17

Гидрология 2012

ЛЕКЦИЯ 7. Водный режим рек.

Речной сток.

Вопросы:

1.Водный режим.

2. Расчленение гидрографа. Классификация рек по водному режиму.

3. Сток воды. Количественные характеристики стока воды. Физико-географические факторы стока воды. Распределение стока воды по территории СНГ.

1.Водный режим рек.

Виды колебаний водности рек

Под водным режимом рек понимают закономерные изменения стока воды, скорости течения, уровней воды и уклонов водной поверхности, прежде всего во времени, но также и вдоль реки.

Водный режим рек зависит от комплекса физико-географических факторов, среди кото­рых важнейшая роль принадлежит факторам метеорологическим и климатическим. Поскольку эти факторы на Земле подвержены разнопериодным изменениям, в водном режиме рек также проявляются колебания различной длительности.

Изменения режима реки характеризуются прежде всего колеба­ниями ее водности. Водность - это количество воды, переносимое рекой за какой-либо интервал времени (месяц, сезон, год, ряд лет) в сравнении со средней многолетней величиной стока воды этой реки или со стоком в другие периоды. Понятие «водность реки» используется для оценки изменений стока данной реки.

От понятия «водность реки» следует отличать понятие «водо­носность реки». Водоносность - это величина среднего многолетне­го стока реки (м³/с, км³/год); это понятие используют для сравне­ния величины стока воды разных рек.

В водном режиме и водности рек выделяют прежде всего веко­вые, многолетние, внутригодовые (сезонные) и кратковременные колебания.

Вековые колебания водности рек отражают вековые изменения климатических условий и увлажнения материков с периодом сотни и тысячи лет. О вековых колебаниях водности рек известно мало, хотя палеогеографические исследования свидетельствуют о том, что в истории различных регионов планеты были периоды, когда вод­ность рек была существенно больше, чем сейчас. Например, в Европе водный сток рек увеличивался в холодные и влажные периоды:1400-1300, 900-300 гг. до н.э., 400-750, 1150-1300, 1550-1850 гг. н.э. Так в 1550-1850 гг. происходило активное наступание ледников в Альпах и этот период получил название «малого ледникового периода». Теплые и засушливые годы с малым стоком в Европе отмечались в 900-1100 гг. н.э., («средневековый кли­матический оптимум».

Многолетние колебания водности рек также имеют в основном климатическую природу. Периодичность таких колебаний - десят­ки лет. О многолетних изменениях водности за последние 50- 100 лет известно значительно больше, чем о вековых колебаниях. Данные наблюдений за стоком рек свидетельствуют о том, что многолетним колебаниям подвержен суммарный сток всех рек земного шара и сток отдельных рек .

Для характеристики многолетних колебаний стока рек обычно используют четыре приема: 1) сравнивают средний сток реки за некоторые характерные периоды (см. табл. 7.1);

2) Анализируют многолетние изменения средних годовых расходов воды реки (рис.6.7, а);

3) проводят «сглаживание» колебаний стока путем 5 или 6-летнего скользящего осреднения (рис. 6.7, а);

4) строят так называемую нормированную разностную интегральную кривую годового стока (НРИК). Ее строят путем последовательного суммирования нормированных отклонений средних годовых расходов воды от осредненного за период наблюдений («нормы»):

,

где Ki= Qi/ -модульный коэффициент

НРИК позволяет легко выделить периоды, когда сток реки увеличивался или уменьшался, был больше или меньше «нормы». Используют также другие статистические методы (спектральный и автокорреляционный анализы для выделения циклов в колебаниях водности реки и др.)

При анализе многолетних колебаний водности рек следует различать естественную и антропогенную изменчивость. Первая из них обусловлена лишь климатическими факторами, вторая - искусствен­ным изменением стока (забором вод на хозяйственные нужды, безвозвратными потерями стока, сопутствующими преобразованию режима рек, например, после создания водохранилищ).

Однако не следует преувеличивать роль последних, исследования показали, что в ко­лебания водности Волги главный вклад вносит климатический фак­тор. Несмотря на существенные безвозвратные потери стока в бас­сейне Волги (табл. 7.2), вызванные водозабором на хозяйственные нужды и испарением с водохранилищ Волжско-Камского каскада, естественные климатические изменения стока «перекры­ли» антропогенные. Особенно это стало заметно в последние деся­тилетия, когда сток Волги заметно увеличился. Возможные при­чины этого - изменение характера циркуляции атмосферы, увеличе­ние роли «атлантических» циклонов и смещение их траекторий к югу, сопутствующее увеличению осадков, и др. В многолетних колебаниях стока Волги хорошо про­слеживается периодичность, обусловленная в основном климати­ческими причинами. Так, многоводными были 80-е годы XIX в. и 20-е годы XX в. (самым многоводным за весь период наблюдений был 1926 г., когда годовой сток Волги составил 368 км³, в 1,5 раза больше среднего многолетнего); следующими по водности были 1928 и 1994 г. (342 и 339 км³). Наиболее маловодными были 30-е и 70-е гг. XX в. Наименьший сток отмечался в 1921 и 1973 г. (149 и 163 км³).

Рис. 7.1. Изменения стока воды Волги и уровня Каспийского моря в XX в.

а - расходы воды Волги в вершине дельты у Верхнего Лебяжьего: средние годовые (1), при скользящем 6-летнем осреднении (2); б - нормированная разностная интегральная кривая стока Волги; в - средние годовые уровни воды Каспийского моря (Махачкала)

Если водность различных рек изменяется одновременно в од­ном и том же направлении, то говорят о синхронности колебаний их стока. Обычно синхронно изменяется водность тех рек, которые находятся в сходных физико-географических условиях и расположены более или менее близко друг от друга. Так, в целом синхронно колеблется водность рек юга Европейской части (Дона, Кубани, Волги) и рек севера Европейской части России (Печоры, Северной Двины). В то же время встречаются случаи и несовпадения харак­тера изменения водности у разных рек. В этом случае говорят об асинхронности колебаний их стока. Так, часто асинхронно (и да­же в противофазе) изменяется сток рек Европейской части России и Восточной Сибири. Периодам повышенного естественного стока на Волге, например, нередко соответствуют периоды пониженного стока на Енисее и Лене, и наоборот.

Следует отметить, что прогнозируемое на 2000 г. антропоген­ное сокращение стока Волги не подтвердилось. Фактические еже­годные потери стока, обусловленные хозяйственной деятельностью в бассейне Волги, составили не 36, а всего, по данным А. Б. Авакяна и А. Е. Асарина, 20-24 км³. Это было обусловлено тем, что прогнозы темпов развития водопотребляющих отраслей хозяйства (в основном орошаемого земледелия) и объемов водопотребления оказались ошибочными; более того, из-за спада как промышлениого, гак и сельскохозяйственного производства в 90-е гг. XX в, объемы водозабора в бассейне Волги уменьшились. Таким образом, заметное увеличение стока Волги в последние 20-25 лет имеют под собой как климатическую (она основная), так и антропогенную причину.

Аналогичные многолетние изменения водности отмечены и у ряда других крупных рек Европы - Дуная, Дона, Кубани. С одной стороны, последние десятилетия оказались весьма много­водными (вследствие увеличения осадков), с другой - в связи с эко­номическими причинами несколько сократился объем водозабора. Например, уменьшение стока рек Кубани и Куры, обусловленное хозяйственной деятельностью, составило в 2000 г. не 7,3 и 6,8 км³/год соответственно на 4,3 и 4 км³/год.

В результате сток таких рек, как Дунай и Кубань, в последние десятилетия оказался заметно больше, чем раньше.

Несколько возрос в последние десятилетия и сток сибирских рек (Оби и Енисея)

По оценкам И. А. Шикломанова и В. Ю. Георгиевского (2003, 2004), в последние 20-25 лет помимо Волги (сток в северной и северо-восточной частях ее бассейна возрос почти на 30 %) и крупнейших рек Сибири увеличился сток и у других рек Рос­сии. У многих рек (Волги, Дона, Днепра, Урала, Иртыша) суще­ственно - на 20-40 % - увеличился сток в летне-осенние и зим­ние месяцы. Причина таких изменений стока, как отмечалось выше,- возрастание атмосферных осадков и общей увлажненности территории.

В то же время антропогенное снижение стока двух главных рек Средней Азии - Амударьи и Сырдарьи - продолжилось. В этом случае прогностические оценки оказались бо­лее точными. Существенное сокращение стока Амударьи и Сыр­дарьи явилось основной причиной деградации Аральского моря .

Асинхронность в колебаниях водности рек разных регионов объясняется различием в процессах циркуляции атмосферы на больших и далеко отстоящих друг от друга территориях (например, нередки случаи, когда активизации циклонической деятельности над Европейской территорией России сопутствует установление антициклона над Сибирью, и наоборот).

Внутригодовые (сезонные) колебания водности рек обусловлены сезонными изменениями составляющих водного баланса речного бассейна. В течение года реки, находящиеся в разных географиче­ских зонах, испытывают различные чередования много- и маловод­ных периодов.

Кратковременные колебания водности рек могут быть прежде всего естественными и обусловленными как метеорологическими факто­рами (ливневые дожди, колебания температуры воздуха в ледниковых районах), так и геологическими процессами (спуск вод ледниковых озер в результате прорыва морен на реках с ледниковым питанием, запруживание рек в результате горных обвалов.

Кратковременные колебания водности рек могут быть обуслов­лены и антропогенными факторами. К числу таких колебаний относятся попуски в нижние бьефы гидроузлов.

Когда говорят о колебаниях водности рек, то имеют в виду прежде всего изменения стока воды. При этом график изменения расхода воды (м³/с) в данном створе реки в течение года называют гидрографом реки. Однако одновременно с изменением стока воды в реках изменяются и другие характеристики, например скорость течения и уровень воды, т. е. высота поверхности воды в данном створе реки. В большинстве случаев колебания уровня воды следу­ют за колебаниями стока и ими определяются. Объясняется это существованием закономерных связей расходов и уровней воды в реках. Однако в некоторых случаях колебания уровней воды в реках могут быть не связанными с изменением стока, например при ледовых явлениях на реках, интенсивных процессах размыва дна или аккумуляции наносов, сгонно-нагонных и приливных яв­лениях в устьях рек. График изменения уровня воды во времени гидрографом называть нельзя.

Гидрологические наблюдения на реках обычно начинают с из­мерения уровней воды. Измерения проводят на реечных, свайных и автоматических (оборудованных самописцами уровня воды) гид­рологических (водомерных) постах.

Измерения скоростей течения ведут на реках в основном с по­мощью поплавков или специальных приборов (гидрометрических вертушек), регистрирующих число оборотов лопастного винта. В пос­ледние десятилетия для измерения скоростей течения стали также применять ультразвуковые установки, фиксирующие различие в рас­пространении ультразвука по течению и против него, и термогид­рометры, основанные на измерении теплообмена между потоком и чувствительным элементом.

Важной задачей гидрологов является измерение расходов воды в реках. Наиболее распространенный способ заключается в изме­рении скоростей течения с помощью гидрометрических вертушек на ряде вертикалей в потоке и площадей сечения между ними и называется «скорость - площадь».

Фазы водного режима рек. Половодье, паводки, межень

Во внутригодовом (сезонном) режиме рек выделяют ряд харак­терных периодов (фаз) в зависимости от изменения условий питания и особенностей водного режима. Для большинства рек мира разли­чают следующие фазы водного режима: половодье, паводки, межень.

Половодье - это фаза водного режима реки, ежегодно повторя­ющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон и характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и продол­жительным подъемом уровня воды. Оно часто сопровождается вы­ходом воды на пойму; формируется как талыми снеговыми, так и дождевыми водами. Таяние снега на равнинах вызывает ве­сеннее половодье; таяние высокогорных снегов и ледников, а также выпадение длительных и сильных летних дождей (напри­мер, в условиях муссонного и тропического климата) - полово­дье в теплую часть года (т. е. весенне-летнее или летнее половодье). Половодье, особенно обусловленное дождями, нередко имеет многовершинную форму.

Паводок - это фаза водного режима, которая может многократ­но повторяться в различные сезоны года и характеризуется интен­сивным, обычно кратковременным увеличением расходов и уров­ней воды и вызывается дождями или снеготаянием во время отте­пелей. В отдельных случаях расход воды паводка может превышать расход воды половодья, в особенности на малых реках. Различают одно- и многопиковые паводки, одиночные паводки и паводочные периоды, когда на реке проходят серии паводков. Иногда паводок накладывается на волну половодья. Кратковременные резкие па­водки, в частности вызванные не метеорологическими факторами, относят уже не к сезонным фазам режима реки, а к кратковремен­ным его нарушениям (разд. 6.7.1).

В половодья (как весеннее, так и летнее) часто происходит заливание речной поймы. За исключением катастрофических слу­чаев заливание поймы - событие обычное, регулярное и поэтому не может быть неожиданным для населения и хозяйства. В отличие от половодья паводки обычно менее регулярны и трудно предска­зуемы. Поэтому именно неожиданные дождевые паводки и приво­дят нередко к катастрофическим последствиям, как, например, слу­чилось летом 2002 г. в бассейне Кубани и в августе 2002 г. в бас­сейнах Дуная, Влтавы и Эльбы, когда была затоплена часть Брати­славы, Будапешта, Праги, Дрездена. В результате осенних паводков на реках Западной Европы погибло более 100 человек, ущерб со­ставил около 20 млрд евро.

В качестве характерного примера рассмотрим формирование и трансформацию паводка на Дунае. В начале августа 2002 г. над Западной Европой расположилась аномально контрастная фрон­тальная зона, разделяющая влажный тропический воздух температурой 28-35 °С и холодный арктический воздух температурой не более 18-23 °С. В этой фронтальной зоне стали формироваться активные циклоны, вызвавшие обильные ливневые осадки. Наиболее сильные дожди в бассейне Верхнего Дуная выпали 6-7 и 11-12августа. Эти дожди сформировали две волны паводка, которые стали распространяться вдоль Дуная. Ниже по течению реки обе паводочные волны слились в одну и сформировали катастрофиче­ский паводок. Наибольшую высоту паводок достиг у городов Пассау, Линц, Вена, Братислава и Будапешт. В ряде пунктов уровень поды поднялся над предшествующим на 6-8 м и превысил «исто­рический максимум», т. е. оказался наивысшим за весь период наблюдений (не менее 150 лет). На австрийском участке Дуная пик наводка наступил 13-14 августа, у Братиславы 16 августа, у Буда­пешта 19 августа, на хорватском и сербском участках Дуная 22-23 и 25-27 августа.

Водохранилище Железные Ворота (его плотина находится в 943 км от Черного моря) «погасило» паводок, так как заблаговременно часть полезного объема водохранилища была сброшена в нижний бьеф. Ниже плотины Железные Ворота на Дунае сформировался искусственный попуск высотой 2,5-3,5 м. Его пик наблюдался 28-31 августа. Волна попуска быстро распласталась и к устью Дуная подошла в первых числах сентября 2002 г.

Межень - это фаза водного режима, ежегодно повторяющаяся в один и тот же сезон, характеризующаяся малой водностью, дли­тельным стоянием низкого уровня и возникающая вследствие умень­шения питания реки. В межень реки обычно питаются только за счет подземных вод. На многих реках России выделяют два пери­ода пониженного стока - летнюю и зимнюю межень. В зоне избыточного и достаточного увлажнения реки обычно имеют устой­чивое грунтовое питание, обеспечивающее достаточно высокий сток летней межени. Зимой же малые реки в этих зонах могут иногда промерзать до дна. Сток у таких рек в зимнюю межень меньше, чем в летнюю. В зоне недостаточного увлажнения, наоборот, реки в летнюю межень обычно имеют меньший сток, чем в зимнюю. Малые реки в этой зоне в летнюю межень могут даже пересыхать.

Для характеристики сезонных изменений водного режима рек обычно строят графики изменения расходов воды в течение года (гидрографы) для типичных по водности лет: самого многоводного и самого маловодного года за весь период наблюдений и года, близкого по водности к средней.