книги из ГПНТБ / Большаков, М. Н. Водные ресурсы рек советского Тянь-Шаня и методы их расчета

разными геоморфологическими, гидрогеологическими и геоботаническими условиями получила распространение методика обобщения нормы сезонного стока в виде карт изолиний. Для горных речных бассейнов построение карт изолиний сезонного стока на основе простой географической интерполяции приво­ дит к более значительным ошибкам. Такие карты могут быть также составлены на основе местных зависимостей сезонного стока от характеристик высотной поясности.

Основным средством для определения параметров внутри­ годового распределения стока в неизученных створах рек, при существующей в общем недостаточной гидрометеорологиче­ ской изученности горных территорий, следует считать местные зависимости этих параметров от характеристик высотной пояс­ ности. Последняя оказывает наиболее ярко выраженное влия­ ние на процессы, определяющие внутригодовое распределение стока горных рек. Для некоторых горных территорий, где су­ щественное действие на этот процесс оказывают также азо­ нальные факторы и в первую очередь особенности геологиче­ ского строения, иногда в расчетных зависимостях удается учесть и этот фактор.

Среди работ, посвященных методам определения парамет­ ров внутригодового распределения стока для неизученных рек

Т. С. Абальян [2, 3, 4] по Средней Азии.

Для территории Тянь-Шаня, на основе обобщения послед­ них данных по стоку рек, эмпирические зависимости для опре­ деления параметров внутригодового распределения стока в неизученных створах рек разработаны Н. С. Смородской под руководством и при участии автора [39, 41].

Более подробно расчетные методы для определения пара­ метров внутригодового распределения стока для неизученных горных рек и их сравнительная оценка рассматриваются ниже.

2. Основные факторы, определяющие внутригодовое распределение стока

Основным источником питания рек Тянь-Шаня являются талые воды и поэтому реки характеризуются половодьем в теплое время года и меженью — в холодное.

По классификации Б. Д. Зайкова [88, 167], реки Тянь-Шаня относятся к двум группам: а) реки с половодьем в теплую

156

часть года и б) реки с весенним половодьем. Наиболее рас­ пространенными подтипами этих групп являются тяньшан-

ский, алтайский и казахстанский.

Тяньшанский подтип характерен для рек с высокораспо­ ложенными водосборами, у которых повышенные расходы во­ ды в течение всего теплого периода года обусловлены неодновременностью процессов таяния снегов и ледников в разных

высотных зонах водосборов.

Алтайский подтип наблюдается на реках, лишенных оледе­ нения на водосборах; окончание половодья у них приходится на июль—август.

Реки казахстанского подтипа отличаются интенсивным половодьем весной и низким стоком в остальное время года, включая лето. Этот подтип характерен для рек с низкогорны­ ми водосборами (например, реки, стекающие с Чу-Илийских гор и хр. Каратау).

Если придерживаться классификации П. С. Кузина [112], то часть рек Тянь-Шаня следует отнести к группе рек горно­ арктической зоны холодного климата с летним половодьем, часть — к рекам горно-лесной зоны умеренного климата с ве­ сенне-летним половодьем и, наконец, наименьшее число — к рекам горно-степной зоны умеренного климата с весенним половодьем.

Факторы, определяющие условия формирования поло­ водья и внутригодового распределения стока рек Средней Азии, в том числе рек Тянь-Шаня, наиболее подробно рас­ смотрены В. Л. Шульцем [207].

Придерживаясь в данной работе классификации В. Л. Шульца, специально разработанной им для рек Средней Азии и принципы которой более подробно изложены в главе I, можно отметить следующую аналогию между упомянутыми классификациями.

Тип рек ледниково-снегового питания (по В. Л. Шульцу)

рек данного подтипа характерно распределение стока внутри года, показанное на рис. 52, а, б.

Тип рек снегово-ледникового питания (по В. Л. Шульцу) также относится к тяньшанскому подтипу (по Б. Д. Зайкову); сюда же следует отнести, частично, реки горно-лесной зоны умеренного климата с весенне-летним половодьем (по П. С. Ку­ зину). Примеры гидрографов рек этих типов показаны на рис. 52, в.

157

*) 1

Рис. 52. Внутригодовое распределение стока для некоторых характер­ ных по условиям питания рек: а) реки ледниково-снегового питания с весьма значительным преобладанием талых вод ледников и высоко­

Реки снегового питания (по В. Л. Шульцу) соответствуют примерно рекам алтайского подтипа (по Б. Д. оаикову) и ре­ кам горно-степной зоны умеренного климата с весенним поло­ водьем (по П. С. Кузину). Пример гидрографа реки данного

типа приведен на рис. 52, г, 1.

Тип рек снегово-дождевого питания (по В. Л. Шульцуj наиболее близок казахстанскому подтипу (по Б. Д. Зайкову); пример гидрографа рек этого типа показан на рис. 52, г, 2.

Поскольку основным источником питания рек Тянь-Шаня являются талые воды, внутригодовое распределение их стока, особенно в период половодья, определяется главным образом процессами накопления и таяния снега и льда в горах, а так­ же сопутствующими процессами расходования влаги на испа­

рение и транспирацию.

Таким образом, главными факторами, определяющими внутригодовое распределение стока, являются климатические, весьма тесно связанные с высотной поясностью. Вследствие наличия вертикального термического градиента таяние снега в горах происходит неодновременно по всей площади, а по вы­ сотным зонам, в зависимости от положения фронта и тыла снеготаяния. Объем талых вод, поступающих с водосбора за определенный период времени, зависит от площади одновре­ менного снеготаяния и его интенсивности, определяемых в основном высотной поясностью. Сток талых вод зависит так­ же от распределения снегозапасов в горах, которые в значи­ тельной степени связаны с высотной поясностью, определяе­ мой наличием плювиометрического градиента.

Таким образом, внутригодовое распределение стока рек Тянь-Шаня весьма тесно связано с высотной поясностью и определяется в основном относительным распределением пло­ щадей водосборов рек по высотным зонам.

Однако воздействие рельефа на процессы стока проявля­ ется не только через высоту местности, оно имеет более мно­ гогранный характер. В частности, необходимо отметить влия­ ние степени доступности речных бассейнов влажным воздуш­ ным массам на величину и характер внутригодового распреде­ ления атмосферных осадков, что в свою очередь не может не влиять на внутригодовое распределение стока в этих бассей­ нах. В этом отношении особо следует выделить бассейн р. Нарына, большая часть которого относится к Внутреннему Тянь-

женные со всбх сторон высокими горными хребтами.

Среди других природных факторов, влияющих на внутри­

159

годовое распределение стока, наибольшее значение имеют поч­ венно-геологические условия речных бассейнов, которые опре­ деляют местные особенности трансформации поверхностного' стока в подземный и обратно. Этим объясняются, в частности,, повышенное подземное питание некоторых рек бассейна и свя­ занная с ним аномальная зарегулированность их стока, о чем уже упоминалось в главе III. Таковы, например, рр. Шахимардан, Исфайрам, Коксу в бассейне Сыр-Дарьи, рр. Кочкор, Чу (с. Кочкорка), Актерек, Аксай, Колба и другие на терри­ тории Северного Тянь-Шаня.

На внутригодовое распределение стока, по-видимому, должно влиять преобладание в бассейнах рек той или иной экспозиции горных склонов и, в частности, принадлежность бассейнов к склонам горных хребтов разной ориентации по отношению к странам света.

Необходимо, однако, отметить, что на общем фоне ярко выраженной высотной поясности процессов, влияющих на внутригодовое распределение стока, роль неклиматических факторов проявляется в общем слабо. Это позволило принять высотную поясность в качестве главного фактора внутригодо­ вого распределения стока.

Влияние хозяйственной деятельности человека на транс­ формацию речного стока в рассматриваемой области его фор­ мирования либо отсутствует, либо не имеет существенного значения. Однако этот фактор приобретает весьма большую роль в области рассеивания стока (предгорные и равнинные зоны), где забор воды на орошение и выходы возвратных вод могут в корне трансформировать внутригодовое распределе­ ние стока рек.

Таковы в кратком изложении современные представления об основных процессах, определяющих внутригодовое распре­ деление стока рек Средней Азии.

Изменения в течение года роли разных высотных зон в формировании стока реки ледниково-снегового питания за ме­ сячные отрезки времени показаны на графиках (рис. 53), по­ строенных по осредненным данным наших наблюдений (за 1949—1965 гг.) в экспериментальном бассейне р. Чон-Кызыл- су [32]. На графиках представлены зависимости модулей среднемесячного стока, годового стока и их составляющих от

На графике 1 эти зависимости приведены для суммарного сто­ ка. В связи с изменением в годовом цикле условий питания

стока-.наблюдается соответствующее изменение вида зависи­ мостей M = f ( Hcр).

160

Рис. 53. Виды зависимостей модулей годового и месячного стока М от средней взвешенной высоты водосбора Нср для эксперименталь­ ного бассейна р. Чон-Кызылсу (по среднемноголетним данным за 1949—1965 гг.): 1 — общий сток; 2 — сток области оледенения; 3 — сток с площади, лишенной оледенения.

В период половодья (апрель—сентябрь) происходит воз­ растание модулей стока с высотой за счет развития процессов таяния в высокогорной зоне. При этом средние градиенты из­ менения модуля достигают максимума в период наибольшего таяния ледников (июль, август). В период затухания процес­ сов таяния, т. е. в межень (октябрь—март), когда реки пита­ ются в основном подземными водами, зависимость модуля стока от высоты выражена слабо и градиенты могут менять знак, что указывает, в частности, на наличие в это время внутриледниковой абляции, а также стока, аккумулированно­ го в приледниковых моренных образованиях.

На графиках 2 и 3 нанесены зависимости модулей .состав­ ляющих стока р. Чон-Кызылсу: соответственно модуля стока М л, формирующегося в области оледенения, и модуля стока М н с остальной площади водосбора, лишенной оледенения. Из графика 2 видно, что для ледниковой составляющей стока

площади без оледенения (Мн ) для периода половодья хотя и положительны, но относительно более низкие; для периода

октябрь—апрель они отрицательны.

Показанная на примере р. Чон-Кызылсу картина высотной поясности в формировании стока характерна для рек ледни­ ково-снегового питания. Для рек других типов питания она, естественно, несколько модифицируется, но модель ее в общем

сохраняется.

По генетическим признакам годовой ход стока рек ТяньШаня можно расчленить на три основных фазово-однородных

периода.

1. Период снегового половодья, формируемого преимуще­ ственно талыми водами сезонных снегов нижних и средних ярусов гор; начало половодья связано с наступлением устой­ чивой положительной температуры воздуха; объем половодья определяется в основном атмосферными осадками данного года, определяющими запасы сезонных снегов.

2. Период снегово-ледникового половодья, формируемого в основном талыми водами высокогорных снегов, снежников и ледников; этот период совпадает с наиболее жарким сезоном года и для него связь между стоком и температурами воздуха выражена наиболее ярко.

3. Период межени, когда речной сток питается главным образом за счет подземных вод; этот период характеризуется устойчивыми, относительно небольшими расходами, плавно снижающимися к началу снеготаяния, и отсутствием суточных колебаний расходов воды.

При весьма большом разнообразии высот водосборов рек Тянь-Шаня между этими фазово-однородными периодами не может быть единых календарных границ ни для среднего года, ни тем более для отдельных лет. Более того, для значительно­ го числа рек с низко расположенными водосборами период снегово-ледникового половодья совсем отсутствует. Однако при всем разнообразии границ фазово-однородных периодов можно приближенно установить их осредненные календарные границы: для снегового половодья — март—июнь, для снего­ во-ледникового — июль—сентябрь и для межени — октябрьфевраль. Весь период половодья охватывает март—сентябрь. Лишь у рек с низко расположенными водосборами, имеющими средневзвешенные высоты до 1,5 км и в бассейнах которых нет высокогорных снегов и ледников, снегово-ледниковое поло-

Ш 2 :

водье полностью отсутствует. У этих рек половодье ограничива­ ется февралем — июнем, а межень растягивается с июля по

^Показатели типов питания рек Средней Азии по классифи­ кации В. Л. Шульца, как уже говорилось, сравнительно хоро­ шо характеризуют условия питания рек Тянь-Шаня.

Несмотря на указанную выше приближенность общих для всех рек календарных границ фазово-однородных периодов, а также на некоторую условность наименований типов питания (см. гл. I), эта схема классификации положена далее в осно­ ву принятой нами методики внутригодового распределения стока рек Тянь-Шаня. Это объясняется тем, что данная клас­ сификация позволяет характеризовать особенности внутриго­ дового распределения стока в связи с типами питания рек, по­

казатели которых (3 и U^vii—lx % I удовлетворительно отра­ жают высотную поясность процессов, определяющих внутри­ годовое распределение стока.

С другой стороны, показатель 6, характеризуя приближен­ но среднее соотношение в общем стоке половодья объемов та­ лых вод высокогорных снегов, снежников и ледников и талых вод сезонных снегов, дает возможность в некоторой степени отразить в принятой системе характеристик внутригодового распределения стока рек данного региона влияние генетиче­ ских особенностей этих составляющих стока половодья.

Таким образом, соотношение источников питания и формы гидрографов рек Тянь-Шаня разного типа питания косвенно зависят, при прочих равных условиях, от относительного рас­ пределения площадей водосборов по высотным зонам. Высот­ ное положение водосборов рек определяет в основном типы их питания и формы гидрографов, что хорошо видно из рис. 52.

При общей характерной для рек Тянь-Шаня форме гидро­ графа, имеющего волну половодья в теплый период года и ме­ жень — в холодный, для рек с отсутствием ледникового пита­ ния свойственны более ранние сроки прохождения максиму­ ма половодья и его окончания.

У рек ледниково-снегового питания половодье более про­ должительно, так как при широком диапазоне высот продви­ жение фронта и тыла снеготаяния занимает большее время; максимум половодья приходится на июль—август, т. е. совпа­ дает с наибольшими температурами воздуха; окончание поло­ водья сдвигается на октябрь. На графике «а» рис. 52 показаны гидрографы рек Джуука и Алаарча, принадлежащих к типу рек ледниково-снегового питания с весьма значительным пре­ обладанием талых вод ледников и высокогорных снегов (по

163

классификации В. Л. Шульца, реки с б>2). У рек данного ти­ па хорошо выражен один максимум половодья, создаваемый талыми водами высокогорных снегов и ледников.

Урек снегово-ледникового питания (1>6>0,27), представ­ ленных на рис. 52, в гидрографами рек Джыргалан и Кенкол, половодье имеет иногда два выраженных максимума: весен­ ний, образующийся в мае—июне талыми водами сезонных снегов, и летний, создаваемый талыми водами Б.

Урек снегового питания (в качестве примера на рис. 52, г показана р. Ргайты) половодье начинается рано (март—ап­ рель), достигает максимума в апреле—мае и в июне начина­ ется его спад; межень наступает в сентябре и даже августе

(рис. 52, г, 1).

У рек снегово-дождевого питания половодье еще более скоротечно и максимум его приходится на апрель—май

(рис. 52, г, 2).

После спада волны половодья происходит переход к меже­ ни, когда процессы таяния затухают и реки получают преиму­ щественно подземное питание. Только в низко расположенных зонах водосборов (ниже 1,5—2,0 км) возможно подтаивание снежного покрова и выпадение дождей в течение зимы.

Отдельные пики расходов, накладывающиеся на основную часть гидрографа половодья, формирующуюся подземными и талыми водами, вызываются чаще всего выпадающими дож­ дями, а иногда — резкими кратковременными скачками тем­ ператур воздуха.

Необходимо отметить, что вид гидрографов рек может не­ сколько модифицироваться в разные годы в зависимости от конкретной гидрометеорологической обстановки года, опреде­ ляющей режим выпадения атмосферных осадков и снеготая­ ния. Влияние водности года на внутригодовое распределение стока рек рассматривается ниже более подробно, так как с этим связаны методы установления расчетного распределения стока внутри года.

3. Назначение лимитирующих периодов и сезонов

Как отмечалось выше, в настоящее время наиболее обще­ принятым для водохозяйственного проектирования является расчетное распределение стока, основанное на компоновке его отдельных частей (сезонов, месяцев) путем соответствующей статистической обработки данных по стоку за эти периоды. Обоснование и подробное изложение этого метода дано в ра­ ботах В. Г. Андреянова [10, 12, 13] и ниже приводятся лишь его принципиальные положения.

164

Метод компоновки основан на предположении, что распре­ деление стока по сезонам года связано с водностью года, а внутрисезонное распределение зависит в основном от водности сезона. Исходя из требований водохозяйственного проектиро­ вания, компоновка стока по сезонам выполняется таким обра­ зом, чтобы сток за лимитирующий период и внутри последне­ го за лимитирующий сезон имел бы одинаковую обеспечен­ ность. Величина последней задается равной потребной обеспе­ ченности результата водохозяйственного расчета, которая в за­ висимости от условий проектирования может изменяться в ши­ роких пределах, в связи с чем расчетное внутригодовое рас­ пределение стока дается обычно для нескольких градаций

обеспеченности.

Составление расчетного внутригодового распределения стока по методу компоновки сводится в основном к следую­ щим операциям:

1.Год делится на три сезона, из них два образуют так на­ зываемый лимитирующий период, в течение которого водные ресурсы в отдельные годы могут ограничивать водопотребление. Остальная часть года составляет так называемый нели­ митирующий период. Внутри лимитирующего периода один из сезонов, наиболее напряженный по удовлетворению водопотребления, называется лимитирующим сезоном, а второй — келимитирующим.

2.Путем статистической обработки определяются величи­ ны стока заданной обеспеченности для года и лимитирующих периода и сезона.

3.Сток нелимитирующего периода определяется по разно­ сти между стоком года и лимитирующего периода, а сток не­ лимитирующего сезона — по разности стока лимитирующего периода и лимитирующего сезона.

4.Внутрисезонное распределение стока по месяцам прини­ мается приближенно по средним данным для нескольких (обычно четырех) групп водности рассматриваемого сезона.

Как видно из вышеизложенного, разбивка года на лимити­ рующие и нелимитирующие периоды и сезоны может быть раз­ личной в зависимости от степени соответствия внутригодового распределения стока (гидрографа) и режима водопотребления. Как правило, она не может быть универсальной, т. е. удовлетворяющей требованиям всех возможных водопотребителей и водопользователей. Обычно распределение стока по

методу компоновки выполняется согласно требованиям веду­

щего для данного региона водопотребителя или водопользо­ вателя.

165