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

по 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

чем за месяц. Это объясняется тем, что запасы русловых вод исто­

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

притока воды в Сырдарью на участке от Кайраккумского водохра­

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

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.

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

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

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

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

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 —

175

где г/т — поверхностный сток талых вод и от дождей (л'і), выпав­ ших на тающий смежный покров; і/д— поверхностный сток от до­

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,

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

где / — инфильтрация талых и дождевых вод.

Если же вместо периода половодья будем рассматривать период снеготаяния, то придем к уравнению

где у ' — поверхностный сток в замыкающем створе с начала поло­

поверхности бассейна и в русловой сети при завершении снеготая­

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