книги из ГПНТБ / Богословский, Б. Б. Основы гидрологии суши. Реки, озера, водохранилища

мер, по Северной Двине на 16 км). На значительных расстояни­ ях от устья сказываются в реках и сгонно-натонные колебания уровня. На бесприливных морях они играют основную роль в ре­ жиме уровней устьевой области. Нагон хтрослеживается по Ин­ дигирке на расстоянии около 150 км от устья, на Днепре (до строительства ГЭС) —150 км, на Дону — до г. Ростова. При от­ ливах и сгонах усиливается речное течение и речные воды про­ никают дальше на взморье. Распресняющее влияние речных вод и воздействие их на термину прослеживается в море или океане на больших расстояниях от устьев крупных рек. Так, понижение солености обнаруживается в Атлантическом океане на расстоя­ нии 50 км от устья Конго, а понижение температуры под влияни­ ем речных вод — на 100 км.

Зимой, при поступлении в устье с приливной волной охлаж­ денных ниже 0°С морских вод, на уровне соприкосновения их с речными водами образуется внутриводный лед. При отливе об­ сыхающие прибрежные участки .покрываются ледяной коркой, нарастающей при следующем приливе. Возникший таким обра­ зом неподвижный лед нарастает к середине русла.

При впадении рек в озера в зависимости от колебаний уров­ ней озера и реки, рельефа прибрежной полосы и количества на­ носов либо возникают дельты, аналогичные морским, либо про­ исходит продвижение наносов в открытую часть озера.

При впадении притока в реку возникает .подпор, наиболее сильный во время половодий и паводков. Наименьший он при совладении во времени половодья на реке и притоке. При несов­ падении половодий подпор может возникать как на притоке, так и на главной реке. На притоке он может .распространяться на десятки и даже сотни километров и сопровождаться обратным течением.

РЕЧНОЙ СТОК

1. Характеристики стока

Сток—это процесс перемещения воды и всех, связанных с нею растворенных веществ и наносов. Он является определяю­ щим фактором в формировании водообеспеченности территории. Не менее важна роль стока в перемещении и распределении по территории растворенных в воде элементов и наносов. Без этого распределения невозможны развитие и эволюция почвенного и растительного покрова и жизни как на материках, так и в океа­ не. В процессе стока участвуют в разной степени все водные объ­ екты суши (реки, озера, болота, ледники, подземные воды). Ре­ жим каждого из этих объектов обусловлен в первую очередь его положением в процессе стока.

- Сток характеризуется следующими основными количествен­ ными показателями: средним расходом воды (Qо м3/с), объемом

100

промежутка времени (сутки, месяц, сезон, год) и за многолетний период (норма). Средний расход (Q0) вычисляется как среднее арифметическое из расходов воды за данный промежуток време­ ни:

где п — число членов ряда.

Объем стока (W) — объем воды (км3), стекающий с части бассейна, замыкаемой данным створом, за некоторый промежу­ ток времени’ (сутки, месяц, сезон, год). Он равен произведению

Чтобы сравнить сток с атмосферными осадками и испарени­ ем с бассейнов, его выражают в виде слоя стока (h), который по­ лучится, если объем стока равномерно распределить по поверхно­ сти бассейна:

(103 в числителе — перевод метров в миллиметры, 106 в знамена­ теле— перевод квадратных километров в квадратные метры.)

Коэффициент стока (tj)— отношение слоя стока к слою ат­ мосферных осадков (х) за тот же промежуток времени — харак­ теризует долю осадков, стекших в реки: rf\— hjx.

Для перехода от одних характеристик стока к другим мож­ но использовать следующие зависимости, вытекающие из выше­ приведенных формул:

h — ^ мм (для года h =31,5 М мм);

' . W = 1000/г> м3.

Наибольшее значение для географо-гидрологической харак­ теристики реки, планирования и организации использования ее

101

водных ресурсов имеют средние.(норма стока) и экстремальные характеристики стока за многолетний период.

Как при географо-гидрологических исследованиях различ­ ных территорий и бассейнов рек, так и при водохозяйственном и гидротехническом проектировании и хозяйственном использо­ вании рек в зависимости от поставленных задач применяются те или иные характеристики стока. Знание объема стока и рас­ ходов воды необходимо для проектирования и эксплуатации во­ дохранилищ, оросительных систем, водоснабжения предприятий и населённых пунктов, для анализа распределения стока.

Характеристики стока, отнесенные к площади бассейна,— модуль и слой стока—'позволяют сравнивать различные по вод­ ности бассейны. Эти величины наносятся на карты стока, по ко­ торым путем интерполяции определяется сток для любого пунк­ та изображенной на них территории. При построении карты сто­ ка значение стока каждого бассейна относится к его центру, за­ тем путем интерполяции проводятся изолинии равного стока.

Первая карта среднего годового стока была составлена для

'Европейской части СССР Д. И. Дочериным в 1927 г. в масштабе 1:20 000 000. Хотя Д. И. Дочерин располагал данными наблюде­ ний всего 32 пунктов, его карта давала правильное представле­ ние о закономерностях распределения стока по территории и вплоть до 1937 г. являлась основным источником для определе­ ния стока неизученных районов. В 1937 г. Б. Д. Зайковым и С. Ю. Беленковым составлена карта нормы стока для Европей­ ской части СССР, опиравшаяся уже на материалы наблюдений 1280 пунктов. В 1946 г. Б. Д. Зайковым построена первая карта стока для всей территории СССР по данным наблюдений 2360 ■станций. В настоящее время наиболее полной является карта ■среднего многолетнего стока СССР Д. П. Воскресенского (1962 г.), базирующаяся на данных 5690 стоковых станций и со­ ставленная в масштабе 1:5 000 000 (8 листов) и 1:10 000 000 (сборная).

Средний модуль стока для речного бассейна может быть определен по карте стока с помощью формулы

них изолиний);

/ъ /2. •••> fn—площади этих участков; F — площадь бассейна.

2. Водный баланс речных водосборов

Величина стока, его распределение по территории и во вре­ мени определяется характером 'соотношения осадков и испарения

102

и в меньшей степени изменением запасов воды в бассейне. Коли­ чественно это соотношение выражается уравнением водного ба­ ланса. Уравнение водного баланса речного бассейна за некото­ рый промежуток времени имеет вид

' X = Y + Z ± A W ,

где X — атмосферные осадки; Y — сток;

Z — испарение;

A W — изменение запасов воды в бассейне.

Можно считать, что за многолетний период времени в реч­ ном бассейне, не имеющем подземного водообмена с другими во­ досборами,—«замкнутом бассейне»— накопление-и потери воды, происходящие в отдельные годы или периоды (A IF), взаимно компенсируются. В этом случае уравнение водного баланса при­ мет вид

x o = Y o + Z o> и л и У 0 = ^ о - 4

где М0, Y0. Z0 — средние многолетние значения осадков, сто­ ка и испарения.

Из уравнения водного баланса следует, что основными фак­ торами, определяющими сток, являются климатические—X и Z. Сток зависит в первую очередь от соотношения в бассейне влаги, приносимой атмосферными осадками, и тепла солнечной радиа­ ции, определяющего возможное в данных условиях испарение. Но на сток влияет и ряд других географических факторов, в за­ висимости от сочетания которых величина и характер стока могут значительно меняться. К ним относятся рельеф, геологиче­ ское строение почвы, растительность, характер гидрографиче­ ской сети (строение речной сети, озерность, заболоченность водосборов, наличие ледников и вечных снегов). Влияние этих факторов меньше сказывается на бассейнах значительных раз­ меров, где сток осредняется на больших территориях, приобре­ тая большую устойчивость. Роль их возрастает и может стать весьма весомой на малых водосборах. То же самое можно ска­ зать и о периодах, за которые рассчитывается сток. В среднем за многолетний период воздействие климата в формировании стока явно преобладает над воздействием других факторов, зна­ чение которых возрастает за более короткие периоды (отдель­ ные годы, месяцы), когда большую роль играет время добега-

'ния вод к руслу, суточный же сток может даже определяться этими факторами.

Дождевые и талые снеговые воды, поступившие на поверх­ ность бассейна, прежде /всего заполняют отрицательные формы микрорельефа .(углубления) и просачиваются в почву. После

103

Воды, просочившиеся за пределы зоны аэрации в виде грунто­ вых вод, дают п о д з е м н ы й сток, доля которого колеблется на территории СССР от 10% и менее в тундрах и полупустынях до 20—30% на большей части территории и 40—50% в некото­

ее в речной сети. Русловый сток является суммарным, замыкаю­ щим для речных 'бассейнов, так как аккумулирует склоновый и подземный стоки. Поэтому количественно он характеризует во­ доносность бассейна. Исключение составляют случаи выхода подземного или подруслового стока за пределы водосборов (не­ замкнутые бассейны).

Рассмотрим составляющие водного баланса речных водосбо­

ров.

Атмосферные осадки. Количество атмосферных осадков оп­ ределяется по данным наблюдений на метеостанциях. При ис­ пользовании материалов наблюдений по дождемерам (в СССР

до 1950 г.) и осадкомерам Третьякова (до 1956 г.) необходимо вводить поправки, учитывающие, в соответствии с рекомендация­ ми Главной геофизической обсерватории, выдувание осадков из приборов ветром, потери на смачивание стенок прибора и на испарение из него.

Среднее по бассейну количество осадков при малых разли­ чиях их на метеостанциях определяется как среднее арифмети­ ческое, при значительных различиях в районах бассейна — как

средневзвешенное. В последнем случае расчет ведется по фор­ муле

Для приближенного определения количества осадков мож­ но использовать карты осадков для территории СССР1 или ана­ логичные карты отдельных районов.

Распределение осадков по территории СССР определяется главным образом влиянием влажных морских воздушных масс Атлантики, а на востоке — воздушных масс Тихого океана. В связи с этим количество осадков убывает с запада на восток как в Европейской части СССР, гак и в Западной и Восточной Сибири (до района Байкала, куда атлантические воздушные массы еще проникают, хотя и с меньшим содержанием влаги).

1 См.: Водные ресурсы и водный баланс территории СССР. Л., i967.

104

К востоку от Байкала количество осадков возрастает под влия­ нием тихоокеанских воздушных масс.

Отличительной особенностью широтного распределения осадков является наличие «гребня осадков»— широкой полосы, проходящей с запада на восток, в пределах которой выпадает наибольшее количество осадков (600—700 мм в западной и 400—500 мм в восточной ее части). «Гребень осадков» проходит по БССР и Прибалтике, через бассейны Верхней Волги, Север­ ной Двины, Камы, Печоры, смещаясь в Западно-Сибирской ни­ зменности к северу, а затем на юг к верховьям Енисея. Восточ­ нее Байкала он проходит вдоль Лено-Амурского водораздела, затем к Приморью. Количество осадков убывает как к северу, так и к югу от «гребня». На севере Европейской части СССР их количество не превышает 300, а Азиатской —100 мм, к югу (в по­ лупустынях и пустынях Средней Азии) уменьшается до 100— 200 мм. В горных районах количество осадков возрастает с вы­ сотой и достигает 3000—4000 м на Кавказе и 1000 мм на Урале, в горах Средней Азии, на Алтае, в Сихотэ-Али/не. .

Испарение. С речных водосборов испарение происходит с почвы, растениями (транспирация), со снега и льда и с водной поверхности. Последнее играет заметную роль в водном балансе только при наличии крупных озер или водохранилищ.

Процесс испарения зависит от ряда факторов, большинство из которых действует при испарении как с водной поверхности, так и с суши. Основными факторами, определяющими испарение, яв­ ляются температура испаряющей поверхности, разность упруго­ сти паров, насыщающих пространство при температуре испаряю­ щей поверхности, и паров, находящихся в воздухе1, и турбулент­ ный обмен.

Существенное различие испарения с водной поверхности и с суши заключается в том, что на суше, помимо указанных факто­ ров, решающее значение имеет увлажнение почвы. Если в водо­ емах всегда достаточно влаги для испарения (кроме случая их пересыхания), то на суше содержание влаги в почве лимитирует испарение: при недостатке влаги оно уменьшается или даже прекращается, несмотря на благоприятное сочетание остальных факторов.

Для полевых исследований испарения используются испари­ тели — металлические цилиндры различного объема и сечения, располагающиеся на плотах в водоемах или помещаемые в поч­ ву и грунт. При наблюдениях за испарением с водной поверхно­ сти испарители заполняются водой и по изменению уровня воды в них можно судить о величине испарения. Если исследуется испарение с суши, в почвенный испаритель помещается ненару­

1 В расчетах, испарения часто эта величина заменяется дефицитом влаж­ ности или недостатком насыщения (й)— разностью упругости водяных паров, насыщающих пространство при данной температуре, и паров, находящихся в воздухе, что, строго говоря, не одно и то же.

105

шенный монолит почвы, по изменению веса которого и определя­

ется испарение.

Испарители дают возможность исследовать испарение с раз­ личных поверхностей небольших территорий.

Однако данных фактических наблюдений испарения еще не­ достаточно для получения его средних величин для водосборов, поэтому испарение с водосборов рассчитывается различными ме­ тодами. Эти методы базируются частью на данных наблюдений по испарителям, частью на закономерностях зависимости испа­ рения от действующих факторов1.

При теоретических исследованиях испарения и разработке схем его определения применяются методы водного баланса, теплового баланса, турбулентной диффузии. В первом из этих методов испарение определяется как остаточный член уравнения водного баланса. Он применим для расчетов многолетних харак­ теристик испарения с больших водосборов. Второй метод бази­ руется на уравнении теплового баланса испаряющей поверхно­ сти. Испарение находится по количеству затраченного на него тепла. Здесь необходим учет радиационного баланса и теплообме­ на в почве. Третий метод учитывает турбулентный обмен в слое воздуха над испаряющей поверхностью, с которым связан верти­ кальный поток водяного пара. Основными данными служат гра­ диенты метеорологических элементов (в первую очередь темпе­ ратуры и влажности воздуха) в приземном слое воздуха.

В схемах для расчета испарения обычно используются зна­ чения метеоэдементов (температуры, влажности воздуха, дефи­ цита влажности, скорости ветра) и радиационного баланса испа­ ряющей поверхности.

Для определения испарения с водной поверхности использу­ ются методы водного и теплового баланса. Наиболее широко применяются разработанные на основе этих .методов зависимости вида

Е = а(е0— е2оо) (1 + bW2w),

где е0— упругость водяных паров, насыщающих пространство при температуре испаряющей поверхности;

а и b — числовые коэффициенты.

При наличии данных метеорологических наблюдений для расчета испарения с водной поверхности рекомендуется формула

Д = 0,14 п(еа— е2оо) (1 + 0,72W20o) мм,

где п — число дней в расчетном периоде.

1 Методы расчетов испарения с водной поверхности и с суши рассмотре­ ны в сборнике «Материалы Межведомственного совещания по проблеме изу­ чения и обоснования методов расчета испарения с водной поверхности и с су­

106

На основании расчетов, проведенных Б. Д. Байковым в 1949 г., А. П. Браславским и 3. А. Викулиной в 1954 г., состав­ лены карты испарения с водной поверхности малых водоемов для территории СССР.

Подробнее испарение с водной ткивервагасти рассмотрено во второй главе.

Сложность определения испарения с суши заключается в том, что, во-первых, степень увлажнения и тепловые свойства поверхности почвы различны даже на сравнительно небольших

можно с достаточной точностью. В связи с этим современные ме­ тоды расчетов дают величины суммарного испарения с поверх­ ности суши (речных водосборов) того или иного района.

Многие методы расчета основываются на использовании эм­ пирических-связей испарения с метеорологическими, факторами. Так, П. С. Кузин предложил для зоны избыточного увлажнения ■графики расчета испарения в зависимости от температуры возду­ ха и недостатка насыщения (рис. 25, а). Позднее Б. В. Поляков, используя данные по влажности почвы, построил графики для расчета испарения по осадкам и температуре воздуха для каж­ дого месяца теплого периода.

М. И. Будыко путем совместного решения уравнений тепло­ вого и водного баланса вывел расчетную зависимость испарения с суши от количества атмосферных осадков и радиационного ба­ ланса увлажненной поверхности:

где А- —среднее годовое испарение, мм; В0—радиационный баланс увлажненной поверхности,

ккал 'см2;

X —среднее годовое количество осадков, мм;

L — скрытая теплота испарения (590 кал/г); h — гиперболический тангенс.

На основании расчетов по этой зависимости построена но­ мограмма для определения среднего годового многолетнего ис­ парения с суши (рис25, б). Исходными данными для расчета по номограмме служит среднее многолетнее годовое количество атмосферных осадков (X, адм), приводимое в климатологических справочниках или определенное по карте изогнет, и величина радиационного баланса увлажненной поверхности (В0, ккал/см2), снимаемая с карты радиационного баланса.

Метод не рекомендуется для горных районов с высотами больше 150 м и районов с близким к поверхности залеганием

107

подземных вод (в первую очередь для заболоченных террито­ рий) .

Средние месячные значения испарения по методу М. И. Будыко определяются с учетом влагозаПасов в почве. Расчеты, про­ изведенные Л. И. Зубенок по этому методу для различных рай­ онов Европейской части СССР, показали, что на вегетационный период (май — август) приходится от 65% годового испарения в южных районах до 70—75% в центральных.

При помощи метода Будыко произведены расчеты испаре­ ния и построены месячные и годовая карты испарения для суши Земного шара, опубликованные в «Атласе теплового баланса Земного шара» (1963). Приближенную величину испарения мож­ но снять с этих карт, за исключением горных районов, данных по которым нет.

А. Р. Константиновым разработан метод расчета среднего месячного и годового испарения с суши по средней месячной и годовой температуре и влажности воздуха. В основу его положе­

А —коэффициент обмена;

«— коэффициент, зависящий от скорости ветра, темпера­ туры воздуха и шероховатости подстилающей поверх­ ности;

-g — вертикальный градиент влажности воздуха в слое 1 м.

Для приближенного определения среднего годового испаре­ ния по средней годовой температуре и влажности воздуха А. Р. Константиновым построена номограмма (рис. 25, в). Ме­ тод не рекомендуется для горных районов.

Методом водного баланса среднее годовое испарение опре­ деляется по уравнению Е = Х — У, где X — осадки, У — сток. По рассчитанным этим методам значениям испарения в Государст­ венном гидрологическом институте составлена карта среднего годового испарения с поверхности суши территории СССР1.

В связи с особенностями процессов испарения с водной по­ верхности и с суши распределение их по территории различно. Распределение испарения с водной поверхности (ZB) в основном сходно с распределением радиационного баланса,, ибо, посколь­ ку влаги для испарения в водоемах достаточно, оно !завиеит в первую очередь от нагрева их поверхности. ZBвозрастает на тер­ ритории Европейской части СССР с северо-запада на юго-восток (от 350—400 мм/год на Кольском полуострове до (000—1100 мм

вюжном Прикаспии). В Азиатской части СССР это возрастание

1См.: Водные ресурсы и водный баланс территории Советского Союза.

Л„ 1967.

109