Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

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

.pdf
Скачиваний:
60
Добавлен:
22.10.2023
Размер:
17.78 Mб
Скачать

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

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+

+ WPW'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

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ