книги из ГПНТБ / Аполлов, Б. А. Курс гидрологических прогнозов учебник

подлежащие учету, так как они уже отразились на величине Qn; осадки, тоже выпавшие до этого срока, но которые надо учитывать; наконец, осадки, выпадающие после составления прогноза и дающие часть стока Q n+зо. Промежутки времени, за которые надо брать каждое из двух последних количеств осадков, меняются в зависи­ мости от заблаговременности прогноза стока и срока, на который дается прогноз (например, на месяц). Заметим, что при выявлении зависимости Qn+3o = f(Qn, 2 * ) п0 Данным наблюдений за прошлые годы осадки за последний промежуток времени всегда берутся фактические.

Вернемся к рассматривавшемуся ранее примеру вычисления осадков, с которыми генетически связан сток в замыкающем створе за месяц. Это позволит яснее представить себе способ выделения трех только что упоминавшихся частей этих осадков.

Задано, что прогноз стока за август должен выпускаться 21 июля и величина Qn — средний расход воды за 11—20 июля; номер этой декады ( і — 1 )— см. выше. В табл. 11 величины осадков, выпадающих на каждую межизохронную площадь после выпуска прогноза и дающих сток в августе, подчеркнуты штриховой ли­ нией. При выделении их учитывалось лишь принимавшееся выше

сти Qn+3o = f(Qn, 2]-ѵ')- Вопрос, какие из остальных величин осадков нашли отражение в величине Qn и какие нет, решается путем та­ кого простого расчета. Возьмем, например, вторую строку для пло­ щади fi,2- Третье слагаемое — это часть осадков, выпавших на межизохронную площадь f1,2 в ( і — 1)-ю декаду и дающих приток воды в речную сеть в (£+1)-ю декаду, т. е. 1—10/VIII. Хотя эти осадки начали давать приток в (/— 1)-ю декаду, т. е. 11—20/ѴІІІ, что видно по индексу при ср, этот приток еще не нашел отражения в величине Qn (за 11—20/ѴІІ). Это следует из того, что добегаиие воды по руслам от межизохронной площади составляет одну де­ каду. Значит, осадки, выраженные третьим слагаемым, относятся к тем, которые выпали к моменту составления прогноза, не учтены величиной Q и подлежат включению в величину Аналогичный расчет в отношении четвертого слагаемого показывает, что оно

включению в величину В табл. 11 количества осадков, кото­ рые выпали к моменту составления прогноза и которые должны быть включены в величину подчеркнуты сплошной чертой, а те, которые тоже выпали до срока составления прогноза, но не должны включаться в 2 Л'>— не подчеркнуты.

На рис. 54 приведена зависимость стока Днепра у г. Верхнеднепровска за июль от величины его стока за третью декаду июня и от количества осадков, подсчитанных по только что изло­ женному способу. Зависимость достаточно точная. Можно пола­ гать, что величиной стока в конце июня косвенно учитываются и

160

потери дождевых вод на инфильтрацию. График зависимости вполне соответствует ее общему виду (см. рис. 49).

На рис. 55 дана зависимость дождевой составляющей стока

запас определялся по данным измерений влажности почвы на станциях на сельскохозяйственных полях. Дождевая составляю­ щая стока была вычислена способом, описанным в § 2 этой главы. Прогноз стока Оки на июль составляется в следующем порядке.

Рмс. 54. Зависимость стока Днепра у г. Верхнеднепровска за июль от его стока за третью декаду июня и количества осадков (числа у линии).

По величине расхода Оки у с. Нижний Избылец, наблюдавше­ гося 20 июня, находится по способу, описанному тоже в § 2, гаран­ тированная величина стока Оки за июль. Затем к ней прибавля­ ется дождевой сток, определенный с помощью зависимости на рис. 55. Осадки, выпадающие после срока выпуска прогноза, по влияющие на сток за июль, берутся равными их средним многолет­ ним величинам или по долгосрочному прогнозу погоды.

На рис. 56 показана зависимость стока Оки у г. Мурома (пло­ щадь бассейна 188 000 км2) за сентябрь от ее стока за август и от количества осадков в бассейне с 15 августа по 15 сентября. Среднее значение времени добегания воды по руслам от самых верховьев Оки до створа у Мурома равно 15 дням. По точности эта зависимость уступает двум предыдущим, что объясняется глав­ ным образом приближенностью подсчета количества осадков, с ко­ торыми генетически связан сток Оки у Мурома.

В рассмотренных зависимостях вместо Qn, конечно, можно,

идаже во многих случаях это будет лучше, учитывать запас воды

врусловой сети W n-

Зависимости, аналогичные приведенным на рис. 56, строятся отдельно для каждого месяца летне-осеннего периода. Это позво-

ляет частично учесть те особенности потерь дождевых вод в раз­ ные месяцы, которые обусловлены сменой фаз развития растений п другими факторами, влияние которых закономерно меняется на протяжении теплой половины года.

162

/ж

'' < 9 2 V — 158

200

Х б 2

100

2 10 300 900 500 600 700 800 й ѣ м3/ с

Рассмотренные в этом параграфе способы прогноза месячного стока более применимы для больших и довольно больших рек с площадью бассейна не меньше нескольких десятков тысяч квад­ ратных километров. Для небольших рек дождевая составляющая месячного стока почти целиком зависит от осадков, выпадающих

Qx м3/°

Рис. 57. Зависимость расхода воды р. Днепра у г. Речпца за октябрь от запаса воды в речной сети 25 сен­ тября ( ^ 2 5 іх> выражен в виде среднего месячного

расхода воды) и относительной величины показателя запаса продуктивной влаги в слое почвы 0—100 см на конец третьей декады сентября (числа у точек и лішпі’і).

после составления прогноза. Это же можно сказать и о стоке гор­ ных рек, когда выпадает много дождей.

Для больших рек достаточную точность иногда имеет зависи­ мость месячного стока от запаса воды в русловой сети и влажности почвы перед началом месяца. Наличие такой зависимости может быть объяснено, во-первых, тем, что в этом случае не очень зна­ чительны колебания от года к году количества осадков, с которыми

164

генетически связана величина этого стока, и, во-вторых, сильным влиянием влажности почвы на потери дождевых вод на инфильтра­ цию. Необходимо отметить, что поскольку прослеживается связь также между запасами воды в русловой сети и в почве, то на прак­ тике отыскивается не зависимость Qn-t-3o = f(Wn, №почв), где №почв'—запас влаги в почве перед началом месяца, а зависимость

Qn+3o= f (\Ѵп , WWib/WWib) , где 117почв — средняя величина запаса влаги в почве при данном значении \Ѵп, определяемая по предва­ рительно построенному графику связи \Va04B= f ( W n) . На рис. 57 приведен пример такой зависимости.

§ 5. О ПРОГНОЗЕ ЛЕТНЕГО И ОСЕННЕГО СТОКА ПО ДАННЫМ ОБ УРОВНЯХ ГРУНТОВЫХ ВОД

Как отмечалось в § 1 этой главы, приток всех подземных вод в русловую сеть бассейна приближенно зависит от запаса грунто­ вых вод. Показателем этого запаса является высота уровня грун­ товых вод вне зоны подпора от рек. Исследования показали, что часто колебания уровня грунтовых вод носят одинаковый характер на обширных климатически однородных территориях. Например, наблюдается тесная связь между колебаниями уровня грунтовых вод на станции Каменная Степь (бассейн Дона, район г. Воро­ нежа) и на станции Мелекесс (Заволжье). Следовательно, данные наблюдений за уровнем грунтовых вод в одном бассейне часто мо­ жно использовать как показатель колебаний запасов грунтовых вод в других бассейнах.

Долгосрочные прогнозы летнего и осеннего стока только по данным о высоте стояния уровня грунтовых вод имеют достаточ­ ную точность лишь тогда, когда питание рек происходит почти ис­ ключительно за счет подземных вод. Летом и осенью такие периоды наиболее длительны на реках пустынно-степной, степной и лесо­ степной зон. Увеличению возможностей рассматриваемых прогно­ зов на этих реках благоприятствует и то, что запасы грунтовых вод на территории этих зон существенно пополняются только весной. Летом же и осенью наблюдается плавное и закономерное пониже­ ние уровня грунтовых вод главным образом вследствие расходова­ ния их на питание рек. Этот процесс истощения грунтовых вод, как отмечалось, неплохо описывается уравнением (З.ѴІ).

Из сказанного следует, что если в подавляющем большинстве лет сток реки за данный месяц, все лето и даже весь летне-осен­ ний период обусловлен почти исключительно подземным питанием, то величина этого стока будет тесно связана с наивысшим уровнем грунтовых вод после схода снега. Примером такого рода связей яв­ ляется график на рис. 58. Более точные зависимости в этих усло­ виях питания реки имеются между ее стоком за определенный ме­ сяц и высотой уровня грунтовых вод перед началом этого месяца (Нг, п). Если же в этом случае прогноз будет учитывать ход уровня грунтовых вод, то тогда надо принимать во внимание и время

165

наступления Т наивысшего уровня, т. е. стремиться получить зави­ симость Qn+30= f ( H rin, Т).

В отдельные месяцы, особенно осенние, на части рек степной и лесостепной зон дождевая составляющая стока иногда бывает достаточно значительна. В этих случаях при разработке метода прогноза стока уровень грунтовых вод мржно использовать в ка­ честве переменной, характеризующей только подземную состав­ ляющую стока. Заметим, что в этих зонах уровень грунтовых вод, залегающих в общем глубоко, не является достаточно хорошим по­ казателем потерь дождевых вод на инфильтрацию.

На реках лесной зоны, наоборот, редки случаи, когда сток за какой-либо определенный месяц в основном определяется запасом грунтовых вод в бассейне перед началом этого месяца. На этих реках сток обычно имеет значительную дождевую составляющую. Но зато на территории лесной зоны высота стояния грунтовых вод,

Рис. 58. Зависимость минималь­ ного среднего месячного рас­ хода воды р. Свиягн у с. Вырыпаевка (площадь бассейна 3600 км2) за летне-осенний пе­ риод от максимального уровня воды весной в колодце № 1 на

ст. Каменная Степь.

как правило, является неплохим показателем, кроме интенсивно­ сти подземного питания, степени увлажнения почво-грунтов, осо­ бенно во всякого рода понижениях поверхности, где, кстати, зна­ чительнее бывает и дождевой сток. Значит, уровень грунтовых вод является здесь и фактором дождевого стока.

Таким образом, для разработки способов прогнозов летнего стока рек лесной зоны данные об уровнях грунтовых вод тоже представляют значительный интерес. К сожалению, многолетних рядов наблюдений за грунтовыми водами по этой территории имеется очень мало.

§ 6. ПРОГНОЗ МИНИМАЛЬНОГО УРОВНЯ РЕК ЗА МЕСЯЦ

Прогнозы минимального уровня реки на протяжении месяца и всего навигационного периода нужны прежде всего по судоходным рекам для планирования работы речного флота и мероприятий по поддержанию судоходных глубин на перекатах. Прогнозы мини­ мального месячного уровня выпускаются обычно 25-го числа пред­ шествующего месяца, а минимального навигационного — в конце половодья или в начале лета.

На реках степной и лесостепной зон минимальный расход воды за месяц летом и осенью формируется преимущественно подзем­

166

ными водами, питающими реку. Запасы их, как отмечалось, исто­ щаются закономерно и плавно. Следовательно, здесь зависимость

Рис. 59. Зависимость минимального уровня воды за октябрь от уровня воды 25 сентября для р. Урала у г. Уральска.

закономерным характер истощения весеннего запаса грунтовых вод и ослабевает связь между величинами притока грунтовых вод в реку за соседние месяцы. А это приводит к снижению точности зависи­

мости # мшіі = /( # мин(і- і)) и зависимостей, аналогичных представ­ ленной на рис. 59.

^MUHСМ

Рис. 60. Зависимость минималь­ ного среднего месячного уровня воды р. Б. Черемшан у г. Ме-

Зависимости, о которых только что говорилось, различаются для данной реки от месяца к месяцу, а для одного и того же ме­ сяца— от реки к реке. Последнее относится и к рекам одной и той же географической зоны. Причин этих различий много: особенно­ сти режима грунтовых вод в различные месяцы, неодинаковое по месяцам расходование грунтовых вод на испарение и транспира­ цию, гидрогеологические особенности бассейнов и др.

167

Достаточно точные зависимости имеются также между мини­ мальным месячным расходом (и уровнем) воды и величиной стока за тот же месяц. Эти зависимости выявляются по наблюденным величинам месячного стока, а проверочные прогнозы по мим со­ ставляются уже на основе предсказанных величин этого стока. За­ висимости эти обычно тоже линейны.

На рис. 60 приведен пример зависимости минимального сред­ него месячного уровня воды реки за июнь—октябрь от максималь­ ного уровня грунтовых вод весной. С минимальным средним ме­ сячным уровнем воды реки тесно связан минимальный уровень за все лето и осень.

Способов прогнозов даты наступления минимального месячного уровня воды пока нет. Можно указать лишь на одну закономер­ ность, которую используют при прогнозах. Заключается она в том, что на ряде рек, особенно на реках южной половины Европейской территории СССР, расходы воды рек летом почти все время пони­ жаются и, следовательно, достигают своего месячного минимума

вконце каждого месяца.

§7. ПРОГНОЗ ЗИМНЕГО СТОКА ЗА МЕСЯЦ

Как уже говорилось, зимой, если нет сильных оттепелей, реки питаются в основном за счет запасов подземных вод. Истощение последних на протяжении зимы происходит тоже закономерно и постепенно. Зимой, в отличие от летне-осеннего периода, запасы грунтовых вод вследствие испарения и транспирации практически не убывают.

Для периода устойчивого зимнего режима реки, начинающегося обычно через 10—20 дней после ледостава, практически несколько лучшей характеристикой колебаний запасов грунтовых вод в бас­ сейне является величина запаса воды в руслах. В течение этого периода имеет место динамическое равновесие между притоком подземных вод в речную сеть и количеством воды в ней. Но как показатель этих запасов широко используются и расходы воды.

Приведем несколько примеров зависимостей прогноза для зим­ него стока рек за месяц. Для прогноза расходов воды р. Вятки

у с. Вятские Поляны за февраль Qu получено уравнение регрессии

ного it его притоков Тубы у с. Бугуртага и Абакана у с. Абаза. Для прогноза расходов воды горной реки Чирчик в створе ГЭС за

декабрь Q x i i подушено уравнение регрессии Qxn = 0,72Q И_20/ХІ+ 12, где ФИ_20/ХІ— расход воды этой реки за вторую декаду ноября.

168

При разработке способов прогноза месячного стока в начале зимы в качестве показателя влагонасыщенности бассейна иногда используется запас влаги в почве. На рис. 61 показана зависимость расхода воды Оки у с. Нижний Избылец за декабрь от запаса про­ дуктивной влаги в почве в слое 0—100 см на 20 ноября и вели­ чины разности расходов воды в этом же створе Оки за вторую и первую декаду ноября. Эта разность косвенно характеризует фазу режима (подъем пли спад) и запас воды в русловой сети.

Если для реки характерны зимние паводки, то прогноз ее стока на месяц вперед практически невозможен. Пока мы не распола­ гаем способами достаточно точного предсказания силы п продол­ жительности оттепелей, а также количества выпадающих при этом жидких осадков.

Рис. 61. Зависимость расхода воды р. Оки у с. Н. Избылец за декабрь от запаса продук­ тивной влаги в почве в слое 0—100 см иа 20 ноября и раз­ ности расходов воды (AQ) за вторую и первую декаду но­

ября.

В заключение остановимся на вычислении запасов воды в рус­ ловой сети бассейна при ледоставе.

При наличии ледяного покрова запас воды на участке реки \Ѵзил можно вычислить по той же формуле, что и для участка от­ крытого русла,

Коэффициент k меньше k\, и их отношение равно в среднем 0,8. Следовательно, если при наличии на реке ледостава будем вы­ числять запас воды иа участке русла по формуле И?ЗІШ= QotOTkp, где Qo— расход воды, вычисленный по зимним уровням реки, но

169