Министерство образования и науки Республики Казахстан Евразийский национальный университет имени л.Н.Гумилева

Факультет естественных наук

Кафедра физической и экономической географии

Ш.И. Маштаева

Методические указания к выполнению практических заданий

по дисциплине

«Гидрологические прогнозы»

Астана

2017

ПРОГНОЗЫ ВЕСЕННЕГО СТОКА

Общие сведения

В данной работе рассматривается модель талого стока (МТС), предназначенная для моделирования и прогнозирования суточного стока в горных бассейнах, где снеготаяния является главным фактором стока. Эта модель было разработана Мартинеком для малых европейских бассейнов. Благодаря прогрессу спутникового дистанционного зондирования снежного покрова МТС стала применяться для все более крупных бассейнов.

МТС может применяться в горных бассейнах различных размеров (от 0,76 до 120 000 км²) и различных высотных зон. Модель работает с известной или оцененной величиной расхода и может работать для неограниченного количества дней в зависимости от ввода значений температуры, осадков и площади заснежности.

МТС может использоваться для следующих целей:

1. Моделирование суточного стока в сезон снеготаяния, в году, или в ряде лет. Результаты могут сравниваться с измеренным стоком, чтобы оценить работу модели и проверить значения параметров модели. Моделирование может также служить для оценки структуры стока в не измеряемых бассейнах и при гипотетическом изменении климата.

2. Краткосрочный и сезонный прогноз стока. Микрокомпьютерная программа включает образование модернизированных кривых спада, которые являются отношением заснежных территорий и кумулятивных глубин снеготаяния при подсчете МТС. Эти кривые дают возможность экстраполировать значения площади заснежности вручную пользователем на несколько дней вперед по прогнозам температуры, так чтобы этот ввод значений имелся для прогноза стока. Модернизированные кривые спада могут также использоваться, чтобы оценить снежные ресурсы для прогноза сезонного стока. Работа модели может ухудшиться, если спрогнозированная температура воздуха и осадки отличаются от реальных величин, но ошибки могут быть уменьшены периодической модернизацией.

Долгосрочные прогнозы элементов весеннего половодья. Предвычисление расходов воды в период весеннего половодья осуществляется на основе генетической формулы стока

(1)

Приток воды в русловую сеть в течение весеннего половодья приближенно выражается равенством

(2)

где h_i - интенсивность снеготаяния,

S_i - степень покрытия бассейна снегом,

к - коэффициент перехода от интенсивностей таяния к водоотдаче снежного покрова,

X_i - слой жидких осадков за расчетный интервал времени,

X_iS_i - количество жидких осадков, выпавших на тающий снежный покров, отнесенное ко всей площади бассейна,

Р_i - потери талых вод,

W_i - изменение запасов воды на поверхности бассейна,

x,i(l-S_i) - приток дождевых вод с части бассейна, освободившейся от снега,

р _di - потери дождевых вод.

В практических расчетах приток талых вод в речную сеть, как правило, определяется по упрощенной формуле

где п - коэффициент стока за половодье данного года.

Первый член этого балансового выражения представляет собой интенсивность водообразования. Если время склонового добегания существенно меньше расчетного интервала времени, то приближенно можно считать приток в русло равным водообразованию, т. е. полагать h W = 0.

Зная приток воды в русловую сеть и кривую добегания воды, можно рассчитать гидрограф стока в замыкающем створе .

Максимальный расход может быть определен также путем построения эмпирических зависимостей вида.

или

где h_i - наибольшая для данного года величина интенсивности снеготаяния за период, равный максимальному времени добегания воды.

Основой долгосрочных прогнозов объема стока за половодье является уравнение водного баланса

где - поверхностный сток за период половодья, образованный талыми водами и осадками, выпадающими на тающий снег,

- поверхностный сток за период половодья от дождей, поступающих на участки бассейна, освободившиеся от снега,

х _с - запасы воды в снежном покрове и ледяной корке перед началом снеготаяния,

х ₁ - осадки, выпавшие на поверхность снежного покрова за время таяния,

х ₂ - осадки, выпавшие на поверхность почвы, освободившуюся от снега, z - разность испарения и конденсации атмосферной влаги на снежном покрове,

- инфильтрация талых вод и осадков, выпавших на снег,

-инфильтрация осадков, выпавших на освободившуюся от снега почву,

р ₃ - поверхностное задержание.

Из-за трудности непосредственного определения таких компонентов уравнения (6) как , и т. п. на практике применяют различные индексы этих величин, сводя решение уравнения (6.) к построению зависимости стока от основных его факторов - запасов воды в снежном покрове, осадков, льдистости и глубины промерзания почвы, а иногда и интенсивности снеготаяния.

Зависимость стока за половодье от суммы запасов воды в снеге и весенних осадков (х) может быть приближенно выражена уравнениями:

Таким образом, р ₀ представляет собой максимально возможный при данной водопоглощающей способности почвы слой потерь.

Для определения стока по вышеприведенным уравнениям необходимо прежде всего предвычислить потери стока в период весеннего половодья.

В настоящее время потери весеннего стока оцениваются приближенно в зависимости от таких показателей (индексов) как льдистость почвы, глубина ее промерзания, а иногда и интенсивность снеготаяния.

В силу особенностей формирования половодья в разных физико-географических условиях решение задачи о прогнозе объема весеннего стока не может быть одинаковым для всех природных зон. Кроме зонального деления территории следует учитывать различную степень континентальности климата внутри каждой зоны, а также особенности строения рельефа и т. п. Ниже дается краткое описание приближенных способов решения задачи о прогнозе объема половодья в разных зонах.

Степная и лесостепная зоны

Весенний сток рек степной и лесостепной зон зависит от запаса воды в снежном покрове (х _с ), осадков за время таяния (x_i), льдистости почвы (и), глубины ее промерзания (L) и интенсивности таяния (h_i)

Осадки после схода снега в этой зоне в большинстве случаев не оказывают заметного влияния на сток. Относительно невелика и роль факторов поверхностного задержания, так как преобладает хорошее расчленение рельефа. Исключение составляют некоторые районы Западной Сибири и юга страны, где имеется большое число бессточных впадин («подов») при слабом развитии гидрографической сети. Глубина промерзания почвы сильно варьирует по площади. В годы со средней глубиной промерзания почвы на ровных полях L op 60 см на существенной части площади бассейна величины L не превышают 15-20 см, т. е. почва оказывается слабо промерзшей. Такие участки бассейна обладают повышенной инфильтрационной способностью, зачастую превышающей интенсивность таяния. Поэтому при L c p < 6 0 см можно ожидать снижения величины весеннего стока при прочих равных условиях.

Для рек степной и лесостепной зон сток за половодье можно в общем виде выразить уравнением

у = х — Р_{гл. пр -}— р_{сл. пр} (10)

или приближенно

(11)

здесь х - запас воды в снежном покрове перед началом таяния, сложенный с осадками вовремя снеготаяния,

р_{гл пр} - потери воды на части площади с глубоким промерзанием почвы (более 20 см),

р_{сл. пр -} потери воды на части площади со слабым промерзанием (менее 20 см),

х' и х" - соответственно значения х для участков с глубоко промерзшей и слабо промерзшей почвой,

f _{сл. пр} - площадь с глубиной промерзания менее 20 см, в долях площади бассейна, (1—f c л. п р ) - площадь с глубиной промерзания почвы более 20 см, в долях площади бассейна,

n - коэффициент стока для участков со слабо промерзшей почвой; опытные данные позволяют в первом приближении принимать его равным 0,1,

р_о - параметр потерь талого стока для глубоко промерзшей почвы.

Таким образом, задача прогноза стока степной и лесостепной зон сводится к определению:

а) снегозапасов и их распределения по площади бассейна;

б) распределения глубины промерзания в бассейне и размеров площадей со слабым и глубоким промерзанием;

в) потерь талого стока на площади, характеризующейся глубоким промерзанием почвы;

г) потерь талого стока на площади, характеризующейся слабым промерзанием почвы.

По степени континентальное™ климата в рассматриваемых зонах целесообразно выделить отдельные районы, например, часть территории этих зон на Восточно-Европейской равнине, в Казахстане и др. Отличительной способностью формирования весеннего стока рек Казахстана является:

а) большая глубина промерзания почвы,

б) пологие формы рельефа, обусловливающие весьма большое поверхностное задержание,

в) наличие значительных бессточных площадей, не участвующих в формировании стока, как иллюстрирует график (рис. 1), построенный по бассейнам рек Казахстана.

В связи с повсеместно большой глубиной промерзания почвы в Казахстане и некоторых других восточных районах степной и полупустынной зон для прогноза слоя стока за половодье можно использовать простую зависимость

где х - запас воды в снежном покрове, сложенный с осадками за время таяния,

и - косвенная характеристика осеннего увлажнения почвы.

Действительно поверхностное задержание для определенного бассейна относительно стабильно, будучи связано лишь со степенью заполнения бессточных емкостей осенью.

Рис. 1. Зависимость относительной величины всегда бессточной площади от среднего уклона бассейна i

Лесная зона. Северная часть зоны характеризуется высокой увлажненностью и лесистостью от 70 до 100%. Потери талого стока определяются здесь дефицитом влажности верхнего слоя почвы перед началом таяния и величиной поверхностного задержания воды в бессточных углублениях, а также и в слое лесной подстилки и мха. Глубина промерзания почвы обычно не оказывает существенного влияния на величину потерь.

Таким образом, слой стока за период половодья определяется запасом воды в снежном покрове, сложенным с осадками за время таяния, и предзимним увлажнением почвы

В южной части зоны лесистость обычно составляет 20-60%.

Благодаря меньшей увлажненности колебания глубины промерзания отражаются на водопроницаемости почвы, особенно на открытых местах. Конечно, водопроницаемость почвы сильно зависит и от ее влажности перед началом зимы. Поэтому весенний сток рек южной части лесной зоны, подобно стоку рек степной зоны, зависит от глубины промерзания и влажности почвы. Наряду с этим при разработке методики прогноза целесообразно учитывать различие в условиях формирования весеннего стока в поле и в лесу. Для стока за период весеннего половодья можно записать

где х - запас воды в снежном покрове плюс осадки за время таяния,

р_о - потери талых вод в период таяния при глубоком промерзании и достаточном увлажнении почвы с осени,

р' - потери талых вод сверх величины р ₀ , вызванные недостаточным

увлажнением почвы,

у - относительная лесистость бассейна,

- относительная величина площади, на которой глубина промерзания почвы меньше 20 см,

х' - средняя величина запаса воды в снежном покрове на площади

n - коэффициент стока в условиях слабо промерзшей почвы.

Недостатком формулы (12) является то, что потери воды в лесу отождествляются с потерями воды на промерзших участках поля, а площадь слабого промерзания выделяется только для безлесных пространств. Между тем в лесу глубина промерзания почвы обычно меньше, чем в поле, а потери поэтому выше. В качестве более точного выражения можно принять следующее:

(13)

здесь - относительная величина площади со слабым промерзанием почвы в поле и в лесу,

n и n_л - коэффициент стока на участках со слабым промерзанием почвы в поле и в лесу,

х', х’_л - осадки на этих участках,

(Р_ол+Р_л) - потери в лесу на участках с глубоким промерзанием почвы. Все остальные обозначения прежние [см. формулу (12)]. Практическое использование формулы (103) является довольно сложным.

В лесной зоне несколько особое положение занимают реки, расположенные в западных районах зоны, где континентальность климата выражена не резко (Западная Двина, Неман, реки Прибалтики, Волхов, верховья Волги, Днепра и его западные притоки). Здесь часты зимние оттепели, которые нередко вызывают дополнительное увлажнение почвы, образование ледяной корки, а также большое различие в снегозапасах в поле и в лесу. Кроме того, в отличие от районов, лежащих восточнее, глубина промерзания почвы здесь сильно меняется от года к году и нередко бывает меньше 60 см. В этих районах разработка методики прогноза весеннего стока представляет сложную задачу, так как приходится учитывать большое число факторов половодья, влияющих на величину этого стока.

На реках восточной части лесной зоны запас влаги в почве перед началом зимы обычно большой. Однако с приближением к Уралу он несколько уменьшается, причем возрастает вариация его ежегодных величин.