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

(21.VII) запаса влаги в этом слое к началу зимы. Данный вывод означает, что н колебания начального запаса влаги в общем не сильно влияют на конечный запас уже через четыре и даже три ме­ сяца. Заметим, что в этих трех зонах колебания запаса влаги в метровом слое почвы на 1 июля и на 1 августа в целом не­ большие.

Из изложенного следует, что при соответствующей продолжи­ тельности расчетного периода приравнивание ежегодной величины начального запаса к его средней многолетней обычно не так уже существенно влияет на точность вычисления запаса влаги к началу зимы. Эта продолжительность меняется по территории, в ча­ стности для лесной зоны она в общем будет больше, чем для степной.

Ошибки вычисления величин суммарного испарения по интер­ валам, например по месяцам, обусловленные неточностью самих способов расчета этого испарения, не накапливаются, если в исход­ ные данные входит запас влаги в почве в начале каждого интер­ вала; эти ошибки компенсируются так же, как и ошибка вели­ чины запаса влаги в начале всего расчетного периода. Естественно, что степень компенсации уменьшается с сокращением промежутка времени между расчетным месяцем и концом всего расчетного пе­ риода. Ясно, что большая ошибка расчета испарения, например за сентябрь, сильно понизит точность расчета конечного запаса влаги в почве по формуле (21.VII).

Если исходить из возможности использования средней много­

71

— Н Е , ) . Но, конечно, расчет по уравнению (21.VII) с учетом хотя

і

бы приближенно определенного начального запаса влаги в слое почвы 0-—100 см дает более точные результаты, чем при принятии

IVпач = IVпач-

Рисунок 74 иллюстрирует повышение репрезентативности пока-

71 71

зателя (21 Хі -— Х Е і) в условиях лесной зоны при увеличении рас-

і1

четного периода. Опыт разработки методов прогнозов весеннего стока показывает, что продолжительность периода вычисления ве-

подстилке, моховом покрове, болотах и т. п.), которое, как отме­ чалось, меняется по годам.

210

Если зимой были сильные оттепели, то, очевидно, уже нельзя считать, что запас влаги в почве, наблюдавшийся перед оконча­ тельным установлением морозов, сохраняется без существенного изменения до начала таяния. В таких случаях в величину (ІѴИач+

ПП

+ У>,-— 21 Е і ) надо вводить поправку i x

впитавшейся в почву во время от­ тепелей. Если оттепель без осад­ ков, то эта поправка выразится величиной

[s'— s"-j-(si.к — s i к)—Уг]. (26.VII)

ды соответственно в снеге и ле­ дяной корке соответственно па начало и на конец оттепели; у т— сток талых вод, вызванный отте­ пелью (очень часто он бывает пренебрежимо мал).

Зимние оттепели, увеличиваю­ щие запас влаги в почве — до­ вольно частое явление в южных и западных районах Европейской территории СССР.

В качестве рассматриваемого показателя увлажнения бассейна пользуются также величиной

четной дате начала зимы; 2]-*: — количество осадков за период от расчетной даты начала зимы до окончательного установления мо­ розов.

Заметим, что с осадками, выпадающими незадолго до начала зимы, связано заплывание и размокание почвы; эти явления при­ водят к уменьшению количества крупных пор и трещин в верх­ нем слое почвы, а следовательно, и к снижению его водопроницае­ мости.

Иногда используются и некоторые другие косвенные характе­ ристики степени увлажнения бассейна к началу зимы. В частно­ сти, в отдельных случаях в нее не включают суммарное испарение, т. е. характеристика вычисляется только по данным об осадках. Для бассейнов лесной зоны в качестве показателя степени увлаж­ нения почвы, лесной подстилки, мохового покрова и степени на­ полнения водой болот и различных бессточных углублений можно принимать паводочный сток за осень и сток за зимние месяцы. Смысл этих характеристик станет вполне понятным, если вспомним отмеченные выше особенности условий стока в лесной зоне.

Рассмотренные показатели увлажнения вычисляются по данным отдельных станций, а затем осредняются общепринятыми спосо­ бами для бассейна.

В гл. V тоже рассматривались показатели увлажнения почвы [формула (65.Ѵ)]. Там говорилось об их вычислении только по данным об осадках, причем было видно, что чем более ранние осадки учитываются, тем с меньшим коэффициентом они входят в расчетную формулу. Это уменьшение коэффициента отражает факт большего испарения сравнительно давно выпавших осадков. Значит, при вычислении этого показателя испарение тоже учиты­ вается, но косвенно.

Взаключение еще раз подчеркнем, что долгосрочный прогноз весеннего стока—это в основном прогноз потерь талых вод во время снеготаяния при сложившихся в бассейне условиях. В связи

сэтим разработка показателей водопоглотительной способности почв и бассейна в целом, а также практических способов вычисле­ ния этих показателей имеет исключительно большое значение для решения проблемы долгосрочного прогноза половодья.

§6. ОБЩИЙ ВИД ЗАВИСИМОСТИ СТОКА ЗА ПОЛОВОДЬЕ ОТ ЗАПАСА ВОДЫ В СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ, ЗАДЕРЖАНИЯ ВОДЫ НА ПОВЕРХНОСТИ, ИНТЕНСИВНОСТИ ИНФИЛЬТРАЦИИ

ИСНЕГОТАЯНИЯ

Вгл. V был частично рассмотрен процесс расходования дожде­ вой воды на заполнение бессточных углублений на поверхности бассейна. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Влюбом речном бассейне имеется бесчисленное количество бес­ сточных углублений разных размеров. Будем выражать емкость

каждого углубления в миллиметрах слоя воды на всю площадь водосбора этого углубления и обозначим высоту этого слоя через и. За повторяемость каждой величины и примем долю площади реч­ ного бассейна с такой емкостью бессточных углублений. Тогда для каждого бассейна будем иметь распределение величин и, ко­ торое обозначим ср(«). Можно полагать, что его график будет бли­

зок к кривой, приведенной на рис. 75, для которой можно при-

U

, . 1

нять уравнение ср(и)=-----е , где и 0 — количество воды, задер­

212

дан Е. Г. Поповым. Исходя из уравнения водного баланса бас­ сейна, он вывел общее выражение для зависимости

где s — запас воды в снежном покрове вместе с осадками за время таяния.

Это выражение было получено с учетом того, что заполнение углублений происходит одновременно и тесно связано с инфиль-

у мм

Uo

получаем выражение для этой зависимости в виде

, м

График зависимости при «о= 20 мм представлен на рис. 77. Формулу (ЗО.ѴІІ), очевидно, можно записать также в виде

где / — инфильтрация за все время снеготаяния в миллиметрах.

214

Общий вид зависимости можно также вывести, исходя из вы­ ражения для скорости инфильтрации.

Рассмотрим элементарную площадь. Согласно Г. П. Калинину, общее выражение для величины инфильтрации воды в почву за

Несмотря на то что процесс инфильтрации в бассейне значи­ тельно сложнее, чем на элементарной площадке, и что, кроме ин­ фильтрации, имеет место потеря воды на поверхностное задержа­ ние, формула (34.VII) может быть принята за исходную при отыс­ кании по данным наблюдений эмпирических воднобалансовых зависимостей потерь или самого стока от определяющих факторов. Напомним, что на значительной территории, в частности на боль­ шей части сухостепной и лесостепной зон, емкость бессточных уг­ лублений выражается слоем высотой всего лишь несколько милли­ метров.

О виде зависимости стока за половодье от запаса воды в снеж­ ном покрове, сложенного с осадками за время снеготаяния, при различной поглотительной способности бассейна можно судить также на основе лишь следующих физических представлений о про­ цессе потерь талых вод на инфильтрацию и поверхностное задер­ жание.

При любой водопоглотительной способности бассейна перед началом таяния рост потерь талых вод замедляется с увеличением поступления воды на поверхность бассейна (s'), т. е. величина

растет (у — сток). При достаточно большом значении s этот

рост прекращается и, следовательно, dy/ds достигает своей пре­ дельной величины, т. е. единицы. Другими словами, при доста­ точно большом s, теоретически при s-voo, потери талых вод на

215

от факторов, определяющих водопроницаемость почвы и свобод­ ную поверхностную емкость в этот момент. О выражении (35.VI1) коротко говорилось в гл. V.

Известно, что почва, имеющая влажность, превышающую 0,8— 0,9 наименьшей полевой влагоемкости (ІГІШв), будучи мерзлой, является практически водонепроницаемой. Значит, отобрав для изучаемого бассейна годы с такой влажностью и вычислив для них величины стока за половодье и запаса воды в снежном покрове, сло­ женного с осадками за время снеготаяния, можем найти поверхно­ стное задержание и 0. Это легко сделать с помощью рис. 78 и 79, используя их как номограммы. Получив ряд близких значений и0, можно вычислить среднее значение Но- Оно будет соответствовать условиям поверхностного задержания воды в данном бассейне, т. е.

216

прежде всего характеру его рельефа. Если значения и0 окажутся разными, то должна существовать связь их со степенью влагона­

становится для данного бассейна переменной величиной. Существо­ вание зависимости и 0 от (2]х'г-— У]£і) можно ожидать прежде всего для бассейнов лесной зоны. Понятно, что в рассматриваемом случае уравнение (3 1 .VII) можно записать в виде

y = S — / - ( « О м а к с — Л « о ) ( і — е " о м а к с - Л"о ) _ ( 3 7 . V I I )

где «о макс — максимальное поверхностное задержание воды в бас­ сейне, т. е. задержание, когда степень увлажнения бассейна перед

у мм

ных значениях ро.

началом зимы весьма низкая; Ац0 — величина, на которую умень­ шается поверхностное задержание при данном увлажнении бас­ сейна по сравнению с величиной «о макс-

Поскольку можно считать, что верхние кривые на рис. 78 и 79 отвечают влажности мерзлой почвы, когда последняя практически водонепроницаема, то величина uo изображается на этих графиках вертикальным отрезком ab. Этот отрезок надо брать на участке кривой, где угол ее наклона равен 45°. Заметим, что при рассмот­ ренных способах определения величины uo в нее войдут потери воды на испарение с поверхности тающего снега.

Наблюдения за стоком и влияющими на него факторами гово­ рят о том, что колебания интенсивности снеготаяния от года к году часто не вызывают значительного изменения стока, а следова­ тельно, и потерь талых вод на инфильтрацию. Это можно объяс­ нить тем, что нередко интенсивность снеготаяния несущественно-

217

отклоняется от нормы. Кроме того, как прн слабом, так и при очень сильном впитывании воды в почву даже значительные откло­ нения интенсивности снеготаяния от нормы не могут привести к большому изменению инфильтрации. Наконец, в определенных условиях в лесной зоне (см. выше) интенсивность таяния мало влияет потому, что во время снеготаяния независимо от его интен­ сивности заполняется вся свободная емкость некоторого слоя почвы. Но, конечно, бывают годы, когда интенсивность снеготаяния довольно резко отклоняется от нормы, а почва имеет среднюю во­ допроницаемость. В этих случаях колебания интенсивности должны существенно сказываться на величине стока за половодье.

§ 7. МЕТОДЫ ПРОГНОЗОВ СТОКА ЗА ПЕРИОД ПОЛОВОДЬЯ

Как уже говорилось, в основе методов долгосрочных прогно­ зов стока за период половодья лежат эмпирически устанавливае­ мые зависимости величины этого стока от запаса воды в снежном покрове, сложенного с осадками за время таяния снега, и показа­ телей предвесенней водопоглотительной способности бассейна, пре­ жде всего его почв. Обычно зависимости устанавливаются для каждой реки, конечно, при условии наличия соответствующих дан­ ных гидрологических и метеорологических наблюдений (сток, снеж­ ный покров и др.). Знание общего вида искомых зависимостей (см. выше) позволяет установить их более правильно и точно, особенно при часто встречающейся ограниченности исходных данных. По своей сущности зависимости являются физико-статистическими причем в основе их, как уже было показано, лежит уравнение вод­ ного баланса бассейна; последнее и позволяет называть эти за­ висимости воднобалансовымп. Каждой зависимостью учитываются также такие постоянные физико-географические условия стока та­ лых вод в данном бассейне, как рельеф, тип почвы и др. Учитыва­ ются они числовыми значениями параметров или формой графика зависимости, если она нами не выражается аналитически. На прак­ тике при установлении зависимостей из общей величины стока за половодье устойчивый (базисный) подземный сток не выделяется, так как он незначителен, особенно для степной и лесостепной зон.

Рассматриваемая зависимость может устанавливаться также для целого района на основе данных по ряду бассейнов, если район достаточно однороден в отношении только что упомянутых физико-географических условий стока. Такая зависимость получила название территориально общей.

Из изложенного в этой главе следует, что в методах долгосроч­ ных прогнозов за период половодья должны находить большее или меньшее отражение особенности стока и потерь талых вод в раз­ личных физико-географических зонах и районах. Чтобы эта сто­ рона методов была более видна, будем при их изложении придер­ живаться географических зон.

С у х о с т е п н а я , с т е п н а я и л е с о с т е п н а я з о н ы пред­ ставляют собой в основном слабо всхолмленную равнину. Развитие

218