20. Изменчивость годового стока

Изменчивость стока – характеристика изменений величин стока во времени, проявляющихся в форме суточных, сезонных, годовых и многолетних колебаний. Количественная мера изменчивость в многолетнем плане – величина коэффициента вариации годовых объемов стока. Общие закономерности изменения Cv годового стока по территории характеризует уравнение водного баланса за год: y=P-E±ΔS. Колебания стока определяются колебаниями балансовой разницы и величиной изменения запаса влаги. В этой величине заключено регулирующее влияние бассейна, которое зависит от уровня грунтовых вод, их режима и характера водообмена с речным стоком, механического состава почв и их типа, растительности. В общем виде изменчивость годового стока можно представить как Cv=Cv_(P-E)*K(ΔS), где K(ΔS)≤1 и отражает регулирующее влияние бассейна. Изменчивость «климатического» годового стока (P-E) имеет ярко выраженный зональный характер. Cv_(P-E)=Cv_P(1/η)(1-∂E/∂P), где η – средний многолетний коэффициент стока, определяемый по фактическим данным по осадкам и стоку. Пространственные закономерности Cv годового стока могут быть объяснены распределением по территории изменчивости климатического стока. Изменчивость климатического стока систематически превышает Cv фактического стока, потому что в нем не учитывается регулирующее влияние межгодовой аккумуляции влаги в бассейне, а также роль размеров площади водосбора. С ростом площади водосбора Cv снижается, т.к. возрастает доля более зарегулированного подземного притока в реки и увеличивается асинхронность процессов формирования стока в разных его частях. Практические приемы расчета годового стока при отсутствии данных основаны на интерполяции между значениями, полученными для рек с продолжительными рядами наблюдений, и на применении эмпирических зависимостей. В качестве основной эмпирической зависимости используется формула Воскресенского: , где А – географический параметр, М0 – среднемноголетний сток, л/с*км2. Параметр А определяют методом гидрологической аналогии путем расчета его по данной формуле для аналога. Также применяют другие региональные эмпирические формулы: Cv=a-blgM0-clgF, где (a, b, c) – районные параметры, отражающие географические условия.

21. Внутригодовое распределение стока: факторы и географические закономерности

Основные факторы внутригодового распределения стока могут быть выделены в результате анализа уравнения водного баланса водосбора за конечный промежуток времени. y = P – У плюс-минус y подз плюс-минус дельта S. у подз обычно невелика, получаем уравнение y = P – У плюс-минус дельта S. Для конечных промежутков времени (месяц, декада, год) величина плюс-минус дельта S (аккумуляционный член) имеет большое значение. Аккумуляция может быть разделена на поверхностную и подземную. Аккумуляция осадков в снежном покрове определяет главный черты водного режима большинства наших рек – весеннее половодье и зимнюю межень. В годовом ходе дельта S отчетливо прослеживается период накопления (осенне-зимний) и расходования влаги (весенне-летний).

Формирование внутригодового стока происходит в результате сложного взаимодействия отдельных компонентов водного баланса водосбора, среди которых особую роль играет накопление и расходование запасов влаги дельта S, отражающие с одной стороны влияние климатических факторов, с другой – подстилающей поверхности. Климатические условия определяют не только осадки и испарение (P-E), но и основные черты внутригодового хода накопления и расходования снегозапасов, таким образом, они определяют главные черты внутригодового режима стока – основные фазы и гидрологические сезоны. Влияние факторов подстилающей поверхности проявляется главным образом через компонент дельта S, точнее его составляющие дельта S понижений, дельта S русловой сети, дельта S почвенных и дельта S грунтовых вод, размеры которых зависят не только от прихода-расхода влаги (P-E), но и от потенциальной возможности их аккумуляции. Факторы подстилающей поверхности определяют выраженность основных фаз режима, и в этом смысле они являются подчиненными по отношению к климатическим факторам. Поэтому наиболее общие черты географического распределения внутригодового режима стока рек СССР могут быть охарактеризованы на основании климатических закономерностей.

Климатические факторы формирования внутригодового режима стока и основные закономерности его географического распределения. Рассея большая. Для территорий арктического, субарктического и умеренного поясов характерно образование устойчивого снежного покрова, поэтому есть возможность образования весеннего или весенне-летнего половодья. Большая часть субтропиков бывшего СССР занята пустынными территориями, либо горными, где высотная поясность. На территории СССР реки с чисто паводочным режимом не образуют сплошного пояса, разрозненные площади на югах. За исключением вышеупомянутых территорий почти вся территория занята реками, в формировании водного режима которых в той или иной мере регулярно (ежегодно) участвуют талые воды. Основные географические закономерности водного режима рек СССР объясняются: а) широтной поясностью, отражающей гидротермические условия формирования стока; б) меридиональной дифференциацией климатических условий, отражающей различия в степени континентальности климата и проявляющейся в общем уменьшении к востоку влагосодержания воздуха одновременно с понижением температуры холодного периода по мере удаления от Атлантического океана и усиления антициклонической циркуляции в его глубинных районов. На дальнем востоке проявляется влияние Тихого океана – в муссонных чертах климата и общем увеличении количества осадков на восточной периферии.

Широтная поясность проявляется, во-первых, в продолжительности холодного периода, сроках образования и схода снежного покрова, количестве твердых осадков. Продолжительность периода со снежным покровом – от 240-260 в Арктике до 20-40 дней на юге умеренного пояса, соответственно количество твердых осадков уменьшается от 200-400 до 50-25 мм. Во-вторых, с севера на юг в летний период уменьшается увлажнение территории повсюду. Большая разница между испарением и испаряемостью, изменения по широте. Изменение увлажненности территории в летний период приводит к значительной географической дифференциации характера летней межени: в зоне избыточного увлажнения часты дождевые паводки, в засушливых районах межень длительная и устойчивая, паводки образуются только при исключительно интенсивных ливнях. Увлажнение определяет также глубину залегания грунтовых вод и степень их участия в питании рек. Устойчивость и продолжительность зимнего периода, связанная с характером термического режима холодного периода, в общем, также зависит от широтного положения: на северных реках она длительна и устойчива, на южных окраинах при оттепелях могут формироваться паводки. Однако в характере зимнего периода столь же резко проявляются меридиональные факторы дифференциации, особенно в умеренном поясе, например, изотермы январских температур на ЕТР имеют почти меридиональную направленность. Между среднемноголетними изотермами января -8° и -9° находится граница, отделяющая западные и юго-западные районы страны, где водность зимней межени выше, чем летне-осенней, всюду к востоку от этой границы зимний сезон является самым маловодным, межень устойчива и продолжительна. Второй природный рубеж – между изотермами -20° и 24° - это районы с длительной зимней меженью (больше 120 дней), интенсивным наледеобразованием, значительным распространением перемерзания средних и больших рек. Во внутригодовом ходе осадков также ощутимо проявляется меридиональная дифференциация климатического режима. В горных районах главный фактор высотная поясность и вытекающие из него последствия.

Общее представление о географическом распределении внутригодового режима стока рек может быть получено при рассмотрении схем классификации и районировании водного режима и по источникам питания: классификации Воейкова, Львовича, Зайкова, Кузина. Выделение гидрологических сезонов: назначается многоводный сезон с округлением до месяца с учетом раннего и позднего сроков прохождения, оставшаяся часть года относится к лимитирующему периоду, который делится на лимитирующий и нелимитирующий сезоны.

Факторы подстилающей поверхности; влияние площади водосбора на внутригодовое распределение стока. Эти факторы оказывают влияние через величину аккумуляции влаги дельта S. Значительная роль принадлежит почвенно-геологическим и геоморфологическим условиям. От водопроницаемости почв и пористости подстилающей поверхности, расчлененности рельефа и уклонов поверхности зависит соотношение поверхностного стока и стока, поступающего в речную сеть подземным путём. Встречаются случаи потери стока реки в трещины и карст. Лес и растительность оказывают регулирующее воздействие на внутригодовое распределение стока, влияют на характер снеготаяния и т.д., откуда сток идет в грунтовые воды, таким образом снижая половодья и паводки, увеличивая грунтовый и меженный сток рек, русла которых дренируют подземные воды. Влияние площади водосбора: увеличение длины реки и площади водосбора увеличивают продолжительность весеннего половодья и дождевых паводков, снижение максимальных модулей стока. С другой стороны, увеличение глубины эрозионного вреза, дренирование более глубоких горизонтов и увеличение меженных модулей стока. Андреянов – эмпирическая формула для ЕТР: d = a – c* lg [(F+1)/2000], где d = 1 – фи (фи – коэффициент естественной зарегулированности), a и с – географические параметры, с примерно равно 0,10 для большей части ЕТР.

Мощный фактор регулировки – озера проточного типа, аккумуляция в озерах избытка стока половодий и паводков, выравнивание внутригодовых колебаний стока. Аналогично болота. Больший эффект регулирования достигается пойменными и припойменными болотами. Снижение летних паводков большой поглощающей способностью торфяников в засушливое время.

Существенное влияние – карст. Иногда выравнивание (карст как регулирующая емкость), иногда неравномерный сток за счет отсутствия грунтового питания.

Наледи – восток страны. Объем речного стока зимой сокращается. К лету оттаивает, иногда таким образом доля наледной составляющей достигает 35-40% в речном стоке. Наледи подземных вод – Северо-Восток этой страны и т.д.

Таким образом, климатические факторы определяют наиболее общие черты внутригодового распределения стока и наиболее общие закономерности распространения его типов. Факторы подстилающей поверхности выступают как факторы естественной зарегулированности, перераспределения стока во времени. Именно необходимость учета факторов подстилающей поверхности выдвигает в практических расчетах внутригодового распределения стока методы гидрологической аналогии на первый план.