
книги из ГПНТБ / Аполлов, Б. А. Курс гидрологических прогнозов учебник
.pdfпо кривой расходов для открытого русла, а то— время добегания на участке тоже для открытого русла, то получим величины за паса воды в русле, завышенные примерно на 25%.
§ 8. ПРОГНОЗЫ СТОКА ЗА ПЕРВЫЙ, ТРЕТИЙ И ЧЕТВЕРТЫЙ КВАРТАЛ
Сток рек Советского Союза за второй квартал является в ос новном стоком за период половодья. На реках, стекающих с до статочно высоких гор, половодье захватывает также почти весь тре тий квартал.
Для большинства рек сток за первый квартал является зим
ним, за |
третий — летним и |
за четвертый — осенне-зимним. |
Рас |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
смотрим коротко |
методи |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
ку прогнозов стока за эти |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
три квартала. |
|
методов |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Разработка |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
прогнозов стока за квар |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
тал сводится к установ |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
лению приближенных фи |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
зико-статистических зави |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
симостей |
величины |
этого |
||||
|
|
|
|
|
|
|
стока |
от |
определяющих |
||||
|
|
|
|
|
|
|
его факторов. Необходи |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
мо, чтобы при этом |
мак |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
симально |
использовались |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
возможности |
по |
прогноза |
||||
о |
|
|
|
|
|
|
этого |
стока |
данным, |
||||
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,0 Wini/iKM |
характеризующим |
уже |
|||||||
Рис. 62. Зависимость расхода воды р. Вятки |
сложившиеся гидрометео |
||||||||||||
рологические |
условия в |
||||||||||||
у с. Вятские Поляны за третий квартал от |
|||||||||||||
запаса |
воды в речной |
сети на |
30 июня |
и |
бассейне. |
воды |
в русло |
||||||
модульного коэффициента количества осад |
Запас |
||||||||||||
|
ков |
за |
третий |
квартал. |
|
|
вой сети |
перед |
началом |
||||
зателем |
стока |
подземных вод за |
|
квартала |
является |
пока |
|||||||
квартал |
в большей |
степени, |
чем за месяц. Это объясняется тем, что запасы русловых вод исто
щаются в общем быстро, |
обычно не дольше чем за 20—25 дней, |
|||
и то |
при |
условии, что |
бассейн |
реки превосходит примерно |
100 000 |
км2. |
Как отмечалось выше, |
русловой запас воды, если на |
реке наблюдается паводок, имеет дождевую составляющую. Бу дущий подземный сток почти не связан с этой частью руслового запаса. Поэтому при вычислении запаса воды перед началом квар тала эту составляющую стремятся выделить. Иногда в таких слу чаях за показатель подземного стока за квартал лучше прини мать не запас воды в русловой сети, а минимальные модули стока по притокам за месяц, предшествующий интересующему нас кварталу.
Количество осадков, влияющих на величину дождевой состав ляющей стока за квартал, вычисляется всегда более приближенно,
170
чем при установлении зависимостей для прогнозов стока за ме сяц. Обычно берутся осадки за девять декад, считая с декады, предшествующей началу квартала. При разработке методов прог нозов стока за четвертый квартал осадки принимаются только до даты окончательного установления снежного покрова.
Наибольшие возможности для прогноза квартального стока имеются по тем рекам и за те кварталы, когда дождевой сток невелик. Если этот сток значителен, то разработка метода услож няется, так как приходится учитывать влияние дождей на квар тальный сток, а главное, значительно снижается точность самих прогнозов.
Приведем несколько примеров зависимостей, с помощью кото рых составляются прогнозы квартального стока.
Qfii-xnм3/ с
Qvn-ixM3/c
Рис. 63. Зависимость притока |
воды |
|
в водохранилище |
Красноярской |
ГЭС |
за июль—сентябрь (а), июль—де |
||
кабрь (б) и за |
июль—март (в) от |
|
русловых запасов |
воды на 30 июня. |
|
Для прогнозов стока р. Туры у г. Туринска за январь—март |
||
получено уравнение регрессии Qi-m = 0,56Qxii+2 |
и для прогнозов |
притока воды в Сырдарью на участке от Кайраккумского водохра
нилища |
до Чардаринского Qi-iii = 0,95QXii + 20, где Q — расходы |
|||
воды, а |
индексы |
обозначают |
период осреднения. |
Для р. Оби |
у г. Новосибирска |
и р. Енисея |
у г. Красноярска |
коэффициенты |
корреляции между стоком за первый квартал и за декабрь пред шествующего года составляют 0,80—0,90.
На рис. 62 представлена зависимость расхода воды р. Вятки у с. Вятские Поляны за третий квартал от запаса воды в русловой сети на 30 июня и модульного коэффициента количества осадков за этот же квартал. Для р. Урала у г. Оренбурга получено урав нение регрессии Q v i i - i x = 0,40Qu_20/vi + 4.
Для р. Енисея в створе Саяно-Шушенской ГЭС установлена зависимость Q x - x i i = 0,33Q1_25/ix +100, которая имеет высокую
171
точность и вполне пригодна для составления прогнозов стока на четвертый квартал. На рис. 63 представлены зависимости, которые можно использовать для составления еще 30 июня прогнозов при тока воды в водохранилище Красноярской ГЭС на Енисее за июль—сентябрь, июль—декабрь и июль текущего—март следую щего года. Отметим, что коэффициенты корреляции между прито ком воды в водохранилища Новосибирской и Красноярской ГЭС за 1 октября текущего — 31 марта следующего года и притоком за сентябрь текущего года составляют около 0,90.
Долгосрочные прогнозы квартального притока воды в водохра нилища ГЭС представляют очень большой интерес для гидроэнер гетики в связи с необходимостью планирования выработки элек троэнергии.
Глава VII
ДОЛГОСРОЧНЫЕ ПРОГНОЗЫ ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ РАВНИННЫХ РЕК
С наступлением зимы водный баланс бассейнов наших равнин ных рек, как, впрочем, и горных, резко меняется. Пока обратим внимание лишь на то, что зимой на поверхности бассейнов накап ливаются большие запасы воды в виде снега. При отсутствии силь ных оттепелей эти запасы ненамного меньше количества твердых осадков за всю зиму, так как испарение с поверхности снега не превышает в сумме 20—30 мм.
Накопление снега длится обычно несколько месяцев, а его таяипе весной — в среднем 4—6 дней в южной части территории
СССР и 20—35 дней в хвойных лесах на севере. При этом одно временное снеготаяние происходит на огромной площади, часто превышающей 1 млн. км2. За время таяния на поверхность бассей нов поступает много — нередко очень много — талой воды: на юге в среднем 30—40 мм и в отдельные годы до 80—100 мм, на севере соответственно 100—150 мм и 200—250 мм. К этому добавляются дожди, выпадающие на тающий снежный покров. Хотя в среднем они дают не так много— 10—20 мм, но зато в отдельные годы до 60—80 мм и даже несколько больше.
Если учесть, что почва перед началом снеготаяния, как правило, бывает мерзлой и вследствие этого в общем слабо водопроницае мой, исключая отдельные годы, то нетрудно представить, почему весной на равнинных реках ежегодно наблюдается половодье.
На небольших и средних по размеру реках половодье продол жается относительно короткое время: 10—15 дней, когда бассейн практически безлесный, и 25—40 дней, когда в значительной сте пени покрыт лесом. На больших реках половодье продолжается
172
значительно дольше, так как только добеганне талых вод от вер
ховьев длится 20—30 дней. Если такая река течет с севера на |
юг |
и снег в верхней части. бассейна сходит заметно позднее, |
чем |
в ннжней, то продолжительность половодья становится еще больше. Однако и в этих случаях половодье все же обычно длится не более двух-трех месяцев, т. е. составляет не более !Д—‘/е продолжитель ности годового гидрологического цикла.
За начало половодья принимается первый день достаточно интенсивного повышения водности реки, за которым непосредст венно следует развитие половодья; окончание относят к одному из дней периода перехода от еще достаточно интенсивного умень шения расходов воды к совсем слабому. Этот период обычно бы-
Qm3/c Qi м3/с
Рис. 64. Гидрографы рек с отмеченными на них датами начала и окон чания половодья.
/ — |
р. Сосиа— г. |
Елец, площ адь |
бассейна |
16 3,00 |
км 3, 1963 г.; |
2 — р. |
Ю г— |
п гг |
Подоспновец, |
площ адь бассейна |
і-5 200 км 3, |
1955 |
г.; 3 — типовая |
кривая |
спада. |
вает непродолжительным и характеризуется в общем небольшими расходами воды. Иногда, чтобы установить время окончания поло водья и при этом случайно не включить в объем стока за период половодья дождевой паводок, сформировавшийся явно позднее полного исчезновения снега в бассейне и, следовательно, в других условиях, прибегают к экстраполяции хода расходов воды с мо мента начала паводка, используя для этого типовую кривую спада половодья (рис. 64). Этот же график иллюстрирует положение гра ниц половодья на гидрографе. Величина стока за период полово дья, выраженная в миллиметрах слоя воды на площади бассейна, равна
8 6 4 0 0 _ у 0 . = А Ѵ л |
О-VII) |
У f . юз juj Vi ь |
И f.
173
где ti и t%— соответственно даты начала и окончания половодья; F — площадь бассейна в км2; k — коэффициент, значение которого для данного бассейна постоянно.
Несмотря на отмеченную относительно небольшую продолжи
тельность половодья, сток за |
время |
его прохождения составляет |
в среднем 50—70% годового, |
а на |
реках зоны недостаточного |
увлажнения (Заволжье, Казахстан и др.) — до 90—95%. Во время половодья уровень воды повышается обычно на несколько метров, а на ряде рек даже больше чем на 10 м и, как правило, является самым высоким за весь год. Еще отметим, что во время половодья происходит вскрытие рек, иногда сопровождающееся мощными за торами льда (см. гл. XIII), отмечаются значительные деформации русла и перенос речным потоком большого количества взвешенных наносов.
Весеннее половодье — самая характерная и очень важная с точки зрения хозяйственного использования водных ресурсов страны особенность режима равнинных рек СССР. А. И. Воейков, выдаю щийся климатолог и географ конца прошлого — начала нашего века, писал: «Нигде явление снежного покрова так не велико, как в России, так как нигде нет равнины настолько обширной, отда ленной от морей, покрытой снегом зимой... Мы слишком привыкли к половодью своих рек, чтобы оценить его значение, а это, несом ненно, явление величественное по своим размерам, по своей пра вильности и влиянию на народную жизнь». Широкое использование водных ресурсов в народном хозяйстве, естественно, обусловли вает повышенный интерес к изучению и, главное, к прогнозам половодья.
В различных географических зонах и районах СССР средине для всех лет условия формирования половодья, конечно, неодина ковы. Этому вопросу будет уделено внимание ниже. Но с точки
зрения гидрологических прогнозов значительно важнее то, |
что |
в любом бассейне условия сильно меняются от года к году. |
Кос |
венной характеристикой значительности этих изменений может счи таться хотя бы амплитуда колебаний от весны к весне максималь ного уровня воды за период половодья. По данным многолетних водомерных наблюдений она на очень многих реках составляет
4—6 м, а в верхнем течении Дона, на участке |
Оки от г. Белёва |
до г. Каширы, на Урале у г. Оренбурга и на |
ряде других рек — |
9—12 м; на Подкаменной и Нижней Тунгусках амплитуда дости гает даже 15 м. К этой характеристике можно добавить, что при ток воды в водохранилища крупных ГЭС на Волге, Каме, Днепре и других реках весной сильно колеблется по годам и наибольший приток превосходит наименьший в несколько раз. Понятно, какой большой практический интерес представляет долгосрочный прог ноз величины этого притока в каждое водохранилище.
В отдельные годы снег на равнине тает очень бурно. Если при этом снежный покров бывает мощным, а мерзлая почва весьма слабо водопроницаемой и если к тому же выпадают дожди, то вес ной реки сильно разливаются. Во время половодья не раз наблю
174
дались значительные наводнения. Приведем несколько при меров.
Весной 1908 г. исключительное по своим размерам половодье охватило огромную территорию в центре Европейской России. Особенно высоким оно было в бассейнах верхнего течения Дона и Днепра; половодье носило характер стихийного бедствия, причи нившего очень большие убытки, и сопровождалось человеческими жертвами. Исключительно высокое половодье сформировалось весной 1931 г. на Днепре ниже впадения Десны, когда к Киеву в одно время подошли «пики» половодья с Верхнего Днепра, При пяти и Десны. По оценке методами математической статистики, повторяемость столь высокого половодья значительно меньше чем 1 раз в 100 лет. Весной 1966 г. в общем небывало сильно разли лись реки Северо-Запада Европейской территории — Волхов, Шелонь, Мета, Ловать и др. Вешними водами подтапливался целый ряд прибрежных населенных пунктов, в том числе городов. Отме тим, что в долгосрочном прогнозе, выпущенном Гидрометеороло гической службой еще за 30—40 дней до прохождения максимума этого половодья, четко было указано, что уровни рек будут исклю чительно высокими. Такое предупреждение позволило заранее осу ществить ряд мер по защите от наводнения населенных пунктов, предприятий и сооружений, в том числе мостов, и тем самым су щественно уменьшить материальный ущерб от наводнения. Нако нец, упомянем о наводнении 1970 г. в верховьях Оки, Сейма, Дона
идругих рек этого района, когда сильному затоплению подверг лись многие населенные пункты, в том числе города Орел, Калуга
иКурск (рис. 65).
Уже из сказанного видно, какое большое практическое значе ние имели и имеют прогнозы половодья. Конечно, в настоящее время их значение еще более увеличилось в связи с созданием на реках водохранилищ, мостов и водозаборов, а также систем боль ших водохранилищ, крупных ГЭС, работающих в единой энерге тической системе. Понятно, что научно обоснованный прогноз по ловодья позволяет значительно эффективнее использовать водо хранилища, в частности правильнее регулировать с их помощью сток и заблаговременно принять меры по защите сооружений и населенных пунктов.
Вопрос о необходимости безотлагательно приступить к разра ботке методов прогнозов половодья был поставлен А. И. Воейко вым еще в начале 1900-х годов. Но первый метод был создан лишь после Великой Октябрьской революции, в начале 20-х годов. Ме тод был разработан В. Н. Лебедевым, одним из крупных советских гидрологов, и явился значительным вкладом в молодую в то время гидрологическую науку. Однако все же отметим, что в нем рас сматривалась только высота половодья, а при оценке условий фор мирования половодья использовалась лишь приближенная балло вая характеристика некоторых факторов половодья. В конце 20-х —
в |
начале 30-х годов был выполнен |
ряд исследований, приведших |
к |
установлению прогностических |
корреляционных зависимостей |
175
Рис. 65, Наводнение на р. Оке в середине апреля 1970 г. (г. Калуга].
наивысшего уровня половодья от высоты снежного покрова, коли чества твердых осадков за зиму, различных показателей степени зимнего промерзания и осеннего увлажнения почвы и т. п. (работы О. Т. Машкевич, А. В. Огиевского, О. А. Спенглера и др.). В даль нейшем в исследованиях, имевших целью получение методов прог нозов, все больше и больше используется анализ составляющих водного баланса бассейна за время половодья. Этому способство вало не только развитие гидрологии, в частности раскрытие воз можностей метода водного баланса, но и накопление материалов наблюдений станций за речным стоком, снежным покровом, про мерзанием почвы и другими факторами половодья.
В настоящее время основными долгосрочными прогнозами по ловодья являются прогнозы общей величины стока за время его прохождения, максимального расхода и уровня воды и срока его наступления, а также прогнозы стока за период спада половодья. Гидрометеорологическая служба обеспечивает этими прогнозами все отрасли народного хозяйства. Большой интерес представляют также прогнозы распределения во времени (по декадам и месяцам) весеннего стока; они нужны прежде всего для осуществления наи более эффективного регулирования стока больших рек, например регулирования стока в бассейне Волги с помощью Волжско-Кам ского каскада водохранилищ. Однако разработка методов таких прогнозов, если требуется, чтобы они имели большую заблаговре менность, представляет особые трудности. Действительно, в этом случае речь идет, по существу, о долгосрочном прогнозе срока начала и хода снеготаяния в бассейне данной большой реки.
В настоящее время методической основой долгосрочных прог нозов стока за период половодья служат эмпирически устанавли ваемые для каждой реки воднобалансовые зависимости весеннего ■стока от запаса воды в снежном покрове перед началом снеготая ния, последующих осадков и характеристик водопоглотительной способности бассейна в конце зимы. Для нахождения такой зави симости нужно располагать по данному бассейну материалами со ответствующих гидрологических и метеорологических наблюдений не менее чем за 18—20 лет. Прежде чем рассматривать эти зави симости с учетом особенностей формирования половодья в различ ных физико-географических зонах и районах территории СССР, необходимо обратиться к уравнению водного баланса бассейна за периоды снеготаяния и половодья, оценке каждой составляющей баланса, а также к анализу наиболее важных сторон п характе ристик процесса поглощения талой воды речным бассейном.
§ 1. УРАВНЕНИЯ ВОДНОГО БАЛАНСА БАССЕЙНА ЗА ПЕРИОД НАЧАЛО СНЕГОТАЯНИЯ—ОКОНЧАНИЕ ПОЛОВОДЬЯ И ЗА ПЕРИОД СНЕГОТАЯНИЯ
Уравнение водного баланса бассейна за период начало снего таяния— окончание половодья сперва запишем в виде:
У т + У д = S + X l + X . , - E z - E n ± АW a ± Аw m - Упз, |
(2.VII) |
12 Зак. № 708 |
177 |
где г/т — поверхностный сток талых вод и от дождей (л'і), выпав ших на тающий смежный покров; і/д— поверхностный сток от до
ждей (х'г), выпавших на участки |
бассейна, освободившиеся |
от |
|
снега; s — запас воды в снежном покрове (и в ледяной |
корке |
на |
|
поверхности почвы) перед началом |
снеготаяния; Е й — |
испарение |
с поверхности снежного покрова за время снеготаяния; Е п— испа рение с поверхности почвы и транспирация (суммарное испаре ние); Д1РП— изменение запаса воды во всей зоне аэрации, включая почву, знак минус перед Е\Ѵа означает увеличение этого запаса,
плюс — уменьшение; |
— изменение запаса |
воды в водоносных |
горизонтах (изменение запаса подземных вод), |
знак минус и плюс |
|
перед ДІГ/пз имеют тот же |
смысл, что и перед ДІІРП; Ут — подзем |
|
ный сток. |
|
|
Уравнение (2.ѴІІ) относится и к периоду половодья, когда его начало совпадает с началом снеготаяния. Но то же самое в общем можем сказать и в отношении лет, когда эти сроки заметно расхо дятся, потому что сток за время начало снеготаяния — начало по ловодья совсем мал по сравнению с другими составляющими вод ного баланса в уравнении (2.ѴІІ).
Уравнение (2.ѴІІ) выражает водный баланс приближенно. Однако неучтенные в нем составляющие баланса, к которым отно сятся испарение с водной поверхности, изменение запаса воды в руслах рек и озерах и некоторые другие, обычно незначительны относительно учтенных. Следовательно, эта неполнота уравнения не имеет существенного значения. Отметим также, что уравнение справедливо для бассейнов, в которых наземный и подземный во доразделы практически совпадают; это, как известно, бывает почти всегда, исключая бассейны малых рек.
В записанном виде рассматриваемое уравнение ие вполне удобно для выяснения того, какие из факторов, влияющих на сток талых вод, следует считать основными. Поэтому запишем уравне ние в другом виде. Но перед этим обратим внимание па следующее обстоятельство.
Испарение с поверхности почвы и тем более транспирация, ко торая нередко начинается раньше окончания половодья в замы кающем створе, происходят в основном за счет воды, находящейся ниже поверхности почвы. Теперь допустим, что вся эта вода если и могла бы попасть в реку, то лишь после принимаемого времени
окончания половодья. Тогда сумма (£n±AWn±AW'n3+f/пз) может рассматриваться как величина инфильтрации талых и дождевых вод, обозначенных в уравнении (2.VII) через s, хі и хг (здесь знак плюс перед E W уже означает увеличение запаса воды). Рассуждая таким образом, мы, очевидно, считаем, что вода, находящаяся ко времени завершения снеготаяния в различного рода бессточных углублениях и, в основной своей массе очень быстро впитывается почвой и поэтому как бы входит в величину инфильтрации. Как увидим несколько ниже, такое рассуждение справедливо в отно шении многих, но не всех бассейнов.
178
Теперь уравнение (2.VII) можем записать в виде |
|
)'т“ЬУд==54 'Л'і_Г-д::2 — Е с Л |
(3.VI1) |
где / — инфильтрация талых и дождевых вод.
Если же вместо периода половодья будем рассматривать период снеготаяния, то придем к уравнению
y; = s + Л! - £ с- / т- Ц- ( \ѴР - W'p), |
(4.VI1) |
где у ' — поверхностный сток в замыкающем створе с начала поло
водья |
до дня завершения снеготаяния; |
/ т — инфильтрация |
за |
время |
снеготаяния; и и \ѴР— количество |
воды соответственно |
на |
поверхности бассейна и в русловой сети при завершении снеготая
ния; W ' — количество воды |
в русловой сети |
в момент |
окончания |
половодья (остальные обозначения прежние). |
Понятно, |
что (у'т+ |
|
+ WP— W'p) ~ у т и, следовательно, |
|
|
|
Ут=5+л:] — Ес — І т— и. |
|
(5.VII) |
|
Условия формирования |
весеннего стока, |
когда справедливы |
|
уравнения водного баланса |
(З.ѴІІ) — (5.ѴІІ), |
характерны для зна |
чительной территории СССР, относящейся к сухостепной, степной зонам и почти всей лесостепной зоне. В этих зонах для бассейнов, где преобладает в общем расчлененный рельеф и более или менее развита сеть оврагов, балок и логов, величина и не превышает нескольких миллиметров. Ясно, что для таких бассейнов действи тельно можно считать, что в бессточных углублениях вода цели ком впитывается почвой практически уже во время завершения снеготаяния. Тогда
(6.ѴІІ)
где / ' = І т+ и.
Хотя таких бассейнов большинство, все же надо отметить, что в этих зонах имеются районы, где величина и значительна. К ним прежде всего относятся крайний юг Заволжья и Северный Казах стан. Здесь преобладает слаборасчлененный рельеф и имеется много бессточных углублений. Среди последних немало значитель ных, в которых талая вода сохраняется после исчезновения снега длительное время.
Наполнение водой бессточных углублений, выражаемое величи ной и, как мы уже знаем, называется поверхностным задер жанием.
В отношении величины испарения с поверхности снежного по крова, входящей в уравнения (2.ѴІІ) — (6.VII), отметим лишь, что она весьма невелика, обычно не превышает 7—10 мм. Сразу ска жем, что эта оценка величины испарения относится и к лесной зоне.
Итак, основываясь на изложенном и уравнении водного ба ланса (5.VII), приходим к выводу, что в сухостепной, степной и
12* |
179 |