книги из ГПНТБ / Кузник, И. А. Гидрология и гидрометрия учебник для сельскохозяйственных техникумов по специальности гидромелиорация

где q — модуль стока в л/(с-км2); Q0— средний годовой расход реки в м3/'С.

Согласно формуле (37),

О - w

Vo t -86400 ‘

Сток принято выражать, как и осадки, в миллиметрах слоя: предполагается, что весь сток распределен ровным слоем по пло­ щади бассейна. Слой стока у получается делением объема стока на площадь водосбора

qn, а число лет наблюдений n, получим среднюю многолетнюю ве­ личину, или норму годового стока:

Очень часто сток выражают в долях от суммы осадков. Эта величина называется к о э ф ф и ц и е н т о м с т о к а . Коэффи­ циент стока г) выражается формулой

1 Все величины с черточкой наверху являются средними многолетними.

80

где л — сумма осадков в миллиметрах; у — сток в миллиметрах. В практике гидрологических расчетов, кроме перечисленных ве­ личин, применяется еще м о д у л ь н ы й к о э ф ф и ц и е н т , кото­ рый представляет собой отношение стока за какой-либо период года или весь год к среднему многолетнему значению его за тот

же период или за год

где /е — модульный коэффициент.

Индекс i при величинах Q, W, у к q означает, что сток принят для конкретного расчетного периода, например для января, февра­ ля или другого определенного месяца или для какого-то конкрет­ ного года и т. д.

23. Водный баланс речных бассейнов

Водный баланс рассматривается как разность сумм приходных и расходных элементов за какой-либо период времени. Если обоз­ начить сумму приходных элементов через П, а расходных через Р, то уравнение водного баланса можно выразить так:

Приходные элементы складываются из осадков х, выпадаю­ щих на поверхность водосбора за рассматриваемый период, кон­ денсации влаги с в почве и на ее поверхности: П = х + с.

К расходным элементам относятся: суммарное испарение с по­ верхности воды и почвы z, поверхностный сток у\ и подземный сток

Уъ т. е. Р = 2 + У\ —(—£/2 -

Таким образом (х + с) — (z + У\ + г/г) = ±AU.

Конденсация обычно невелика и из расчетов может быть исклю­ чена. Заменив у\-\-уг на у, представляющий суммарный сток реч­ ного бассейна, получим

х— (z + у) = ± Л JJ.

Вотдельные годы возможны два случая: 1) в многоводные го­ ды не все осадки расходуются на испарение и сток (часть их на­ капливается в бассейне, создавая запасы почвенной и грунтовой

воды) и 2) в засушливые годы дополнительные запасы почвенных и грунтовых вод расходуются полностью. За многолетний лее пе­ риод АU равняется нулю. Поэтому для средних многолетних ве­ личин молено написать

81

Из формулы следует, что в среднем за много лет сумма осадков равна сумме испарения и стока. Разделив обе части уравнения

на х, получим

(486)

X X

Величина —----коэффициент стока. По аналогии -^-называется

коэффициентом испарения. Из формулы следует, что сумма коэф­ фициентов средних многолетних величин стока и испарения в речном бассейне равна единице. В бессточных речных или озер­ ных бассейнах (не имеющих стока в океан) у = 0, a x = z. По­ следнее выражение верно для замкнутых бассейнов Каспийского, Аральского и других морей.

24. Факторы, влияющие на речной сток

Какие факторы воздействуют на пространственное изменение фазовооднородных величин стока? От чего зависит норма годового или весеннего стока в различных природных зонах? Почему модули стока юго-восточных рек СССР (например, Большого Узеня) мень­ ше модулей стока северных рек (Оби)? От чего зависит измене­ ние стока одного и того же бассейна во времени? Например, поче­ му сток р. Дона неодинаков по величине в разные годы?

Влияние климата на сток.Из формулы (48 а) следует, что нор­

ма стока зависит от осадков и испарения (y = x — z). Обе эти ве­ личины являются основными показателями климата и связаны с влажностью, температурой воздуха и скоростью ветра. Поэтому и средний многолетний сток зависит от климатических факторов. Климат каждой зоны, а также речного бассейна не меняется в те­ чение многих лет; столь же устойчивой является и норма стока каждого речного бассейна.

Однако климатические условия постепенно изменяются в про­ странстве: в направлении с северо-запада ЕТС на юго-восток уменьшается норма осадков, возрастают температуры воздуха, уве­

покров и почвы разных географических зон являются производ­ ными климата. С севера на юг растительность от мхов и лишай­ ников тундры переходит к смешанным лесам тайги, хвойным и лиственным лесам лесной зоны. К юго-востоку леса постепенно исчезают и сменяются степной растительностью. В этом же на­ правлении меняется почвенный покров. С изменением климата и состава растительности при одинаковых почвообразующих породах происходят изменения в почвообразовательном процессе. Поэтому пространственное изменение стока целиком зависит от климата.

82

Рассмотрим, например, речной бассейн, состоящий из несколь­ ких более мелких бассейнов. Допустим, что в реку впадают два ■небольших притока, которые находятся в одинаковых климати­ ческих условиях. Водосбор одного из них сложен песками, а дру­ гого— глинистыми грунтами. Будет ли норма стока обоих водосбо­

Если же водоносный горизонт не вскрывается руслом реки и река не имеет подземного стока, то годовой сток притока, у кото­ рого бассейн сложен .песками, будет меньше годового стока вто­ рого притока, сложенного глинами. Больше того, при наличии мощ­ ного слоя песков возможны потери стока вдоль русла реки. По­ тери стока возможны и в том случае, если водонепроницаемые грунты, прорезанные руслом, имеют уклон в сторону от русла

(рис. 48 б).

Бассейны рек в лесостепной зоне частично или полностью об­ лесены. Корни древесных пород проникают на большую глубину, как бы рыхлят почву. В пористую почву быстрее просачиваются талые и дождевые воды. Помимо этого, почва в лесу лучше утеп­ лена снегом и лесной подстилкой, а потому меньше промерзает. В такую почву весной вода просачивается интенсивнее. Таким об­ разом, лес содействует снижению и весеннего и дождевого стока. За счет уменьшения поверхностного стока несколько увеличивается подземный сток, если геологические условия благоприятствуют этому.

Влияние рельефа бассейна на сток. Рельеф бассейна — это со­ вокупность неровностей (изрезанность гидрографической сетью), уклонов склонов и высоты над уровнем моря. С увеличением вы­ соты бассейна понижается температура воздуха, увеличиваются атмосферные осадки и уменьшается испарение, а следовательно, увеличивается сток. Увеличение стока по высоте характерно для Кавказа, Памира, Урала и других горных районов.

С увеличением уклонов поверхности бассейна повышается ско­ рость движения воды, вследствие чего сокращается продолжитель­ ность ее стояния на поверхности почвы и в русле. В почву проса­ чивается М'еныпе воды. Поэтому с увеличением крутизны склонов возможно некоторое увеличение поверхностного стока. Это наибо­

83

лее характерно для дождевого паводка « в меньшей мере для ве­

сеннего половодья.

Влияние величины и формы бассейна на сток. Размеры бассейна оказывают существенное влияние на величину стока потому, что обычно с увеличением площади водосбора возрастает различие в климатических и почвенно-геологических условиях. Так, сток Лены, Оки, Чусовой и других рек, текущих в направлении от менее увлажненных районов к более увлажненным, постепенно возрас­ тает. Сток же Нижней Волги (на участке от г. Камышина до устья) уменьшается, так как здесь потери из реки не компенси­ руются притоком грунтовых вод, а поверхностный сток почти от­

сутствует.

Различие в нормах стока больших и малых водосборов объяс­ няется разными условиями грунтового питания. В больших реч­ ных бассейнах часть инфильтрующейся воды пополняет грунто­ вые воды. Русла больших рек прорезают водоносные горизонты, которые становятся источниками их питания. Чем больше водо­ носных горизонтов вскрывается (дренируется) рекой, тем больше подземный сток.

Русла балок, оврагов и рек малых бассейнов вскрывают водо­ носные горизонты лишь частично, а в некоторых случаях и вовсе не вскрывают. Поэтому с увеличением водосборов рек возрастает норма годового стока. Глубина залегания грунтовых вод, а сле­ довательно, и возможность дренирования их руслами больших и малых рек тоже подчиняется определенной географической зако­ номерности. На севере грунтовые воды залегают близко от поверх­ ности земли. Здесь разница в стоке больших и малых речных бас­ сейнов невелика. С продвижением к юго-восточным засушливым районам глубина залегания грунтовых вод возрастает. Увеличи­ вается и разница в нормах стока с больших и малых водо­ сборов.

Размер бассейна не оказывает влияния на величину стока, если не изменяются факторы стока. При одинаковом растительном по­ крове, рельефе, в аналогичных климатических, почвенных и геоло­ гических условиях сток с большого пли малого водосборов оди­ наков. Наблюдения, выполненные в Заволжье на водосборах пло­ щадью 1, 3, 5, ПО, 2500 им2 и больше, показали, что все они пи­ таются только за счет стока талых вод. Площадь водосбора не оказывает здесь никакого влияния на норму стока.

В Казахстане, Прикаспийской низменности и других засушли­ вых районах норма стока в значительной мере зависит от площади бессточных понижений, аккумулирующих талые и дождевые воды. Поэтому с увеличением площади бассейна сток уменьшается. Так, в бассейне р. Ишима до г. Целинограда бессточные площади со­ ставляют около 25%, а в бассейне р. Тобола — около 20%■

В равнинных районах возможен перенос снега из одного бас­ сейна в другой. Разные запасы снега в соседних бассейнах могут повлнять'-на формирование различных величин стока с них в от­ дельные годы.

84

Форма бассейна, т. е. его ширина и протяженность, также ока-- зывает влияние на величину 'стока. Чем уже бассейн, тем корочепуть добегания воды от водораздела до русла, меньше потери стока на просачивание ,в почву и больше поверхностный сток.

Влияние озерности и заболоченности бассейна на сток. В боло­ тах, как и в озерах, сток задерживается. Поэтому с увеличением площади озер и заболоченности сток уменьшается.

Многие реки (Нева, Ангара и др.) берут начало из озер. Озерослужит как бы регулирующим водохранилищем: во время весен­ него снеготаяния сток в реке нарастает медленно, так как часть его накапливается в озере; в межень накопленный объем воды в озере постепенно срабатывается. Внутригодовое распределениестока в такой реке более равномерно.

Влияние деятельности человека на сток. Строительство гидро­ станций, регулирование рек в целях улучшения судоходства,, устройство каналов для переброски воды из одних рек в другие,, использование воды для орошения и обводнения, осушение терри­ торий и т. д. — все это вносит большие изменения в гидрологиче­ ский режим малых и больших рек. Хозяйственные мероприятия, приводят к уменьшению или увеличению стока, к изменению вну­ тригодового распределения его.

В основе комплексного регулирования стока лежит всесторон­

вают выработку электроэнергии, улучшение водного пути, позво­ ляют создать запасы воды для орошения. Однако вследствие увеличения площади водного зеркала возрастают потери на испарение и фильтрацию, поэтому сток Волги несколько умень­ шился.

Коренным образом изменится величина стока и режим рек после переброски воды одних рек в речные бассейны других рек. Таков проект переброски вод северных рек для орошения земель в республиках Средней Азии и в Волгу для орошения Заволжья и улучшения питания Каспийского моря.

Изменение режима стока отражается на гидрологическом ре­ жиме во всем бассейне реки. Уменьшение стока при орошении зачастую сопровождается повышением уровней грунтовых вод, а иногда и небольшим увеличением подземного, т. е. меженного стока при одновременном уменьшении общего стока. Осушение больших площадей плавней, занятых тростниками и- камышами в дельте р. Амударьи, привело к резкому снижению испарения с их поверхности. Поэтому, несмотря на значительное изъятие стока для орошения, все же до 60-х годов не наблюдалось уменьшение годового стока этой реки.

Значительное влияние на режим стока в засушливой и полузасушливой зонах оказывают агротехнические мероприятия. Влага в этих зонах является главным и решающим фактором урожая. Агротехника здесь направлена в первую очередь на сбережение н

85

Э«нЗ

4. Лесные полосы способствуют накоплению влаги в почве н занимаемой ими территории и в межполосном пространстве на рас­ стоянии, равном 20—30-кратной высоте деревьев. В среднем в ■степной зоне при 5%-ном облесении (5% лесных полос) поверхно­ стный сток снижается на 30%.

Изменение стока во времени происходит ежедневно, от месяца к месяцу, от года к году. Причем эти колебания стока резче прояв­ ляются -в засушливой зоне и в меньшей мере в зоне избыточного увлажнения. Величины стока по годам синхронно изменяются с изменением метеорологических условий. На Юго-Востоке СССР

колебания весеннего стока по годам составляют от нуля в годы с засушливой осенью до 120 мм и больше после дождливой осени, многоснежной зимы при интенсивном снеготаянии. В горных райо­ нах сток летом зависит от температуры воздуха в горах. В ливне-

•опасных районах ежегодный сток в первую очередь связан с сум­ мами дождевых осадков и т. д.

25. Карты изолиний норм стока

Построение карты изолиний стока. Как было указано, климати­ ческие факторы (осадки и испарение) подчиняются закону шпрот­ иной зональности, т. е. они постепенно изменяются по территории. Поэтому сток, который зависит от этих величин, тоже подчиняется закону географической зональности. В горных же районах, где с высотой возрастает сумма осадков и уменьшается испарение, сток подчиняется закону высотной зональности: увеличивается с повы­ шением местности.

Исходя из этого впервые в 1927 г. Д. И. Кочернн составил карту изолиний норм стока для Европейской территории СССР. Затем эта карта была уточнена Б. Д. Зайковым. В 1962 г. карту стока уточнил К. П. Воскресенский. Ниже изложена методика составле­ ния этой карты.

На гидрографическую карту наносят все имеющиеся данные о ■стоке по каждому речному бассейну. Норму стока записывают не в пункте ее измерения, а в центре всего водосбора. Этим подчерки­ вается, что сток является средней величиной, отнесенной ко всему

•бассейну, а не к пункту его измерения. После нанесения на карту всех имеющихся данных проводят линии равных величин стока, или изолинии стока. Их вычерчивают точно так же, как и горизонтали. На рис. 49 приведена карта изолиний годового стока рек СССР.

Распределение норм стока на территории СССР. Слой стока уменьшается с севера на юг и с запада на восток, так как в этом направлении снижается увлажненность территории и повышается континентальность климата. Слой стока падает от 310—380 мм в ■бассейне р. Северной Двины и на Кольском полуострове до 15 мм и ниже в Прикаспийской низменности. На Хибинской возвышен­ ности Кольского полуострова и на Северном Урале средний годо­ вой сток достигает 600—900 мм, а на юго-западном склоне Кавка­ з а — 2000 мм и больше.

S8

Изолинии стока имеют меридиональное направление вдоль Вер­ хоянского горного хребта в Восточной Сибири и Приморском Крае. Резкое возрастание стока с увеличением высоты отмечается также- в горных районах Карпат, Средней Азии, Алтая и Саян. Зональные карты составлены для Поволжья, Украины, Средней Азии и т. д.

26. Изменчивость величин стока

При определении нормы стока возможны два случая: 1) имеют­ ся данные многолетних наблюдений; 2) данных наблюдений малоили их вообще нет.

1. При наличии многолетних наблюдений норма стока рассчиты­ вается как среднеарифметическая из всех наблюденных величин по формулам (42) — (44). Этот расчет одинаково применим каю для годового стока, так и для отдельных фаз режима.

Возникает вопрос: какова должна быть величина п, т. е. про­ должительность наблюдений, чтобы определить среднюю многолет­ нюю величину, или норму, с заданной точностью? Очевидно, чем. длиннее ряд наблюдений, тем точнее средняя многолетняя величина. При одинаковой продолжительности точность определения средней, многолетней зависит от изменчивости величин каждого ряда. Рас­ смотрим для примера ряды одновременных наблюдений по двум рекам, протекающим в различных природных зонах СССР. Годо­ вые модули стока р. Тихвинки у с. Горелухи за 1911—1964 гг. на­ ходятся в пределах 6,6—13,2 л/(с ■км2). Изменчивость стока неве­ лика: в самом многоводном году сток в 2,0 раза больше, чем в- самом маловодном. На Юго-Востоке СССР сток р. Малый Узень у с. Малоузенска колеблется в огромных пределах: от 0,04 до 3,05 л/ (с • км2) (или в 76 раз). Естественно, что для получения нормы стока с одинаковой точностью на реках засушливой зоны. требуется значительно больший ряд наблюдений, чем на реках зоны устойчивого и избыточного увлажнения.

Наиболее устойчив и мало изменчив сток Невы, Ангары и дру­ гих рек озерного питания. В этом случае нужен небольшой ряд. наблюдений для получения нормы стока с высокой точностью.

Мерой изменчивости величин исследуемого ряда служит среднее квадратическое отклонение. Имеется ряд наблюденных величин стока у 1, у2 , уз, . •., у п, за п лет и средняя многолетняя величина, этого ряда у. Отклонение каждого члена ряда от среднего его зна­

изменчивости ряда или среднего отклонения нельзя воспользовать­ ся разностью наблюденных и средних величин. В статистике при­ меняют не разность отклонений, а квадрат разности этих величин,, так как при возведении во вторую степень как положительные,, так и отрицательные отклонения всегда дают положительную ве­

89*

личину. Вместо величины 2 (г/г — у), всегда равной нулю, прини­

Среднее квадратическое отклонение получается всегда в абсо­ лютных величинах. Так, если оно рассчитано для многолетнего ряда годовых величин стока, выраженных в л/(с • км2), то и сред­ нее квадратическое отклонение получается в л/(с-км 2). Для воз­ можности сравнения отдельных рядов необходимо среднее квадра­ тическое отклонение вычислить не в абсолютных величинах, а в

УУ

Если у подвести под радикал, то формула примет следующий

вид:

уу (53)

В формуле (46) —U— (отношение наблюденной величины к

средней) названо модульным коэффициентом.

Обозначив — = k, формулу (53) можно переписать так:

у

При числе членов ряда я<(30 в формулах (49) и (54) вместо

90