книги из ГПНТБ / Зайков Б.Д. Очерки гидрологических исследований в России

выми малозначительных, таких факторов, как рельеф, геологиче­ ское строение, леса, болота.

Не менее важным явилось также установление существования, помимо накопления и питания, переходящих по Пенку из одного

Вследствие существования накопления и расходования влаги, величина которых изменяется от года к году и может быть значи­ тельной по сравнению с величиной речного стока, общее уравнение круговорота воды в речных бассейнах x=y+z, совершенно спра­ ведливое в среднем за многолетие, когда накопление и расходо­ вание влаги взаимно уравновешиваются, оказывается неточным в приложении к отдельным годам. В этом случае требуется ввести дополнительный член ±и, учитывающий расходование влаги из грунта в засушливые и пополнение запасов влаги (накопление) в следующие за засушливыми более дождливые годы:

у—х — z ± и.

В связи с этим Оппоков доказывает, что сток данного года за­ висит от осадков не только данного гидрологического года, но и предшествующего или даже двух предшествующих лет. Уравне­ ние у=х — z±u вошло в гидрологическую литературу под назва­ нием уравнения Пенка — Оппокова.

Наконец, существенным выводом явилось констатирование об­ ратного влияния температуры зимы на высоту весеннего поло­ водья, что позволило, хотя и значительно позднее, учесть это об­ стоятельство при разработке метода прогноза весеннего половодья на р. Днепре.

Большой интерес представляют приводимые автором общие сведения об изменчивости режима рек за многолетний период и исторические сведения о р. Днепре. При рассмотрении этого во­ проса Оппоков был вынужден коснуться распространенного тогда мнения о будто бы происходящем обмелении рек вследствие вы­

Режим речного стока Днепра послужил Оппокову темой для защиты в Киевском политехническом институте диссертации на степень адъюнкта строительного искусства.

Этот труд был высоко оценен современниками: в 1908 г. за первую часть труда Академия наук, а в 1916 г. Общество техно­ логов в С.-Петербурге наградили Оппокова премиями. В 1916 г. Русское географическое общество присудило Е. В. Оппокову за совокупность трудов по гидрологии Юго-Западной России золотую медаль имени Ф. П. Литке.

Одновременно с исследованием зависимости режима речного стока от метеорологических факторов, Оппоков интересовался вопро­ сом многолетних колебаний речного стока и атмосферных осадков

127

и рассмотрел его в ряде работ [292, 293, 294 и др.]. В результате исследований он пришел к следующим выводам:

1. Речной сток даже сравнительно крупных речных бассейнов обнаруживает многолетние неправильно периодические (цикличе­ ские — Б . З . ) колебания, синхронные колебаниям обусловливаю­ щих его атмосферных осадков в бассейнах этих рек. Несомненно, что это те самые, повсеместно распространенные колебания кли­ мата, на которые указал еще в 1890 г. Брикнер.

2. Явления исключительного изобилия осадков, а вместе с тем и исключительно высокие половодья рек в отдельные годы или даже группы лет, так же, как и обратные им явления недостатка осадков, а вместе с тем и мелководья рек (низкого стояния грун­ товых вод, выгорания торфяных болот), судя по многочисленным указаниям русских летописей и западноевропейских хроник, из­ вестны издавна и повторяются периодически через большие или меньшие промежутки времени.

3. Так как круговорот воды в речном бассейне не замыкается в течение одного года, то речной сток в более влажные годы, не­ посредственно следующие за засушливыми, оказывается слишком малым по сравнению с количеством выпавших осадков, а в за­ сушливые годы, если они следуют после дождливых, речной сток бывает очень большим по сравнению с количеством атмосферных осадков в бассейне в эти годы.

4. В равнинных речных бассейнах континентального климата почвы бассейна играют большую роль в пополнении недостатка выпадающих в сухие годы атмосферных осадков, отдавая для нужд испарения имеющиеся в них запасы влаги и тем самым урав­ нивая расходование влаги в бассейне на испарение в разные годы. Регулирующее же влияние на сток оказывают лишь те мощные песчаные, галечные и другого рода водопроницаемые толщи реч­ ных бассейнов, которые являются аккумуляторами обильных и малодоступных испарению в атмосферу грунтовых вод.

Е. В. Оппоков много работал также над вопросом влияния на речной сток деятельности человека, связанной с вырубкой лесов и осушением болот (см. стр. 169, 174). Список многочисленных пе­ чатных трудов Оппокова опубликован в 1927 г. [195].

В 1911 г. Э. М. Ольдекоп опубликовал фундаментальное иссле­ дование «Об испарении с поверхности речных бассейнов» [281].

тических и прочих физико-географических (физико-геологических по Ольдекопу) факторов, причем особо выделена роль раститель­ ного покрова. Далее Ольдекоп остановился на годовом ходе ис­ парения, изменчивости величины испарения во времени и по тер­ ритории, рассмотрел существующие формулы испарения и стока (Пенка, Уле, Шрейбера, Келлера, Фишера) и дал обоснование но­ вой, предложенной им формулы испарения.

128

ординат — испарение). Каждая из этих кривых асимптотически приближается к линии, параллельной оси абсцисс и отстоящей от нее (по оси ординат) на расстояние, равное максимально воз­ можному испарению.

Вполне понятно, что Оппоков и Ольдекоп в своих исследова­ ниях, требовавших длинных рядов не только по стоку, но и по осадкам и некоторым другим метеорологическим элементам, не могли базироваться на ограниченных отечественных данных и привлекали материалы по западноевропейским и американским рекам, хотя и эти материалы не были в то время особенно значи­ тельными.

В другой работе Ольдекопа [283] делается попытка выяснить зависимость режима р. Чирчика от метеорологических факторов. Для суждения о тесноте связи между стоком реки и атмосфер­ ными осадками автор широко пользовался методом корреляции. В этом исследовании основные выводы сводятся к следующему:

ков за октябрь—май; коэффициенты корреляции при этом соот­ ветственно равны +0,92 и +0,91.

2. Сток зимнего полугодия (октябрь—март) обусловливается в основном грунтовым питанием и зависит от осадков зимнего полугодия ( г = + 0 , 7 2 ) .

3.Зависимость между стоком за отдельные месяцы летнего полугодия и суммами осадков начиная с октября по соответству­ ющий месяц включительно характеризуется коэффициентами кор­ реляции от +0,65 и до +0,96.

4.Кратковременные колебания расходов обусловливаются и температурой и осадками, причем наиболее резкие колебания вы­ зываются температурой.

Разработанные в этом исследовании прогностические связи рассмотрены ниже (см. стр. 181).

Реки Туркестана по характеру их питания Ольдекоп [283] раз­

делил на три типа: 1) снеговые; 2) ледниковые и 3) реки сме­ шанного питания. Снеговые реки отличаются наиболее ранним

и реки смешанного питания имеют максимумы в промежуток вре­ мени от конца мая и до середины июля. Другим критерием для распределения рек по указанным типам может служить отношение весенних (май) расходов к осенним (сентябрь), которое для рек той или иной группы будет различным благодаря разному времени наступления максимума расходов у рек снегового и ледникового питания.

130

Годовой ход уровня на реках первого типа отличается следую­ щими особенностями: «наиболее низкий горизонт в зимнее время, вскрытие под напором вешних вод, очень обильных от таяния глубоких снегов, бурный подъем воды при вскрытии; высокая вешняя вода иногда немного падает, иногда держится почти на одном уровне до августа; затем начинается медленное и плавное

Годовой ход уровня рек второго типа отличается низким гори­ зонтом вод в зимнее время, очень незначительным подъемом воды при вскрытии и целым рядом резко выраженных летних павод­ ков, в промежутках между которыми уровень падает почти до зим­ него горизонта».

Существование столь различных типов рек Шостакович объяс­ няет тем, что бассейны рек первого типа лежат в местностях с развитым снежным покровом, с полным отсутствием «вечной мерзлоты почвы»; реки же Забайкалья и большей части Амурской области протекают, наоборот, в местностях с обширным распро­ странением вечной мерзлоты и с очень скудным снежным покровом.

В бассейнах первого типа благодаря отсутствию вечной мерз­ лоты большая часть летних осадков просачивается в почву и пи­ тает подземные воды. Поэтому здесь реки, с одной стороны, не имеют развитых летних паводков, а с другой — благодаря обилию подземных вод уровень рек летом поддерживается на значительной высоте.

Особенности режима рек второго типа в основном объясня­ ются близким залеганием к поверхности вечной мерзлоты, обра­ зующей водонепроницаемый слой. Летние осадки здесь почти пол­ ностью стекают в реки и вызывают резкие паводки. Питание рек подземными водами здесь невелико, так как последние могут содержаться только в самом поверхностном слое почвы.

Эта теория Шостаковича поддерживалась всеми без исключе­ ния исследователями, занимавшимися изучением вечной мерзлоты в Сибири (Воейков, Львов и др.). Она проникла и в зарубежную печать. Однако в то время реки области вечной мерзлоты и гра­ ница распространения последней были совершенно не исследо­ ваны. В советское время с накоплением данных по стоку рек об­ ласти вечной мерзлоты теория Шостаковича была отброшена.

период 1877—1912 гг. В формировании весеннего половодья, по Соколову, главную роль играют снегозапасы, состояние почвы и характер весны. Летние осадки сравнительно незначительно отра­ жаются на стоке реки, осенние осадки вызывают обычный паво­ док и создают запасы грунтовых вод, обеспечивающие зимнее пи­ тание реки.

тор наглядно показал, что многолетний ход годовых осадков и стока р. Западной Двины достаточно хорошо согласуется с ходом аналогичных элементов по Днепру у Киева.

Дона на две категории: на питание ключами перемежающимися и постоянными. Не найдя способа для определения первого вида пи­

в предположении, что оно постоянно в течение года и равно се­

«коэффициенты постоянной ключевой водоносности», представля­ ющие отношение определенного выше указанным способом годо­ вого подземного стока рек к годовому объему атмосферных осад­ ков. Полученные при этом величины этого коэффициента, особенно

Е. А. Гейнц [493] в 1903 г. определил величину подземного пи­ тания р. Оки у г. Орла, допустив, что она постоянна в течение года и равна минимальному наблюденному зимнему расходу воды (за ноябрь 1896 г.). Грунтовое питание не превышало при этом 13% годового (за 1896—1897 гг.) стока и 4% объема выпавших в бассейне за год осадков.

В 1913 г. Оппоков [296] определил подземное питание р. Днепра у г. Киева. Зная, что в четыре летних месяца сток в засушливые годы уменьшается до 12 мм, он принял последнюю величину за норму подземного питания в летнюю межень в предположении, что все выпадающие в это время осадки полностью испаряются. Да­

Оппоков и учел непостоянство подземного питания реки в течение года, но сделал это совершенно произвольно, даже без попыток какого-либо обоснования принятых значений сезонных его коле­ баний.

Исследованиями были также затронуты игравшие уже в то время важную практическую роль вопросы максимального стока (о расчетах см. стр. 182).

В труде Л. Ф. Николаи «Мосты» описана попытка неизвест-

132

ного автора (1882 г.) теоретически, на основе анализа треуголь­ ного гидрографа, сначала определить параметр а в формуле QMWC^CIF, а затем районировать его по территории. В этом выводе была принята норма ливня 4,5 дм в течение 3 ч; дана идея связи максимального расхода с объемом стока; время стекания расчле­ нено на время стекания по склону и на время стекания по логу; впитывание не учтено. В результате была получена формула

Эта формула впоследствии была использована Д. И. Кочериным и другими авторами, причем, как пишет М. Ф. Срибный [369], «об ее происхождении забыли и считали ее эмпирической».

Первая попытка теоретического анализа формирования макси­ мального ливневого стока в России относится к 1883 г. и при­ надлежит Н. П. Дмитриеву [125]. Она базируется на методе, став­ шем впоследствии известным под названием метода изохрон, и осуществлена применительно к басейнам конической и цилиндриче­

С учетом коэффициента поглощения if формула максимального расхода приобретает вид

Q>I.ICC=16,7<1>-J-/,

а после преобразования в соответствии с изложенным выше

с продолжительностью дождя на формирование ливневого стока.

хода оказалось весьма далеким от действительности, что спра­

133

1906—1912 гг. гидрографов стока за отдельные ливни, или, как он их называл, «кривых расходов», и хода дождя Долгов разработал теорию ливневого стока. Она содержит качественный и количе­ ственный анализ всех основных характеристик формирования ливневого стока: интенсивности ливня («силы дождя» по Долгову), ее зависимости от продолжительности и площади распростране­ ния, характера стекания, условий впитывания, анализ различных фаз «идеального» стока и влияния природных условий.

Долгов выявил весьма важную закономерность, что «сток ливневой воды при летних обычных условиях впитывания появ­ ляется, когда дождь достигает критической силы 0,5 мм/мин и когда общего количества дождя для заполнения пор в земле расхо­ дуется не менее 15 мм». Анализируя характер поверхностного стекания, Долгов подчеркивает значение поверхностной аккуму­ ляции, отсутствие в природе стекания сплошным слоем и наличие на поверхности большого количества стремнин, образующих ряд ручейков, впадающих в тальвег.

В результате анализа явления «идеального» стока, происходя­ щего по непроницаемой поверхности бассейна при равномерной интенсивности ливня и отсутствии испарения, Долгов вывел фор­ мулу максимального стока, которая для периода полного стека­ ния (площадь стока равна площади бассейна) в общем виде мо­ жет быть представлена так:

учитывающие топографические и почвенные условия и условия растительности; F — площадь бассейна.

«Путем непрерывных по времени на площади бассейна наблю­ дений за количеством выпадающих осадков и секундных расхо­ дов по тальвегу возможно определить для любой области глав­ нейшие элементы стока а, ао, /, т, п, a по ним установить нормы в зависимости от климатических и топографических условий каж­

Об этом мы узнаем из доклада Николаи [275] на инженерном со­ вете МПС в 1907 г.: «Специальной комиссией при Главной физи­ ческой обсерватории, в которой приняли участие представители Министерства путей сообщения и от совещательного съезда — представители службы пути, имеется в виду предпринять обшир­ ный ряд исследований в этом направлении в области Северного Донца, где имеется достаточное число метеорологических станций и искусственных сооружений на железных дорогах; предполагается

135

определять интенсивность ливня, продолжительность его, область распространения, площадь бассейна, величину стока через от­ верстия в искусственных сооружениях и т. д.» К сожалению, по-видимому, из-за отсутствия средств эти исследования не со­ стоялись.

В связи с поднятым Министерством путей сообщения на I ме­ теорологическом съезде вопросом о необходимости сбора данных по ливням и обильным дождям, необходимых для расчетов мак­ симального стока с малых водосборов, климатологом ГФО Э. Ю. Бергом были выполнены исследования по вопросам интен­

в Саратовской губернии, в своей работе, опубликованной в 1913 г.,

норму максимальной водоотдачи при снеготаянии. Для определе­ ния максимальной интенсивности снеготаяния Тарловский весной 1912 г. в шести пунктах губернии поставил специальные опыты. Устроенные для этого ящики размером 2x20X0,4 м ранней вес­ ной наполнялись снегом, а затем в течение всего времени таяния измерялось количество стекавшей с них талой воды.

Опыты показали, что максимальная интенсивность снеготаяния

с увеличением площади водосбора и учитывая, что максимум сне­

в формулах для расчета дождевых и канализационных вод, не

Далее Тарловский указывает, что последнее выражение «мо­ жет быть вычислено аналитически как интеграл», в результате

136