные изменения среднего расхода взвешенных наносов R0. Коэффициент масштабного изменения этих расходов колеблется от 1,8 до 2,3- В среднем он равен 2,1 (табл.4.5). Территориальная изменчивость KR совпадает с характером изменения расходов воды (рис.4.3). Это контролируется и увеличением мутности при возрастании N в регионах с повышенным модулем стока воды (гл.З). Если при пониженной водоносности рек уменьшается мутность воды, то происходит ожидаемое снижение скорости увеличения RQ ПО длине речной сети. В первом приближении связь между KR и модулем стока М (М 3 л/с км2) описывается уравнением
