Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СУЩЕСТВУЮЩИЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ИЗУЧЕНИИ ЗИМНЕГО СТОКА РЕК 12
1.1. Развитие и состояние исследований зимнего стока 12
1.2. Изученность зимнего стока в зоне БАМ и характеристика исходных материалов наблюдений 17
Глава 2. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЗИМНЕГО СТОКА 26
2.1. Краткая физико- географическая характеристика района исследований 26
2.1.1. Рельеф 26
2.1.2. Климатические условия 27
2.1.3. Мерзлотно- гидрогеологические условия. 32
2.2. Районирование территории по условиям формирования зимнего стока 34
Глава 3. ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТОКА ЗИМНЕГО ПЕРИОДА 41
3.1. Начало и конец зимнего периода.Продолжительность межени 41
3.2. Закономерности перемерзання рек 51
3.2.1. Зависимость перемерзання рек от природных условий 54
3.2.2. Временные характеристики ежегодно перемерзающих рек 56
3.2.3. Продолжительность отсутствия стока на периодически перемерзающих реках. 64
Глава 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗИМНЕГО МЕЖЕННОГО СТОКА 73
4.1. Точность исходных данных 74
4.2. Выбор расчетного периода и определение зимнего стока при наличии данных наблюдений 77
4.3. Расчет зимнего стока при отсутствии данных наблюдений 85
4.4. Определение зимней водности на основе метода гидрологической аналогии 105
Глава 5. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ЗИМНЕГО СТОКА НА ЛЕДООБРАЗОВАНИЕ
5.1. Методика расчета потерь стока на ледообразование 111
5.2. Территориальное распределение потерь стока на ледообразование. Изменение зимнего стока. 123
5.3. Оценка точности вычисленных потерь стока на ледообразование 135
Глава 6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСТОШЕНИЯ ЗИМНЕГО СТОКА И ПОД РУСЛОВОИ СТОК ПЕРЕМЕРЗАЮЩИХ РЕК 141
6.1. Типы кривых истощения и расчет внутри сезонного распределения зимнего стока 141
6.2. Зимний подрусловои сток на перемерзающих реках143
6.2.1. Изученность подруслоЕОГО стока 146
6.2.2. Определение подруслового стока гидрологическим способом 147
6.2.3. Экспериментальная оценка величины стока под руслом реки 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 156
ЛИТЕРАТУРА 159
ПРИЛОЖЕНИЯ 170
- Развитие и состояние исследований зимнего стока
- Краткая физико- географическая характеристика района исследований
- Начало и конец зимнего периода.Продолжительность межени
- Выбор расчетного периода и определение зимнего стока при наличии данных наблюдений
- Методика расчета потерь стока на ледообразование
Развитие и состояние исследований зимнего стока
Изучение меженного стока в Советском Союзе началось в конце 30-х - начале 40-х годов, однако осуществлялось главным образом в связи с рассмотрением внутригодового распределения стока. К числу первых можно отнести работу Г.В.Казанцева (1936 г.), в которой для юга ETC приведены сезонные колебания стока в том числе и зимнего периода. В 1943 г. Д.Л.Соколовский построил уже для всей ETC карты изолиний средних модулей стока за лето, осень и зиму (декабрь - февраль и декабрь - март) 82. J Более крупную работу выполнил Б.Д.Зайков. По небольшому количеству пунктов наблюдений за стоком с преимущественно коротким периодом автор построил карты среднего сезонного стока (в процентах от годового), показывающего распределение водности между четырьмя календарными сезонами, жестко закрепленными по всей территории СССР. В 1948 г. В.Г.Андреянов предложил методику расчета меженного стока, основанную на использовании кривых обеспеченности расходов воды 5" J Результаты своих исследований он обобщил в монографии, посвященной вопросам внутригодового распределения речного стока в _/ Большое внимание В.Г.Андреянов уделял установлению количественного соотношения стока сезонов между собой и по отношению ко всему году, в частности коэффициентам корреляции между стоком летне-осеннего и зимнего сезонов. Исследовались вопросы возможных сочетаний разной водности года и отдельных сезонов на основании использования кривых условной обеспеченности сезонного стока. Им разработана схема определения сезонного стока неизученных рек, основанная на использовании параметров кривой обеспеченности годового стока и переходных коэффициентов от них к характеристикам сезонного стока. Однако,при этом было весьма слабо изучено влияние физико-географических факторов на величину меженного стока, что значительно осложняло практическое использование принятой расчетной схемы. Схема Андреянова была использована М.П.Колпачевой для рек ЦЧО [Зб] . Зимний сток определялся по связи с летним меженным стоком.
Рядом авторов при рассмотрении вопросов внутригодового распределения стока учитывалось ЕЛИЯНИЄ основных физико- географических факторов на меженный сток:площади водосбора реки [17, 23 ] , подземного стока [б] .высоты водосбора [13 , 99] .
Исследование меженного стока совместно с рассмотрением внутригодового распределения стока вынуждает в целях упрощения расчетов назначать постоянные сроки начала и конца межени для рек изучаемого района,обычно с округлением до I месяца. Это допущение осложняет осуществление научных обобщений в связи с возникающей генетической неоднородностью выделяемого стока,который при жестком закреплении сроков межени в годы с различной водностью на одной и той же реке может быть сформирован либо подземными,либо поверхностными водами. В связи с этим целесообразно принимать границы межени переменными в соответствиии с климатическими условиями и с учетом водного режима конкретного года.
Краткая физико- географическая характеристика района исследований
Зона хозяйственного освоения БАМ, вытянувшаяся узкой 500 километровой полосой с северо-запада от верховий р.Лены на юго-восток до низовий р.Амур более чем на 3000 км, отличается значительным разнообразием природных условий в соответствии с резкими контрастами в характере рельефа, геологического строения, климата и мерзлотно-гидрогеологического режима.
На огромной по протяжению территории встречаются разнообразные формы рельефа, начиная от зубчатых "альпийских" гор и высоких гольцов, до обширных впадин, образованных мощными тектоническими движениями в различные периоды жизни геосферы.
Созданный в основном тектоникой, рельеф района магистрали формировался в зависимости от степени сопротивляемости слагающих горных пород работе текучих вод и атмосферному выветриванию.
По общему характеру рельефа территорию обычно делят на три района: западный - от водораздела между рр.Илим и Лена до Байкальского хребта, центральный - до р.Олекмы и восточный - до р.Амур у2 9-ї J Западный участок представляет собой плато образную поверхность, нарушенную глубоко врезанными речными долинами. Почти горизонтальное залегание осадочных горных пород обусловило плоский характер водоразделов: отдельные куполовидные сопки, как бы насаженные на поверхность плато, являются останцами разрушения крепких изверженных пород-траппов. Центральный участок отличается сильно расчлененным рельефом, здесь сосредоточены высочайшие горные хребты Сибири с острыми зубчатыми гребнями и резко выступающими вершинами. Хребты разделяются глубокими впадинами, из которых Байкальская, заполненная водой озера, является наиболее грандиозной как по площади, так и по глубине. Реки, протекающие в пределах впадин, в отличие от горного характера составляющих их притоков, приобретают спокойное течение и имеют хорошо разработанные широкие долины. Восточный участок в целом также имеет горный характер, здесь еще встречаются высокогорные формы рельефа, приуроченные к водораздельным частям хребтов. Склоны же, благодаря преобладанию в их геологическом строении относительно мягких пород-песчаников и сланцев, имеют более плавные очертания и к подошве часто выполаживаются. Существенным элементом ландшафта является со-почнс-холмистый рельеф. В табл.2.1 представлены крупные геоморфологические зоны, которые частично или полностью попадают в пределы изучаемой территории.
Начало и конец зимнего периода.Продолжительность межени
До настоящего времени в гидрологии не существует единого критерия, с помощью которого производится деление гидрологического года на сезоны. Имеется два направления в определении сезонов: выделение их в аспекте внутригодового распределения стока и выделение сезонов на строго генетической основе с учетом типа питания водотоков, их режима и климатических условий. К первому можно отнести работы Д.Л.Соколовского 82 J , Б.Д. Зайкова 21} _/ В.Г.Андреянова Е ,& J М.И.Львовича чЗ _/» ко второму - исследования Б.П.Панова $% J\ П.С.Кузина 3 J, А.М.Владимирова/ 1 12, 7 J% А.М.Комлева 3 i J и др. Не останавливаясь на принципах выделения зимнего сезона; используемых в работах при анализе внутригодового распределения стока, отметим отдельные моменты второго направления.
В одних случаях начало и конец зимнего периода определяются по метеорологическим признакам (дате перехода температуры воздуха через 0, -5, -10 С), в других - они связываются с различными фазами ледового режима; за начало принимается появление на реке устойчивых ледяных образований, а за конец - дата вскрытия реки. Большинство исследователей выделение зимней межени, помимо указанных характеристик, производит еще и с учетом особенностей гидрологического режима. Последний путь нам представляется наиболее правильным, поскольку при его использовании выделяется генетически однородная фаза гидрологического режима - подземный сток в реки, что позволяет переходить к обоснованному пространственному обобщению и более глубокому пониманию физических процессов гидрологических явлений.
Первоначально в зоне БАМ за момент установления зимнего сезона была принята дата устойчивого появления ледовых явлений осенью, как правило совпадающая с переходом температуры воздуха через О С, а за конец - дата резкого увеличения стока весной. Однако в дальнейшем установлено, что в связи со своеобразием как осенних, так и весенних климатических условий, начало, а в некоторых случаях и даты конца зимней межени, следует изменить. Оказалось, что на значительном числе рек период ледовых явлений в самом начале зимы длится иногда 20 и более суток в связи с возвратом тепла и прохождением кратковременных интенсивных дождевых паводков, объем которых в это время может многократно превышать сток, проходящий в последующий за ледовым период. Из табл.3.1 видно, что на реке Якокит у п.Якокит сток воды, подсчитанный в период от начала ледовых явлений до установления ледостава, почти в 6 раз превышает сток за остальной период межени. Даже в пределах однородных районов среднее увеличение стока сильно варьирует, особенно в Ш-ем (от 0,35 до 1,12) и 1У-ом (от 0,71 до 2,22) районах, что вызывает -искусственное завышение его пространственной изменчивости, а включение дождевых паводков - снижает генетическую однородность. Поэтому в дальнейшем за начало зимней межени принята дата установления на реке ледостава.
Выбор расчетного периода и определение зимнего стока при наличии данных наблюдений
Известно, что среднемноголетнее значение гидрологической характеристики (или ее норма) определяется за достаточно длительный период наблюдений, включающий в себя наиболее маловодные и многоводные циклы. По состоянию на 1979 г. в пределах рассматриваемой территории имеется 21 пункт с продолжительностью наблюдений более 30 лет, причем лишь 8 из них расположены на небольших реках, площадь водосбора которых меньше 10000 км . В пунктах с наиболее длительными рядами наблюдений с помощью метода разностных интегральных кривых установлено, что в многолетних колебаниях зимнего стока существует определенная синфазность, позволяющая выбрать единый репрезентативный период для получения нормы стока (рис. НА ). Если расчет зимнего стока осуществлять по периоду наблюдений, начинающемуся с конца 50-х по 1979 годы (примерно за 20 лет), то средний модульный коэффициент оказывается близким к единице". Подсчет средних расходов по скользящим 10, 15, 20-леткам за эти годы показал, что отклонения их от среднего значения за весь период не превышают 10 %. Наибольшее количество постов в зоне БАМ открыто в 50-х годах, период их наблюдений в подавляющем числе случаев, не менее 10 лет, поэтому можно считать, что средние значения стока, полученные по этим наблюдениям будут близки к норме стока. Как показывает практика, длительная и трудоемкая работа по приведению коротких рядов зимнего стока к многолетнему периоду обычно дает незначительное уточнение, т.к. получаемое изменение нормы зимнего стока выходит за пределы совокупной ошибки наблюдения (± 15 %) и вычисления среднего расхода воды за зимний период {± 10 %). Так, для 254 гидростворов Западной Сибири изменение нормы стока после приведения не превысило ± 10 % и редко выходило за пределы 20-30 %. Для 14 гидрологических пунктов 1-го района зоны БАМ (табл. 4.1) с различным периодом наблюдений сделано приведение к многолетнему (47-члетнему) периоду. Приведение осуществлялось аналитическим методом множественной линейной регрессии при одновременном использовании нескольких аналогов с поэтапным решением задачи 70_/. Расчет; выполнен на ЭВМ Минск-32 по программе, приложенной к 78_/. Из табл.4.1 видно, что значения расходов, определенные по натурному и восстановленному рядам наблюдений, мало отличаются друг от друга (j. 10 %) и лишь на р.Карапчанке ( f = 597 юкГ) сток увеличился на 67 % при незначительном удлинении ряда (с 6 до 20 лет). Столь существенное изменение произошло из-за слабой корреляции между значениями стока пункта с коротким периодом наблюдений с выбранным аналогом, которая вызывает сомнения в правильности выполненного приведения. В целом тот же вывод о незначительном эффекте приведения можно сделать анализируя коэффициенты вариации. Лишь коэффициенты асимметрии весьма сильно отличаются от значений, вычисленных по периоду наблюдений, однако учитывая, что период в 47 лет также не являются достаточным для расчета Ьь , его большое изменение не может повлиять на вывод о слабой эффективности удлинения рядов зимнего стока и о возможности расчета нормы по короткому периоду продолжительностью не менее 10 лет.
Методика расчета потерь стока на ледообразование
Задача по оценке влияния процессов ледообразования на зимний сток решается путем сопоставления объемов воды, расходующейся на образование ледяного покрова в речном бассейне, и зимнего речного стока в замыкающем створе. Наиболее сложным в ней является определение потерь стока на ледообразование. Преимущества и недостатки используемых методов расчета этой гидрологической характеристики детально рассмотрены в работе %0_/. Здесь же только отметим, что эти методы можно условно разделить на две группы: "косвенные" и "прямые".
Методы первой группы основаны на том очевидном факте, что если в речном бассейне какая-то часть зимнего стока тратится на образование ледяного покрова, то в замыкающем створе расходы воды уменьшены на соответствующую величину. Поэтому расчеты потерь стока этими методами производятся путем вычисления разности между восстановленным гидрографом зимнего речного стока (если бы ледяной покров на реках бассейна не образовался) и фактическим гидрографом. Основная трудность состоит в обосновании и выборе уравнения, апроксимирующего восстанавливаемый гидрограф. По существу от этого зависит и точность такого "косвенного" расчета потерь по данным о речном стоке. Для рек Сибирской платформы Б.М.Шенькман использовал экспоненциальное уравнение Буссинеска, правомерность которого он обосновал данными о зимнем режиме дебита опорных родников, приуроченных к основным водоносным горизонтам зоны дренирования / % J J Для рек юга Дальнего Востока гидрографы зимнего стока В.П.Пономарев рассчитывал путем экстраполяции хода предзимних расходов (кривой истощения) за 5-Ю дневные периоды на весь зимний сезон по гиперболическому уравнению Буссинеска-Майе с переменной (нелинейной) интенсивностью истощения/ 67, 68_/.
В "прямых" методах расчета потерь зимнего стока используются данные непосредственно о ледяном покрове рек по наблюдениям на сети гидрометеорологических станций и постов. В простейшем случае суммарный объем потерь можно ориентировочно определить по густоте речной сети, площади водосбора и средним значениям ширины и толщины льда в бассейне. Однако точная оценка двух последних характеристик представляется весьма затрудненной.
