4.2. Влияние климатических факторов на сток

Сток рек представляет собой сложный многофакторный природ­ный процесс, являющийся функцией физико-географических усло­вий бассейна и хозяйственной деятельности человека.

Факторы стока, т. е. элементы внешней физико-географиче­ской среды, определяющие величину и особенности формирования стока в данном бассейне, разделяют на климатические и факторы подстилающей поверхности.

Все факторы стока взаимосвязаны и взаимообусловлены, но степень их влияния на сток различна: одни факторы играют основ­ную роль в процессе формирования речного стока, другие — второ­степенную (рис. 4.1).

Основная роль в формировании гидрологических процессов при­надлежит климатическим компонентам физико-географического ландшафта бассейна: атмосферным осадкам, испарению, темпера-

91

туре и влажности воздуха, атмосферному давлению, скорости и на­правлению ветра. В соответствии с уравнением водного баланса наиболее важными метеорологическими элементами, определяющи­ми сток, являются осадки и испарение.

Атмосферные осадки представляют собой влагу, испарившуюся с поверхности Мирового океана и суши. Водяные пары вместе с

Рис. 4.1. Схема взаимодействия речного потока с основными физи­ко-географическими факторами (по М. И. Львовичу):

>- — важные воздействия, — > —

то же, второстепенные

восходящими токами воздуха, подъем которых происходит вследствие сильного нагрева зем­ной поверхности, прохождения циклонов и при встрече с горными массивами, поднимаются в верх­ние более холодные слои тропо­сферы. При понижении темпера­туры понижается предел насыще­ния воздуха водяными порами, поэтому здесь создаются условия для перехода водяных паров в во­ду (конденсация) и происходит выпадение осадков в виде дождя, снега или града. Водяные пары, выделяющиеся непосредственно из воздуха в приземном слое зем­ли, осаждаются на поверхности земли, растений, зданий в виде росы, инея и изморози.

С инженерной точки зрения при изучении осадков представля­ют интерес количество осадков х

и продолжительность их выпадения t_x. Среднее количество атмо­сферных осадков (мм), выпадающее в 1 мин, за отдельный дождь (снегопад) на водонепроницаемую горизонтальную поверхность на­зывают интенсивностью (i_x) выпадения осадков. По характеру вы­падения осадков различают ливневые, обложные и моросящие дожди.

Ливневые осадки выпадают в виде дождя, снега, града, крупы и мокрого снега. Они образуются при быстром подъеме воз­душных масс с водяными парами вверх и отличаются большой ин­тенсивностью (f^>0,3 мм/мин), сравнительно коротким сроком вы­падения и небольшой площадью распространения.

Ливневые осадки, обусловливающие дождевые паводки на ре­ках, играют важную роль в процессе формирования стока рек. Мак­симальные расходы дождевых паводков достигают больших значе­ний, а на малых реках могут превысить максимальные расходы от снеготаяния.

Для определения расчетных характеристик дождевых осадков используют методику, разработанную Г. А. Алексеевым, в основу которой положены статистические обобщения первичных данных

92

(записей самописцев дождя) наблюдений за осадками на всей тер­ритории СССР. Используя названную методику, в Государственном гидрологическом институте (ГГИ) составлены для всей территории СССР (с указанием границ применения по карте) 30 типовых кри­вых редукции слоя осадков, характеризующих для данного клима­тического района закономерность увеличения наибольшего слоя осадков Л* max с возрастанием интервала времени, и кривые сред­ней интенсивности дождя, выраженные в долях от суточных осад­ков.

Обложные осадки, выпадающие в виде дождя и снега, об­разуются при медленном подъеме теплых воздушных масс. Для них характерны невысокая интенсивность, длительный период выпаде­ния и большие площади распространения. Обложные осадки дают большой сток, но максимальные расходы от них меньше, чем от ливней, что объясняется их растянутостью во времени.

Моросящие осадки, состоящие из мелких частичек воды или снега, характеризуются очень медленным выпадением на зем­лю. Как правило, они весьма мало сказываются на стоке рек.

Распределение осадков по земной поверхности неравномерно, что связано со многими факторами, главнейшими из которых яв­ляются близость к океанам и морям, характер движения воздуш­ных масс, температура воздуха и подстилающей поверхности, рель­еф местности, наличие внутренних водоемов, растительного покро­ва и др.

Средний слой осадков для Земного шара за год составляет ИЗО мм. Разница в величине слоя осадков для различных районов Земного шара значительна; так, в некоторых районах Индии годо­вой слой осадков достигает 15 тыс. мм, тогда как в пустынных об­ластях Африки он не превышает 10 мм.

Величина осадков на территории нашей страны распределяется в соответствии с климатическими зонами (рис. 4.2). Средний годо­вой слой осадков для территории СССР равен 530 мм. Для большей части территории нашей страны характерно преобладание летних осадков над зимними, хотя соотношение между ними для разных районов может меняться в зависимости от гидрометеорологических условий. Зимним осадкам, выпадающим в виде снега, принадлежит заметная роль в гидрологических процессах как фактору, форми­рующему режим вод суши в климатических условиях нашей стра­ны. Основными характеристиками снежного покрова являются про­должительность его залегания, высота, плотность снега, запасы во­ды в снеге.

Пподолжительность залегания снежного покрова на территории СССР обусловлена климатическими условиями. Она изменяется от 3...4 дней в самых южных равнинных районах до 240...260 дней и более на Крайнем Севере. В целом отмечается закономерное умень­шение числа дней со снежным покровом с севера на юг, вызванное увеличением солнечной радиации, и с востока на запад, обуслов­ленное смягчением континентальное™ климата (рис. 4.3).

93

Рис 4 2 Среднее годовое количество осадков (мм)

Рис. 4.3. Среднее многолетнее значение числа дней со снегом

В горных районах образование снежного покрова и продолжи­тельность его залегания зависят от высоты над уровнем моря.

Высота снежного покрова в различных районах СССР изменя­ется в широких пределах (рис. 4.4): от 150. ..200 см (Авачинская сопка) до 10. ..15 см (Сев. Крым). В горных районах наибольшая мощность снежного покрова отмечается на южном склоне Большо­го Кавказа (2...3 м), а в отдельных пунктах вследствие ветрового наметания высота снега достигает 4 м и более.

Относительная плотность снега p_sn, r представляет собой отно­шение массы снега к массе воды в одинаковых объемах:

(4.5)

где m_sn — масса снега; m_w — масса воды. На практике обычно с помощью цилиндра высотой h_sn, с отбирается проба снега и после его таяния определяется высота слоя воды h_w, тогда p_sn,_r=fi_w/li_sn,c.

При отсутствии данных измерений для определения относитель­ной плотности снега можно пользоваться следующими значениями: для свежевыпавшего снега она приближенно равна 0,08... 0,14, для слежавшегося снега до таяния — 0,14...0,30, в начале таяния — 0,24...0,35, в конце таяния— 0,30...0,45.

При известных высоте снежного покрова и его плотности можно вычислить запасы воды в снеге V_w, sn, определяющие размер весен­него половодья и увлажнение почвогрунтов, по формуле

(4.6)

где h_sn — высота снежного покрова.

Изменение запасов воды в снеге практически повторяет измене­ние по территории высоты снежного покрова.

Количественные характеристики осадков могут быть представле­ны в виде месячных, годовых и среднемноголетних значений. Их получают непосредственно на метеорологических станциях в виде таблиц, составленных по данным наблюдений. Наиболее часто в гидрологических расчетах используют среднее количество осадков для бассейна (норма осадков), которое можно вычислить одним из следующих методов: средних арифметических, изогнет*, квад­ратов, среднего взвешивания.

Метод средних арифметических, наиболее простой и применяет­ся преимущественно для бассейнов равнинных рек при наличии од­нородного рельефа и сравнительно густой сети метеорологических станций. Норма осадков по бассейну реки получается в этом слу­чае делением суммы средних годовых осадков, зарегистрированных на всех метеостанциях бассейна, на число станций.

При использовании метода изогиет предварительно на карту бассейна наносят все метеорологические станции с указанием сред­него количества осадков за определенный период времени на каж-

* Изогиеты — линии равных количеств атмосферных осадков за определен­ный период времени (год, сезон, месяц, многолетний период),

96

40 60 80 100 120 140 160

Рис, 4.4. Средняя многолетняя высота снежного покрова за декаду с наибольшим его значением (см)

дои из них. По этим данным проводятся изогиеты. Площади бас­сейна, заключенные между соседними изогиетами, определяют пла­ниметрированием. Средний слой осадков х (мм) для всего бассей­на вычисляют как средневзвешенную величину:

(4.7)

где х\, xz,...,x_n— полусуммы количеств осадков для соседних изо­гнет; /ь /2, •••,/«— площади бассейна, заключенные между сосед­ними изогиетами.

Метод изогнет является наиболее точным, но может быть приме­нен только в условиях достаточно густой сети станций.

Для больших речных бассейнов и при относительно неравномер­ном распределении метеорологических станций применяют также сравнительно простой метод квадратов. Площадь всего бассейна разбивается на сеть равных квадратов. Среднее количество осад­ков для каждого квадрата вычисляют как среднее арифметическое из слоев осадков на всех станциях, попавших в квадрат, либо ин­терполируется между смежными квадратами, если в квадрат не по­пала ни одна станция. Осадки по квадратам суммируются, и сум­ма делится на число квадратов.

Способ среднего взвешивания применяют в том случае, когда невозможно провести изогиеты при небольшом количестве метео­станций. Тогда на карту бассейна наносят все имеющиеся пункты наблюдений данного бассейна и соседних бассейнов. Соединением их прямыми линиями получают сеть треугольников. Из середины каждой стороны треугольника восстанавливают перпендикуляры, которые, пересекаясь в одной точке внутри треугольников, опреде­ляют границы участка, прилегающего к каждой станции. Размеры площадей участков определяют планиметрированием. Среднее ко­личество осадков (мм) вычисляют по формуле

(4.8)

где x'i, х^г2,...,х'_п — осадки в пунктах наблюдений; f'i, \'i,...,]'_п — площади участков бассейна, тяготеющих к каждой станции.

Испарение с поверхности речного бассейна включает в себя ис­парение с поверхности водоемов, находящихся на его территории, с поверхности снежного покрова и льда и испарение с почвы, вклю­чая транспирацию растений. Испарение представляет собой процесс перехода воды из жидкой или твердой фазы в газообразное состоя­ние (пар); обратный процесс называют конденсацией. Движение мо-

98

лекул в воде происходит в различных направлениях с разными ско­ростями, которые определяются температурой воды. Молекулы во­ды, обладающие большей, чем средняя, кинетической энергией, прорываются через поверхность воды и поступают в атмосферу. Чем выше температура воды, тем больше число молекул, уходящих в атмосферу, при этом средняя кинетическая энергия молекул во­ды уменьшается, что влечет за собой снижение температуры воды. Одновременно с отрывом молекул от водной поверхности происхо­дит и обратное поступление молекул воды из атмосферы в воду. Если количество молекул, уходящих в атмосферу, больше количе­ства молекул воды, поступающих из атмосферы, то происходит ис­парение. В случае обратного соотношения происходит конденсация. При конденсации водяных паров молекулы его взаимно притягива­ются, вследствие чего возрастают кинетическая энергия молекул и скорость их движения, что ведет к нагреванию жидкости.

Испарение с водной поверхности определяется ря­дом факторов: разностью упругости водяного пара, насыщающего пространство при температуре поверхности воды, и упругостью во­дяного пара, фактически находящегося в воздухе, скоростью ветра, температурой воды и воздуха.

Наблюдения над испарением с водной поверхности проводятся с помощью специальных приборов (испарителей и испарительных бассейнов) на водоиспарительных станциях. Получаемые по ним данные показывают зависимость испарения от размера испаряющей поверхности. В качестве эталона в СССР принят испарительный бассейн площадью 20 м² и глубиной 2 м; при таких параметрах, по данным наблюдений Валдайского филиала ГГИ, конструктивные особенности испарителей не оказывают заметного влияния на их показания. При использовании испарителей с другими площадями испаряющей поверхности их показания приводят к эталону введе­нием переходных (редукционных) коэффициентов.

При расчетах испарения все водоемы делят на три группы: ма­лые с площадью до 5 км², средние с площадью 5...40 км² и боль­шие с площадью более 40 км².

Показатели испарительного бассейна площадью 20 м² соответ­ствуют испарению с малых водохранилищ и прудов, для водоемов больших размеров испарение увеличивается на 15...20%. Редкая сеть водоиспарительных станций не позволяет пользоваться данны­ми непосредственных измерений. В то же время при расчетах вод­ного баланса различных водных объектов и территорий, водохозяй­ственных расчетах при создании водохранилищ необходимо знать среднее значение испарения за многолетний период (норму) и его внутригодовое распределение. В практике инженерных расчетов для этой цели используют карту изолиний среднемноголетнего испаре­ния с водной поверхности и схему районирования СССР на зоны внутригодового хода испарения, составленную ГГИ (рис. 4.5). В со­ответствии с внутригодовым ходом испарения с поверхности малых водоемов территория СССР делится на 8 зон, для которых подсчи-

⁴* 99

Рис 45 Среднемноголетнее испарение с водной поверхности бассейна гпощадью 20 м² и схема районирования СССР на

зоны внутригодового хода испарения (см)

Таблица 4 1 Месячное испарение с поверхности малых водоемов ( % от суммы за безледоставный период)

	Месяц! i
Зона
	„	<N	CO	^с	1Л	<£>	t-	СО	СТ>	о	_	сч
	о	О	О	о	О	О	О	О	О	~*
I						(20)	(45)	(30)	(5)
11	—			—	7	28	33	23	9	—	—	—
III	—			—	16	25	21	20	14	4	—	—
IV	—			3	16	22	21	19	12	6	1	—
V	—			6	14	20	21	19	12	6	2	—
VI	—		3	6	13	17	20	19	13	7	2	—
VII	—	1	4	7	13	16	19	17	12	7	3	1
VIII	2	3	4	7	12	15	16	16	12	7	4	2

тано месячное испарение в процентах от суммы за безледоставный период (табл 4 1)

При отсутствии данных наблюдений испарение со средних и больших водоемов вычисляют также по эмпирическим формулам

Испарение с поверхности снега и льда определя ется теми же факторами, что и с водной поверхности, но вследствие более низких температур поверхности испарение протекает менее интенсивно При этом скорость испарения со снежною покрова меньше скорости испарения с поверхности льда, что объясняется меньшей теплопроводностью снега Вследствие этого температура на поверхности снега оказывается ниже, чем на поверхности льда Интенсивность испарения с поверхности снега находится в прямой зависимости от плотности снежного покрова

Для определения среднемноголетних месячных или сезонных значений испарений с поверхности снега используют данные наб­людений по снеговым испарителям или эмпирические формулы

Испарение с поверхности снега и льда в сравнении с испарением с водной поверхности весьма незначительно для европейской части СССР его величина за четыре зимних месяца составляет 25 30 мм слоя воды

Испарение с поверхности почвы, лишенной расти тельности, кроме метеорологических факторов зависит от влажно­сти почвенного слоя, его структуры и механического состава Испа­рение с почвы измеряют с помощью почвенных испарителей раз­личных конструкций

Самая сложная форма испарения связана с жизнедеятельностью растений Поглощение влаги корневой системой растений, переме­щение ее по стеблям к листьям и испарение воды с поверхности листьев называют процессом транспирации Транспирация изменя­ется в течение суток и в продолжение вегетационного периода, что связано с солнечной радиацией, изменением метеорологических Факторов и увлажнением почвы

101

Величину транспирации определяют почвенными испарителями или с помощью специальных установок (для крупных растений).

Обычно величина испарения с поверхности речных бассейнов оп­ределяется суммарно, хотя в последнее время разрабатываются способы дифференцированной оценки испарения. Теория испарения и методы его определения рассматриваются в курсах физики и ме­теорологии. Изложенные в них методы определения среднего слоя испарения с больших площадей, в частности для речного бассейна, требуют большого объема информации о метеорологических и ак-тинометрических факторах по большому числу пунктов наблюде­ний. Такая информация чаще всего отсутствует. В инженерной гид­рологии при гидрологических и водохозяйственных расчетах, гидро­техническом и мелиоративном проектировании используют более грубые методы, основанные на зависимости испарения от главней­ших метеорологических факторов. Наиболее простым из них и вме­сте с тем наиболее точным является метод водного баланса. Сум­марное испарение находится как разница между осадками и стоком в уравнении водного баланса z=x—у.

По данным подобных расчетов в ГГИ получена карта изолиний годовых величин суммарного испарения на территории СССР. По­казания, снимаемые с этой карты, соответствуют испарению с боль­ших площадей порядка 6000...7000 км². Погрешность снимаемых значений при этом обычно не превышает 15% для большей части равнинной территории страны. В районах Крайнего Севера и гор­ного рельефа ошибка увеличивается до 20%, а для малоизученных районов указанных областей она достигает 40%.