Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Условия формирования речного стока 9
1.1. Рельеф и геологическое строение 9
1.2. Климат 13
1.3. Почвенно-растительный покров 20
1.4. Гидрография 24
1.5. Антропогенные факторы речного стока 32
ГЛАВА 2. Характеристика исходной гидрометео рологической информации и методика исследований 38
2.1. Гидрометеорологическая изученность территории 38
2.2. Принцип выбора и качество исходной информации 41
2.3. Методика исследований 47
ГЛАВА 3. Водный режим рек и водный баланс речных бассейнов 50
3.1. Водный режим 50
3.2. Структура водного баланса 61
ГЛАВА 4. Норма и многолетняя изменчивость годового стока рек 67
4.1. Норма годового стока и особенности ее территориального распределения 71
4.2. Многолетняя изменчивость годового стока 82
4.3. Водные ресурсы
ГЛАВА 5. Методы оценки годового стока неизученных рек 101
5.1. Рекомендации Государственного водного кадастра 101
5.2. Рекомендации нормативных изданий 105
5.3. Другие приемы косвенной оценки речного стока
5.4. Расчеты стока по контрольным водосборам 111
Заключение 118
Библиографический список использованной
Литературы
- Гидрография
- Принцип выбора и качество исходной информации
- Структура водного баланса
- Другие приемы косвенной оценки речного стока
Гидрография
Формирование речного стока происходит в зоне контакта двух природных сфер - атмосферы и литосферы. Каждая из этих сфер характеризуется многочисленными параметрами, изменяющимися как в пространстве, так и во времени (Комлев, 1992).
Основную роль в формировании речного стока выполняет климат, что впервые обосновал А.И. Воейков (1884). Климат Северо-Западного Кавказа формируется под воздействием комплекса физико-географических условий, из которых наиболее важны: интенсивность солнечной радиации, циркуляция атмосферы, подстилающая поверхность. Исследуемая территория располагается на границе двух климатических поясов - умеренного и субтропического (Бато-ва, 1966; Воейков, 1948). Местные особенности и разнообразие климата в большой степени определяются сложностью циркуляции атмосферы вблизи Черного и Азовского морей, а также высоких хребтов Кавказа (Покровская, 1979). Преобладающими воздушными массами являются массы континентального воздуха умеренных широт, повторяемость которых составляет 60-70% летом и 80% - зимой (Алисов, 1969). Рис. 1.3. Схема распространения карстовых областей (Ресурсы..., 1973) 1 - карстовые области; 2 - отдельные районы. Радиационный баланс, за исключением высокогорья, изменяется в среднем от 45 в предгорьях до 55 ккал/см -год на Приазовском побережье (Атлас..., 1996). Теплый период продолжается на большей части территории 9-Ю месяцев. Средняя температура июля изменяется от 12С в юго-восточной высокогорной части до 22-23,5С в Приазовской низменности (Коровин, Мельникова, 1990, 1991). Средняя температура января изменяется соответственно от -4 до -2С (Атлас..., 1996).
Климат на Азово-Кубанской равнине умеренно-континентальный, в горах более влажный и прохладный, в северной части Черноморского побережья -средиземноморский, переходящий к юго-востоку во влажный субтропический.
Хребты Северо-Западного Кавказа вносят ряд изменений в общие переносы воздушных масс, создают выраженную вертикальную зональность климата.
К основным климатическим факторам, влияющим на речной сток, относят: атмосферные осадки и испарение.
Атмосферные осадки являются важным стокообразующим фактором. Их годовая сумма и внутригодовое распределение определяются главным образом особенностями атмосферной циркуляции, удаленностью от акватории Черного и Азовского морей и характером подстилающей поверхности. В связи с этим в пространственном распределении средней годовой суммы осадков проявляются все основные закономерности: широтная зональность, вертикальная поясность, континентальность. Под воздействием этих факторов осадки уменьшаются в юго-восточном направлении. Это четко выражено в пределах равнины, а в горной части территории на этот фон накладывается вертикальная поясность, в соответствие с которой наблюдается рост суммы осадков по мере увеличения высоты местности (Богословский и др., 1974).
Однако высотная поясность в распределении атмосферных осадков в сложных условиях рельефа не всегда бывает достаточно выражена. В связи с уменьшением суммы осадков в юго-восточном направлении связь их с высотой неоднозначна, градиенты осадков снижаются в этом направлении. Особые условия увлажнения наблюдаются на юго-западных склонах Главного Кавказско 16 го хребта, обращенных к Черному морю (Ефремов и др., 2001). Здесь отмечаются наибольшие градиенты осадков.
О сложном характере распределения средней годовой суммы осадков в пределах Краснодарского края можно судить по схематической карте (рис. 1.4). К этому следует добавить, что в высокогорной зоне эта величина составляет 3200 мм и более (Атлас..., 1996).
Особенности увлажнения территории Северо-Западного Кавказа и условия ведения сельского хозяйства достаточно наглядно отражает схема агроклиматического районирования (рис. 1.5). Внутригодовое распределение осадков оказывает влияние на особенности водного режима. В разных районах Краснодарского края оно неодинаково. В S большей их части преобладают осадки теплого периода, наименьшее их число приходится на февраль-март. Иная картина на Черноморском побережье, где явно преобладают зимние преимущественно жидкие осадки (Темникова, 1959).
Важная роль в формировании годового стока рек принадлежит твердым осадкам, выпадающим в зимний сезон. На Азово-Кубанской равнине снежный покров появляется в первой-второй декаде декабря. На Черноморском побережье снежный покров формируется в конце декабря - начале января, но устойчивого снежного покрова не наблюдается. В приледниковой зоне, на вершинах гор, устойчивый снежный покров удерживается круглый год, образуя ледники и снежники. Снеговая линия в западных районах Кавказа начинается на высоте 2900 м. Распределение твердых осадков по территории также отличается большой неравномерностью (рис. 1.6). Несмотря на весьма малое количество снега, накапливающегося к концу зимы в пределах равнины, даже здесь талые воды рек являются основным источником пополнения их небольшого стока.
Коэффициенты стока жидких осадков из-за больших потерь их на испарение обычно невелики. Однако сильные ливни, когда осадков выпадает до 100 и более мм в сутки, а коэффициент их стока достигает 0,7-0,8, формируют на реках дождевые паводки, в отдельных случаях превышающие пики весеннего половодья (Ресурсы..., 1973).
Принцип выбора и качество исходной информации
Гидрологические исследования на Северо-Западном Кавказе начаты еще в дореволюционное время. В 1857 г. впервые упоминается о гидрологических наблюдениях в регионе. Первые эпизодические наблюдения за уровнем воды в р. Кубани (г. Екатеринодар) начаты в 1881 г., а регулярные наблюдения - с 1903 г. Стационарные наблюдения за стоком воды р. Кубани осуществляются с 1911 г. (Галкин и др., 1994). Однако интенсивное развитие сети стационарных гидрологических постов началось с 1920 г. После перерывов наблюдений в период Великой Отечественной войны количество гидрологических пунктов вновь интенсивно увеличивалось, в связи с потребностями развивающегося народного хозяйства. К 1955 г. их число превысило предвоенный уровень и составило более 100, а к 80-м годам - увеличилось до 170.
Гидрологические станции и посты по территории региона размещены неравномерно. Большая их часть размещена на реках бассейна р. Кубани, где один пункт наблюдений приходится на 610 км . Свыше 60% постов функционируют 20 лет и более, а 40% - более 30 лет. Гидрометрические наблюдения проводятся в основном на реках, площади водосборов которых находятся в пределах 100-5000 км , а средняя высота их колеблется в пределах от 50 до 2800 м над уровнем моря.
Первые научные обобщения материалов наблюдений за стоком воды рек Кавказа нашли отражение в трудах Б.Д. Зайкова (1933), В.К. Давыдова и JI.A. Владимирова (1933), Г.А. Платунова и В.М. Сокольникова (1936). В них впервые была реализована идея Д.И. Кочерина о вертикальной зональности в распределении годового стока горных рек. В последующем анализ годового стока Кавказских рек выполнен в целом ряде других работ (Важнов, 1951, 1956, 1966; Валесян, 1955; Владимиров Л.А., 1946, 1960, 1970; Гвахария, 1957; Зайков,
1946; Давыдов Л.К., 1947; Голубев и др., 1967). Однако ни один из них не посвящен только Северо-Западному Кавказу.
Позднее наиболее полно свод данных о стоке рек исследуемой территории был выполнен Кавказским управлением гидрометеорологической службы и Государственным гидрологическим институтом при подготовке второй серии изданий Государственного водного кадастра: справочники по водным ресурсам (Ресурсы..., 1966, 1969, 1973, 1974, 1975, 1978), а также издания «Ресурсы поверхностных вод. Основные гидрологические характеристики» (1966, 1975, 1978, 1980).
В последующие годы отдельные аспекты закономерностей формирования речного стока и оценки ресурсов поверхностных вод Северо-Западного Кавказа нашли отражение в работах Г.А. Галкина (1989), Ю.М. Гаргопы (1973), В.И. Коровина (1966, 1978, 1979, 1981, 1992), В.И. Коровина и Т.Н. Мельниковой (1990, 1992, 1994); Ю.Я. Нагалевского (1981, 1989), В.Д. Панова (1968, 1993), А.В. Погорелова (1999), И.Н. Сафронова (1967), А.И. Симонова (1958) и др. Для географического атласа «Краснодарский край. Республика Адыгея» (1996) В.И. Коровиным и Ю.Я. Нагалевским составлены гидрологическая карта Северо-Западного Кавказа и гидрографическая карта бассейна р. Кубань. Эти работы явились некоторым продолжением и развитием, применительно к конкретным природным условиям, фундаментальных работ БА. Аполлова (1963), А.Н. Важнова (1966, 1976), К.П. Воскресенского (1962), В.Г. Глушкова (1933), И.Ф. Горошкова (1979), Л.К. Давыдова (1947), В.М. Котлякова (1968), Т.Н. Кочукова (1955), П.С. Кузина (1953,1960, 1979), М.И. Львовича (1963, 1969, 1974), С.Д. Муравейского (1960), АА. Соколова (1964), Д.Л. Соколовского (1968), А.И. Субботина (1966, 1970), И.А. Шикломанова (1979, 1989) и др.
Несмотря на наличие довольно обширной литературы, гидрологическая изученность территории Северо-Западного Кавказа (Коровин, Мельникова, 1989) еще недостаточна: - недостаточно изучено влияние природных и антропогенных факторов на формирование речного стока; - отсутствует детальное обобщение о норме и многолетней изменчивости годового стока рек в пределах исследуемой территории. Имеющиеся по этому региону материалы разрознены обычно по отдельным бассейнам.
Стационарные метеорологические наблюдения на территории Краснодарского края были начаты в 1920 г. В 1980-х годах в крае функционировало около 100 метеорологический станций и постов. Размещены они по территории относительно равномерно, освещая наблюдениями все природные зоны и пояса, за исключением высокогорной. Самая высоко расположенная метеостанция Ачишхо находится на отметке 1880 м.
Результаты метеорологических наблюдений, обобщенные Кавказским управлением гидрометеорологической службы нашли отражение в вып. 13 Справочника по климату (1968), а также в последующих изданиях, включая Метеорологические ежемесячники.
Результаты научных исследований климата исследуемой территории можно разделить на три группы: - работы, выполненные непосредственно по территории Краснодарского края. Это Агроклиматические ресурсы (1975), ГА. Галкин (1989), Н.А. Коростылев (1933), ПА. Левандовский (1955), Природа Краснодарского края (1979) и др.; - работы, охватывающие территорию всего Северного Кавказа: Л.Я. Апостолов (1931), НА. Гвоздецкий (1963), Кавказ (1966), СИ. Смирнова (1976), Н.С. Тем-никова (1959, 1964), В.М. Чупахин (1974) и др.; - работы более широкого плана, касающиеся исследуемой территории или имеющие методическое значение: Б.П. Алисов (1969), М.И. Будыко (1947, 1971, 1974), АИ. Воейков (1948), О.В. Дроздов (1963), Н.Н. Иванов (1948), СВ. Ка лесник (1970), К.В. Леднева и А.В. Мещерская (1977), В.И. Коровин, Ю.Я. На галевский (1978, 1986, 1989), Ю.Я. Нагалевский (1981), А.В. Погорелов (1999), Ц.А.Швер(1976)идр.
Структура водного баланса
Следует отметить, что данные по стоку семи рек из отмеченных в (Ресурсы..., 1973) одиннадцати, как аномальные, вполне соответствуют вновь полученным зависимостям. В то же время сток с восьми других малых водосборов также признан аномальным, а, вернее, - азональным. Это пять рек высокогорной зоны (№№ 19, 23, 26, 27, 44) в верховьях р. Кубани на территории Ставропольского края и три малых левых притока Нижней Кубани (№№ 66, 68, 77).
Причины отклонения данных по указанным рекам от общих линий связи могут быть разными. Этот вопрос требует специальных исследований. Возможно несовпадение поверхностных и подземных водоразделов, вследствие чего сток рек Худее и Джемагат (№№ 23, 27) оказывается ниже зонального, а рек Учкулан и Уллу-Мурджу (№№ 19, 26) - выше зонального. На малых водосборах высокогорья не исключено и неполное дренирование грунтовых вод в первом случае. Могут быть также различными условия увлажнения всех четырех бассейнов, поскольку в глубоко расчлененном рельефе здесь очень сложный ветровой режим (Природные условия..., 1986). Заметных отклонений данных, относящихся к закарстованным территориям (рис. 1.3), не выявлено. В нижней высотной зоне возможно, кроме того, и влияние антропогенных факторов, которое привело к значительному снижению стока рек Чибий, Супе, Иль и Гечеп-син (№№ 66, 68, 72, 77; площади водосбора 35-160 км2, их средняя высота 130-180 м). Нельзя исключать также возможных погрешностей в определении площади и средней высоты водосборов, особенно малых в высокогорной зоне.
Таким образом, полученные четыре зависимости иллюстрируются данными по 70 пунктам наблюдений. Каждая из них относится к определенному участку территории - району (рис. 4.7). Рассмотрим подробнее эти зависимости.
Район 1 охватывает верховья бассейна Кубани к востоку от р. Лабы и включает, кроме территории Краснодарского края и Ставропольский край восточнее р. Большой Зеленчук (рис. 4.2). Связь, основанная на данных по 15 водосборам, представлена на рис. 4.4. В число этих водосборов вошли и два с площадью менее 500 км (№№ 20, 29), но заметных отклонений их стока от
Схема районирования территории по связи среднего годового стока рек (Y, мм) со средней высотой их водосборов (Нср, м). Номера районов соответствуют рис. 4.4 - 4.6 общей линии связи не намечается. Связь отражает закономерность Y = flHcp) в пределах высот 600-2700 м. Проэкстраполирована до отметок 200 м внизу и 3000 м - в верхней части.
Район 2 включает р. Лабу и левобережную часть ее бассейна, а также бассейн р. Белой за исключением ее левого притока - р. Пшехи. К нему также относятся верховья рек Малый Зеленчук, Уруп и Большая Лаба в пределах Ставропольского края. Связь 7=ДЯср.) включает данные по 26 водосборам, три из которых площадью 200-500, два - 101-200 и два размером менее 100 км . Больших отклонений их от общего поля точек не наблюдается за исключением реки Дах (№ 56, площадь водосбора 402 км ) в сторону снижения стока (рис. 4.4). Не соответствуют выявленной связи данные о стоке самой верхней, более увлажненной, части бассейна р. Белой. Она отнесена к району 3. Связь по району 2 выявлена в пределах высот 300-2600 м. Проэкстраполирована соответственно до 200 и 3000 м.
Самый крупный район 3 занимает западную часть исследуемой территории и включает предгорную и низкогорную части левобережья бассейна Кубани, а также юго-западные склоны невысокого здесь Главного Кавказского хребта до р. Туапсе. Наименее освещена наблюдениями здесь западная часть района, где данные по ряду малых рек (№№ 77-80) отклонились влево от линии связи, однако данных для выделения здесь особого района пока недостаточно. В юго-восточной части в этот район вошли верховья р. Белой, а также бассейн р. Мзымта (рис. 4.7). В отличие от связей по районам 1 и 2, в данном случае связь, также как и далее по району 4, получилась прямолинейной. Пределы высот, которым соответствует эта связь, составляют 100-2000 м.
Район 4 по соответствующей связи (рис. 4.5) выделен в пределах высот 400-1000 м Черноморского побережья. Полученная связь по данным 10 водосборов (№№ 81-90), которые все относятся к категории малых, отражает в этих пределах условия формирования годового стока, за исключением бассейна р. Мзымта, расположенного на крайнем юге (№№ 91-94), отличающегося особыми условиями рельефа и поэтому меньшим увлажнением. Несмотря на малые размеры водосборов (15-420 км ) по всем из них выявилась достаточно четкая и прямолинейная связь Г=ДЯср.), которая проэкстраполирована до 200 м вниз и 1500 м - в верхней части.
Как видно из рис. 4.4 и 4.5, полученные связи вида Y =ДЯСр), несмотря на их достаточно ясную приуроченность к определенным участкам территории, отличаются значительным разбросом точек. При отклонениях от центральной линии связи большинства точек в пределах 10-15%, данные по отдельным рекам, особенно в верховьях бассейна Кубани, отклоняются на 20-30%, а иногда и более (р. Невинка в районе 1 и р. Туапсе в районе 3). В районе 4 по всем рекам отклонения не превышают 12%.
Анализ сводного графика связи нормы годового стока рек со средней высотой их водосборов (рис. 4.6), а также составленной на его основе табл. 4.2, позволяет сделать вывод о том, что в пределах Северо-Западного Кавказа наблюдается не только очень большое различие в стоке рек, расположенных в одной высотной зоне, но значительно различаются и градиенты увеличения этого стока с высотой.
Другие приемы косвенной оценки речного стока
В последнее время A.M. Комлевым для косвенной оценки нормы и многолетней изменчивости речного стока предложено использовать в эмпирических связях не относительные, а абсолютные значения этих характеристик. Показано, что зависимости вида q = QIF =J{F) яСу = dq =J[q\ где т- среднеквад-ратическое отклонение, математически не совсем корректны и снижают действительный характер связи характеристик стока с его факторами (Комлев, 1989, 1991, 1992, 1997; Комлев, Имайкина, 1993; Комлев, Переладова, 1998 и др.). Для ряда речных бассейнов авторами получены достаточно тесные и более простые зависимости типа Q =J[F) и cr=f(q). При этом подчеркивается, что эти зависимости отражают особенности формирования стока в относительно одно Ill родных по природным условиям районах. Тесная связь Q = j{F) может быть только при близких в пределах района значениях модулях стока, а связь а fig)- при близких значениях коэффициента вариации.
Попытки автора получить подобные зависимости для территории Северо-Западного Кавказа, в связи с большим разнообразием здесь природных условий, не дали поэтому положительных результатов. По равнинным районам северной части территории, где эти связи могут быть достаточно тесными, очень мало данных и они не отличаются точностью. Не выявилась связь расходов воды рек с площадью их водосборов и в предгорной части левобережья Нижней Кубани, где достаточное число исследуемых рек, но они отличаются высотами водосборов и, как следствие, разными значениями модуля годового стока. Аналогичный результат получен и при исследовании связи вида J=J{q), і для чего по всем рекам были вычислены значения а (Приложение 5). Как видно , из рис. 5.4, эта связь отличается большим рассеиванием точек. Не четко выяв- ( ляются при этом группы этих точек и по ранее выделенным гидрологическим районам.
Таким образом, для косвенной оценки нормы годового стока и коэффициентов его вариации наиболее предпочтительными остаются традиционные эмпирические связи этих параметров со средней высотой речных бассейнов. На примере ранее выбранных четырех контрольных водосборов рассмотрим результаты расчета по этим зависимостям, как ранее предложенным (Ресурсы..., 1973, 1974; Пособие..., 1984), так и полученным автором в результате данных исследований.
В разделе 4.1 приведены сведения о четырех выбранных для контрольных расчетов водосборах. Это р. Кубань - с. им. К. Хетагурова, р. Белая - х. Кирпичный, р. Пшеха - г. Апшеронск и р. Сочи - с. Навагинское. По каждому из них выполнены расчеты нормы годового стока, коэффициента его вариации, а также годового стока 95% обеспеченности.
Вначале вычисление произведено по рекомендациям ГВК (Ресурсы..., 1973, 1974) с использованием таблицы координат зависимостей нормы стока от средней высоты водосбора (табл. 5.1) для вычисления нормы стока и графика связи Су =X#cp.)5 приведенного на рис. 4.9, - для оценки коэффициентов вариации.
Следующим этапом явилась оценка этих же параметров по рекомендациям нормативов (СНиП, 1985; Пособие..., 1984; Атлас..., 1986). Норма годового стока определена по координатам зависимостей этого стока от высоты водосбора, графически представленных на рис. 5.2. Сложнее оказалось вычислить коэффициенты вариации, так как параметр «а» формулы 5.1 рекомендуется оценивать по рекам-аналогам. С этой целью для каждого контрольного водосбора было выбрано по два водосбора-аналога, продолжительность наблюдений по которым составляла 24-42 года. Сведения по этим водосборам приведены в табл. 5.4. По каждому расчетному водосбору для вычисления коэффициента вариации принято среднее значение параметра а, вычисленное по двум соответствующим водосборам-аналогам.
Далее вычисление значений нормы годового стока и коэффициентов его вариации произведено по зависимостям, полученным автором. Норма годового стока, выраженная в мм, оценена по районным зависимостям ее от средней высоты водосбора (рис. 4.4 и 4.5). Для сравнения результа-тов расчета полученные значения выражены затем в модулях стока, л/(с-км ).
Вычисление коэффициентов вариации выполнено по графикам, отражающим его зависимость как от нормы годового стока (рис. 4.12), так и от средней высоты водосбора (рис. 4.13). Для р. Белой значение Су оценено также по связи с коэффициентом оледенения (рис. 4.19). Наилучшие результаты определения коэффициентов вариации получены по зависимости Су = ХЯер.), которые и использованы для оценки стока 95%-ной обеспеченности. Последний во всех случаях, согласно рекомендациям (Пособие..., 1984; Атлас..., 1986) принят по соотношению Cs = 2Су
