Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Физико-географическая характеристика территории приморской воднобалансовои станции ШБС
Глава 2. Метод водного баланса и его прикладные аспекты . 22
2.1. Схема влагооборота и структура водного баланса малых водосборов 23
2.2. Установление границ гидрологического года и сезонов 30
Глава 3. Особенности формирования и режима осадков и стока
3.1. Атмосферные осадки 36
3.1.1. Наблюденные и исправленные ооадки 37
3.1.2. Пространственно-временная изменчивость осадков 4"
3.2. Речной сток 56
3.2.1. Особенности генезиса и распределения стока эе
3.2.2. Пространственно-временная изменчивость стока bL
Глава 4. Потерь осадков
4.1. Испарение с различных поверхностей суши 81
4.1.1.. Испарение с поверхности почвы 83
4.1.2. Испарение с поверхности воды 100
4.1.3. Испарение с поверхности снега 109
4.2. Задержание осадков в лесу .112
4.3. Аккумуляция осадков на поверхности бассейна 120
4.4. Аккумуляция осадков Б зоне аэрации .122
4.5. Аккумуляция осадков в зоне насыщения и подземное питание 132
Глава 5. Особенности соотношений вдщг стоком и осадкам .139
5.1. Учет неравномерности распределения осадков .149
5.2. Динамика некоторых соотношений при фиксированных суммах осадков .152
Глава 6. Водный баланс различных гидрологических объектов его динамика и преемственность 160
6.1. Группирование лет по воднооти и увлажнению. 160
6.2. Водный баланс изолированных участков склонов 165
6.3. Водный баланс бассейнов логов и рек *75
Заключение 187
Литература
- Установление границ гидрологического года и сезонов
- Пространственно-временная изменчивость осадков
- Аккумуляция осадков на поверхности бассейна
- Динамика некоторых соотношений при фиксированных суммах осадков
Введение к работе
Новый этап развития народного хозяйства и экономического освоения районов Дальнего Востока,связанный с реализацией продовольственной и энергетической программ, предъявляет все возрастающие требования к воде, масштабам водохозяйственного и мелиоративного строительства. Мелиорация земель и водохозяйственные мероприятия по сути направлены на преобразование влаго-воздушного режима почвогрунтов и гидрометеорологического режима территории. Поэтому эффективность этих мероприятий прямопропор-циональна их гидрометеорологическому обоснованию и определяется наличием достаточно подробных и верных представлений о характере круговорота воды на данной территории и ее водных ресурсах.
Для разработки научно обоснованного плана рационального использования водных ресурсов необходимо знать и характер распределения отдельных элементен водного баланса, и современный водный баланс территорий, и динамику водного баланса в разные по увлажнению годы.
На основе познания механизма формирования водного баланса территории и режима его отдельных элементов возможно постепенное решение одной из важных задач нашего времени - управления водными ресурсами. Большое значение при решении этой задачи имеет правильная оценка влияния хозяйственных мероприятий на режим рек. Особую актуальность эта оценка приобретает для малых водосборов.
Дальний Восток и, в частности, Приморье в этом отношении изучены еще недостаточно. Богатейшие ресурсы этой части страны не могут быть эффективно освоены без рационального изменения режима рек, в большинстве не имеющего аналога в других районах.
Своеобразие природных условий Приморья, в целом отнесенного к зоне достаточного увлажнения, заключается в том, что в один год резко ощущается недостаток влаги» в другой»избыток. Такие же колебания водности имеют место л в межсезонном и вну-трисезонном распределении. Следовательно,актуален и вопрос регулирования влаги внутри года.
Удовлетворение перечисленных выше требований народного хозяйства возможно лишь на основе широкого развития водноба-лансовых исследований на базе действующих воднобалансовых (ВЕС) я проектируемых мелиоративных станций.
Специальные наблюдения на ББС и водные балансы их водосборов отражают специфику довольно больших регионов и являются источниками уникальных данных. Однако уникальность и ценность материалов этих станций часто недооценивается.
Воднобалансовые исследования в целом и изучение отдельных элементов водного режима в Приморье и на Дальнем Востоке в разное время велись автором ^53-62^7 и другими сотрудниками ДВНИИ Госкомгидромета СССР /f~35, 37, 40, 41, 95, 96, 128-130, 152-156 и Др._7.
Настоящие исследования основаны на результатах анализа и обобщения материалов наблюдений Приморской ВБС за весь период ее деятельности (I957-I98I гг.).
Основной целью работы явилось изучение динамики структуры водного баланса малых водосборов в конкретные годы и ее закономерностей в связи с изменением климатических условий (на примере изменения осадков). Исследований по этому вопросу проведено еще очень мало.
Основная идея работы заключается в том, что многообразие структур водного баланса и его динамика обусловлены переменным влиянием факторов подстилающей поверхности и климата при веду-
щей роли последнего. Смена влияний указанных факторов происходит при переходе от сухих (маловодных) к влажный С многоводный) годам или сазам.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заішочения.
В первой главе дается характеристика природных условий района деятельности Приморской ВЕС.
Вторая глава содержит общие сведения о водном балансе как комплексной характеристике водных ресурсов и как методе исследования. Б ней представлены разработанная автором схема влаго-оборота в речном бассейне и уравнения водного баланса малых водосборов для разных периодов. Излагаются правила установления границ гидрологического года и генетически однородных сезонов.
В третьей главе даны особенности формирования и режима основных элементов водного баланса (осадков и стока). Показан характер их изменения во времени и в пространстве. Произведено корректирование осадков» измеренных о пожщью осадкомеров Третьякова и суммарных осадкомеров.
Четвертая глава посвящена анализу составляющих общих потерь осадков. Здесь приведены средние значения и пределы колебания каждой составляющей потерь, их динамика в зависимости от увлажнения периода. Выявлены особенности воднобалансовых соотношении для малых водосборов в условиях муссонного климата.
В пятой главе дается анализ соотношений между стоком и осадками при разных периодах их суммирования и осреднения. Предлагается прием оценки влияния неклиматических факторов на сток с малнх водосборов.
В шестой главе выполнен анализ результатов расчета водных балансов различных по площади и типу малых водосборов, показана динамика структура водного баланса в зависимости от увлажнения года. Произведена дальнейшая дифференциация потерь осадков;
Показана преемственность структур водного баланса при переходе от очень малого водосбора к большему.
Б заключении даны основное выводы по результатам исследований и показаны возможности применения результатов работы в практике гидрологических расчетов и прогнозов.
Работа выполнена в отделе гидрологических исследований и прогнозов ДВВДИ Госкомгидроыета СССР при содействии и консультации специалистов Ленинградского гидрометеорологического института.
Установление границ гидрологического года и сезонов
Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что саморегулирование здесь одностороннее, а не двухстороннее. Сам по себе водосбор не монет повысить или сохранить свои влагоза-пасы; они всегда истощаются. Водосбор лишь перераспределяет их по расходным статьям, причем в разные моменты по-разному. Представляется» что и "нормальное" (равновесное / 18_7) состояние водосбора - это преходящее состояние, неустойчивое» мгновенное, если иметь в виду, что нормальное состояние бассейна определяется, например, уровнем влагозапасов, равным ВВ. Поэтому определять "нормальное" состояние бассейна по "нормальности всех элементов водного баланса по-зидшому невозможно (даже качественно).
Приведенная схема не только отражает качественную структуру водного баланса, но и указывает последовательность потерь и путь влаги при различном состоянии бассейна. Она отражает полный влагооборот в теплый период года (или период вегетации). В холодный же период влагооборот подразделяется на два самостоятельных звена: влагооборот на поверхности бассейна и подповерхностный- С устойчивым переходом среднесуточной температуры воздуха через 0 в сторону отрицательных значений начинается промерзание верхнего деятельного слоя зоны аэрации, влажность которого к концу осени не превышает уровня НВ. Это обстоятельство и отсутствие в этот период жидких осадков снижает "посредническую" (трансформирующую) роль этого слоя практически до нуля. На поверхности идет процесс аккумуляции твердых осадков и испарение, под поверхностью идет независимый процесс истощения их испарение, под поверхностью идет независимый процесс истощения Благозапасов зоны насыщения (т.н. динамических запасов грунтовых вод)- Зона аэрация от избытков влаги обычно освобождается еще до ее промерзания. Увеличение влаго-запасов зоны аэрации в течение зимы возможно за счет подтягивания влаги к фронту промерзания снизу / 25_7 и за счет проникновения талой воды сверху в период оттепелей. Не проникая глубоко в почву, она замерзает, образуя энутрипочвенный лед Однако эти источники влаги невелики и лишь в период снеготаяния веснок талая вода доводит влажность зоны аэрации до уровня ПВ.
Качественно структуру водного баланса можно выразить символическими знаками в уравнении водного баланса. Его полное выракение представляет идеальный случай, когда отражены исключительно все его составляющие. На практике же приходится оперировать значительно сокращенным числом составляющих из-за невозможности прямого ИЛЕ косвенного определения отдельных элементов.
Собственно структура водного баланса видна й ощутлмаст ЛИЙГЬ тогда, когда все его элементы (пусть даже только основные) выражены количественно. Обычно структура представляется либо набором значимых элементов водного баланса в виде уравнения, либо выражается долевым участием каждого элемента по отношению к осадкам, либо простыми парными соотношениями (например, коэффициент стока, коэффициент испарения и т.д.).
Особенностями малых водосборов являются: повышенное высотное положение их относительно рек более высокого порядка» в которые они впадают (что исключает переток в них вод этих рек), частое несовпадение поверхностного и подповерхностного бассейнов и неполное дренирование грунтового стока Эти обсто- ятелъства приводят к нарушению связи осадков и стока малых водосборов, к противоречивости связи гидрологических характеристик с площадями водосборов, к существенным невязкам водного баланса.
Невозможность полного учета этих особенностей (в основном из-за технических трудностей)не позволяет с необходимой точностью показать структуру их водного баланса. В связи с этим приходится оперировать наблюденными данными и считать единственным источником влаги в бассейне (т.е. приходной частьзо баланса) - осадки на водосборе.
В процессе выпадения осадки распределяются так, как показано на схеме; дальнейший путь влаги зависит от состояния указанных на модели компонентов среды, количества осадков и рассматриваемого промежутка времени (паводок, сезон или гидрологический год). В последнем случае существенное значение имеет кратность выпадения осадков, а следовательно,и кратность смачивания, заполнения и протачивания. Все это неизбежно сказывается на структуре водного баланса разных фаз режима и разных объектов в разные годы, о чем будет сказано далее. Ниже приведено основное уравнение водного баланса с раскрытием смыслового значения всех его символов, которыми будем пользоваться в процессе всего исследования.
Пространственно-временная изменчивость осадков
Водные балансы можно составлять» вообще говоря, для любого промежутка времени» если при этом имеются достаточно частые Сили непрерывные) данные наблюдений за всеми элементами водного баланса. Поскольку же таких данных нет, приходится ограничиваться рассмотрением в основном месячных, сезонных и годовых водных балансов за конкретные годы и в средиємноголетнем разрезе. Но и здесь полнота данных обеспечивается не всегда. Прежде всего это касается д /М » л G- и .
Во избежание больших невязок водного баланса» изучение закономерностей формирования элементов водного баланса ведется по генетически однородным периодам.
Под гидрологическим годом подразумевается такой период, в течение которого происходит замкнутый цикл накопления и расходования влагозапасов в бассейне. Критериев для установления границ гидрологического года разработано сравнительно немного. Например, Бочков А.П. в работе / 13_/ предложил в качестве критерия соотношение Р Я + Я .По его рекомендации гидрологический год начинается с того месяца, с которого это соотношение начинает соблюдаться.
Своеобразие Приморья заключается в том, что указанное неравенство начинает выполняться еще до осенних месяцев» т.е. с июля, хотя последующие месяцы характеризуются весьма интенсивным влагооборотом, не уступающий первой половине теплого периода» но с тенденцией накопления влагозапасов в зоне аэрации за счет снижения в этот период испарения с почвы и тран-спирацши Однако накопление влаги в этот период происходит в пределах ВЗ - НВ.
Второй особенностью приморских рек (особенно малых) является их быстрая разгрузка. Постоянного накопления влаги в зоне насыщения не происходит. Динамические запасы грунтовых вод столько раз пополняются я расходуются сколько раз в течение года выпадает существенных дождей (включая весеннее снеготаяние) .
Интенсивность влагооборота начинает ослабевать лишь с переходом среднесуточной температуры воздуха через 0 в сторону отрицательных значений, после чего влагооборот подразделяется на два независимых звена, о чем уже говорилось выше. Промерзание наиболее активного слоя зоны аэрации (15-20 см) происходит спустя 2-3 недели после перехода температуры воздуха через 0 (в среднешоголетнем разрезе 8.XI), т.е. к началу декабря. С этого момента начинается устойчивое накопление твердых осадков на поверхности водосбора. При этом в зоне насыщения идет независимый процесс истощения прежних (осенних) запасов грунтовых вод.
Расходование накопившейся в течение зимы влаги в виде снега начинается с приходом веоны, т.е. в марте. Полный влагооборот начинается с момента оттаивания по крайней мере двадца тисантшетрового слоя почвы в бассейне,
Следовательно, время начала накопления влаги на водосборе (в почве и на поверхности) и его расходования не совпадает. По предложению В.Г.Булавко fl6jt начало цикла накопления и расходования влаги (т.е. начало гидрологического года) должно быть приурочено к периоду, когда ослаблены или сведены к ми ниьдгму все или почти все гидрометеорологические процессы и явления (транспирация, испарение, истощение грунтовых вод, интенсивность влагооборота и т«д#). Таким периодом в Приморье безусловно является зимний, К концу этого периода происходит почти полная сработка запасов грунтовых вод и наблюдаются максимальные запасы влаги на поверхности водосбора в виде снега. На начало весны приходится гораздо больше "начал11 гидрологических, биологических и прочих процессов, чем на начало осени.
Второй принцип по В.Г.Булавко заключается в наиболее тесной корреляции между осадками и стеком за гидрологический год. Расчеты коэффициентов корреляции (табл»2Д) для гидрологических лет с разными датами их начала (со сдвижкой и без СДБИЗІЇКИ во времени периодов расчета осадков и стока) показали, что наибольшего своего значения они достигают при сдвижке периодов расчета стока и осадков на время накопления последних в виде твердой фазы.
Аккумуляция осадков на поверхности бассейна
Годовой и сезонный сток как сумма слоев отдельных поводочных и межпаводочных периодов зависит не только от избытка влаги в этот период, но и от характера выпадения осадков в каждый отдельно взятый дождь. Следовательно, в конкретных случаях не целесообразно считать сток как остаточный член ЕОДНОГО баланса. Однако принципиальность этого высказывания в данном случае не столь очевидна, как она очевидна для отдельного паводка, поскольку в течение сезона или года может иметь место значительное число дождевых периодов, в которые сток не образуется, а все осадки идут на пополнение влагозапасов в почвогрунтах и, в конечном итоге, на испарение. Причем сумма осадков эа эти дождевые периоды может ооставлять больше половины сезонных или годовых осадков. В другом сезоне или году та же сумма осадков может быть сконцентрирована в одном или двух дождевых периодах. Сток будет значительным, а испарение (хотя метеоусловия будут не менее благоприятными) окажется сравнительно небольшим. Эти обстоятельства и создают значительный разброс точек на графике связи R. = HP) на любом временном уровне.
Касаясь вида этой зависимости вообще, необходимо отметить, что и здесь нужен дифференцированный подход / 137_7. Выводы, сделанные относительно коротких периодов, нельзя автоматически переносить на сезон и тем более на год / 52_7. Более того, остается открытым вопрос о том, можно или нельзя отождествлять кривую по нормированным данным, являющуюся по оуществу отражением пространственной закономерности, с кривой для коротких периодов и одного басоейна. В работе Соколова А.А, / 137_7 отмечается, что на характер связи R.- ] (Р) по годовым и средне многолетним значениям большое влияние оказывает внутригодовое распределение и рении осадков, а также соотношение твердых и жидких осадков, причем связь тем теснее и круче, чен увлажнен-нее зона.
Что же касается характера и вида связи при неограниченном увеличении осадков, то кроме положения, выдвинутого еще Ольде-коном Э.М. / III_7 и повторенного в учебной литературе в настоящее время (о наличии максимального предела испарения, после которого кривая R.-JC&) переходит в прямую, параллельную линии равных значений, т.е. под углом 45 /"117, 125_7), Других предложений не было. Причем это положение в настоящее время относят к любому промежутку времени /"18, 138 и др._7. В отношении последнего в работе / 136_7 высказано сомнение. Приведем его дословно: "... что же касается испарения, то еще не вполне ясно, увеличивается оно или уменьшается в многоводные (по осадкам) годы, имея в виду, что многоводные годы отличаются обычно понижением температуры воздуха и температуры испаряющей поверхности".
От однозначности ответа на этот вопрос зависит решение, принимать или не принимать высказывание Ольдекона ко всем временным уровням. Если принять во внимание справедливость второй части приведенной цитаты, то вывод напрашивается сам собой -испарение должно уменьшаться. Следовательно, кривая R. j-(P) по годовым значениям должна иметь направление в сторону линии равных значений после действительно имевшего место предельного значения годового испарения. Однако, во-первых, нужно показать С или-доказать), что в годы со значительными годовыми суммами осадков среднегодовая температура воздуха ниже, чем в сухие и средние по ооадкам годы; во-вторых, что среднегодовая температура является одним из основных факторов испарения; и, в-треть 141 их, на сколько кривая R- - 7 СР) может отставать от линии равных значений при разных значениях аргумента (т.е. каков вид кривой на самом деле). Решение последнего вопроса имеет не только познавательное значение, но одновременно и прикладное. Именно на этих связях в основном базируются принципы в методы долгосрочных прогнозов стока /"ІЗб 7. по этим связям восстанавливается сток за прошлые годы, когда имелись лишь наблюдения за осадками и т.д. Попытаемся ответить на поставленные здесь вопросы, используя материалы наблюдений ШБС.
В табл.5.I приведены результаты сопоставления средних температур воздуха и сумм осадков, а также радиационного баланса и суш осадков для года, сезона (У-Х) и августа по данным наблюдений на Центральном. Эти результаты свидетельствуют о том, что среднегодовая температура воздуха служит слабым показателем увлажненности года. Очевидно причиной этого является значительная неравномерность хода обоих сравниваемых элементов внутри года. Теплое лето с холодной зимой может дать такую же среднюю годовую температуру воздуха, как и умеренное лето с теплой зимой. При этом осадки теплой зимы никогда не компенсируют недостаток осадков теплого лета. Что касается сезона, то и здесь происходят нивелирование температур разных месяцев с разным генезисом осадков; кроме того,значительное влияние на соответствие осадков и температур могут оказывать аномалии отдельных месяцев, связанные в адвекцией тепла или холода извне. Тем не менее просматривается обратное соотношение между сравниваемыми элементами. Более отчетливо такое соотношение просматривается для отдельных месяцев (например, для августа). Большим осадкам соответствуют низкие температуры воздуха; сухие месяцы, как правило, теплее.
Динамика некоторых соотношений при фиксированных суммах осадков
Исследование характера связи коэффициентов стока от годовой суммы осадков для водосборов равнинной и горной частей исследуемой территории показало, что при одних и тех же осадках реакция водосборов равная. Так, для пары водосборов с одинаковой площадью, но с разными ландшафтными условиями (р.Репъевка и р.Комаровка у Центрального) наибольшие различия в коэффициентах стока наблюдаются в зоне малых осадков; с увеличением последних эти различия становятся все меньше и меньше (рис.5,5), При дальнейшем повышении осадков коэффициенты стока обоих водосборов сходятся. К хотя предел осадков, при котором коэффициенты будут равны,найти можно только путей экстраполяции (ввиду недостаточности диапазона осадков), однако существование этого предела в зоне двух норм осадков очевидно. Сравнение подобных зависимостей для других пар бассейнов подтверждает изложенное.
В качестве развития и подтверждения этой идеи приведен рис.5 6» который отображает изменение соотношения между стоком и средней высотой водосборов при одинаковых (фиксированных) осадках. Данные для построения этого графика взяты из табл.5.2. Они свидетельствуют о том, что при неограниченном увеличении осадков такой "сильный" фактор как высота водосбора теряет GBoe значение, равно как очевидно, и лесистость, и густота речной сети» и уклон и т.д.
Таким образом, при неограниченном увеличении годовых осадков различия в ландшафтных условиях водосборов нивелируются, что выражается в выравнивании потерь осадков. Б условиях же низкого увлажнения ландшафтные различия проявляют себя в полной мере. Отсюда следует весьма важный практический вывод о том, что в такой же зависимости от увлажнения года находится и степень влияния водохозяйственных и мелиоративных мероприятий на гидрологический резни рек.
Метод водного баланса» как уже отмечалось выше, позволяет не только комплексно оценить водные ресурсы региона, но и выявить соотношение медщу элементами водного баланса в разных районах с разными климатическими условиями; оценить каждый элемент водного баланса при рассмотрении разных объектов (от изолированного почвенного монолита до большого речного водосбора) ; выявить структуру водного баланса при естественном или искусственном изменении одной из составляющих водного баланса для одного водосбора и т.д.
Все эти моменты в какой-то степени уже отракены в предыдущих главах, остается только рассмотреть собственно водные балансы объектов ПВБС и изменение их структуры в зависимости от изменения приходной составляющей (осадков), предварительно рассмотрев один важный прикладной вопрос.
Б практике гидрологических расчетов (воднобалансовых, в частности) довольно часто приходится делить ряды каких-либо характеристик на группы (например» группа многоводных лет, средних по водности и группа маловодных лет). Обычно это делается либо путем назначения для группы значений» близких к среднему, какого-либо критерия (например, +5, 10» 15, 20» 25 процентов от нормы или определенные интервалы по обеспеченности) » либо путем деления ранжированного ряда на три равные чаоти. При этом не учитываются особенности того или иного ряда, а выбор границ весьма субъективен.
Исследуем этот вопрос на примере натурального ряда чисел» который характеризуется исключительной однородностью и симметричностью распределения элементов. Натуральный ряд чисел является "идеальным" рядом еще и в том отношении, что на нем можно производить бесконечное число операций, варьируя и длиной ряда и его положением относительно абсолютного начала при исследовании его статистических закономерностей и особенностей. Симметричность и однородность этого ряда позволяет автоматически находить границы интервала значений, близких к среднему, а именно, путем деления ряда на три равные части. Это обстоятельство позволяет довольно просто отыскать взаимосвязь между процедурой определения границ искомого интервала и особенностями выбранного (фиксированного) числового ряда
