3.2.3. Стік води в річках

Основний стік води з суходолу в океан відбувається у річках. Тому річковий стік є визначальним (його часто ототожнюють зі стоком в цілому). За ним ведуться спостереження як на розвинутій гідрологічній мережі, так і в експедиційних умовах та дистанційно. Відносній зручності спостережень сприяє концентрація вод в чітко виражені річкові струмені.

Облік стоку води в річках — розвинута ланка гідрології та гідрометрії. Він може базуватися на традиційних вимірюваннях витрат та рівнів води, застосуванні методу змішування, гідрологічних витратомірів, використанні даних роботи технічних систем і приладів та інших методиках. Ці методики розглядаються в річковій гідрометрії і частково у прикладних гідрологічних науках. Основними є перша та остання групи методів. У першій вимірювання витрат проводять за допомогою гідрометричних млинків та поплавків різної конструкції. Кількість вимірювань в основному не перевищує — десятки на рік. Тому для обліку стоку використовують їх зв’язок з рівнями води (криві витрат, див. 2.4.5.), які вимірюють по декілька раз на добу. Характер зв’язку деколи буває досить складний. Тому розроблено цілий ряд методик його додаткового аналізу. Таким чином отримують середньодобові витрати води.

Остання група методів обліку стоку пов’язана з існуванням значної кількості гідротехнічних споруд на річках. Вода, що проходить через турбіни, затвори, шлюзи, або перекачується насосами може бути добре облікована. Як правило точність такого обліку вища (1-2%) ніж за першою групою методів (5-15%). Тому він дуже важливий.

На базі обліку стоку від початку XX століття розвинулась наука про його розрахунки, оцінки, передбачення (прогнози). Фактично це комплекс наук: гідрологічні розрахунки, гідрологічні прогнози стоку, певні розділи гідрометрії, розділи загальної гідрології, частина водогосподарських розрахунків, математичне моделювання водного режиму річок та інші. В цих дослідженнях розрізняють генетичний та імовірностно-статистичний підходи. Вони певною мірою об’єднуються в сучасних підходах з використанням ЕОМ.

Генетичні дослідження річкового стоку прослідковують його розвиток як фізичного процесу, зв’язок з основними факторами, природними умовами. При цьому основну увагу приділяють причинно-наслідковим зв’язкам. Вони тісно взаємопов’язані з дослідженнями водного режиму, класифікаціями річок за ним, гідрологічним районуванням територій. Тут широко застосовують географо-гідрологічні методи. Зокрема: методи гідрологічної аналогії, гідрологічної інтерполяції, регіональних коефіцієнтів, водного балансу, розчленування гідрографів стоку за джерелами живлення (генетичного розчленування) та інші. До генетичних методів можна віднести також певні види моделей стоку (метод ізохрон стоку, детерміновані моделі та ін.).

Імовірностно — статистичні методи базуються на уявленні про те, що характеристики стоку утворюють статистичні ряди (сукупності). Їх аналіз, дослідження повинні проводитися методами теорії імовірностей та математичної статистики. Такий підхід надзвичайно розвинутий і має велике прикладне значення. Він дозволяє аналізувати стік як в часі так і в просторі, виявляти деякі генеральні закономірності.

Характеристики водності річок (стоку) відносяться до різних періодів часу. Це можуть бути виміряні витрати води, середньодобові, середньодекадні, місячні, річні, багаторічні. Об’єми стоку (або просто стік) можна рахувати за паводок або повінь, за місяць, сезон, рік, багаторічний період. Відповідно розглядають і інші показники. Осереднення, або інтегрування за сезон та більше приховує вплив окремих фаз водності. Особливо це стосується річних та багаторічних показників. Довготривалі і короткотривалі характеристики відрізняються між собою не тільки у статистичному відношенні, але і генетично. Тому прийнято окремо розглядати середній багаторічний стік, максимальний стік (паводки та повені) і мінімальний стік (періоди межені).

Дослідження середнього стоку базуються на середніх річних витратах, або інших відповідних показниках. Тому його також називають річним. Основним завданням цих досліджень є визначення норми стоку — середнього значення за багаторічний період такої тривалості, при збільшенні якої отримане значення суттєво не змінюється. Основний спосіб розрахунку норми — побудова кривих забезпеченості для статистичних рядів, що складаються з середніх річних витрат води в річці. Достатньою величиною ряду вважають 25-30 років та більше. У теперішній час цьому критерію задовольняють практично всі ряди спостережень. Криві забезпеченості можуть бути емпіричними та теоретичними (відповідати певному математичному закону, рівнянню). Якщо крива для даного пункту спостережень відповідає необхідним вимогам, то витрата, або інший показник, забезпеченістю 50%, знятий з неї буде нормою. Для перетинів річок де відсутні дані спостережень норма розраховується іншими способами (за допомогою карт ізоліній стоку, певних розрахункових формул, методом аналогії та ін.).

Як бачимо з визначення, норма повинна відноситися до репрезентативного ряду. Тобто до такого, який буде адекватно представляти генеральну статистичну сукупність. Останнє поняття пов’язують з генеральними умовами, основними закономірностями формування даного роду випадкових величин. Репрезентативність ряду не завжди легко визначити (доказати). Середній річний стік має досить складні закономірності змін як в часі так і у просторі. Не всі вони ще вивчені. Існують періодичні, циклічні та однонаправлені зміни які відбуваються під дією складної системи факторів (як і клімат, що в першу чергу їх визначає). Таким чином дослідження середнього стоку мають різні аспекти.

В поняття максимального стоку включають: максимальні витрати, модулі, шари, стік за період паводку або повені і просто процеси формування високого стоку в річках (в сезонному аспекті). Умови формування максимального стоку різноманітні та специфічні. Тому існує велика кількість методик та способів розрахунку його показників. Існує також особливість розгляду максимального стоку: до нього можна включати лише найбільші річні значення (що характерно для снігових повеней), або всі максимуми (що характерно для паводків, що повторюються по декілька раз на рік). Специфіка формування максимального стоку впливає також на те, що його важко картувати. Як правило, складають карти показників, що мають вирішальне значення (шари та модулі опадів, сніготанення та інші). Існує досить багато математичних моделей максимального стоку. Одною з найперших була генетична формула (теорія) стоку, або метод ізохрон (одиничного гідрографа). Вона зберегла своє значення до наших днів. В її основі лежать уявлення про процеси добігання поверхневого стоку від схилів (вододілів) до замикаючого (даного) створу. Вони розробляються ще з початку XX століття.

Паводок, що визначається одиничним гідрографом, також називають одиничним, елементарним. Це ідеалізоване поняття. Весняна повінь, або дощові паводки формуються внаслідок додавання елементарних порцій (витрат) води, що поступають з різних частин водозбору. В основу схеми одиничного гідрографа покладено час добігання при умові сталої інтенсивності поступання води від дощів чи сніготанення. Він залежить від відстані до замикаючого створу (l) та швидкості руху води :

.

В залежності від найбільшого часу добігання вибирають розрахункові інтервали часу , та відповідні розрахункові відрізки руху . Починаючи від даного (розрахункового, замикаючого) створу вверх по річках відкладаються . Системи рівновіддалених точок з’єднуються плавними лініями, які називаються ізохронами стоку (рис. 3.8). Їх напрямки в цілому співпадають з напрямками (положенням) ізогіпс, оскільки лінії стікання поверхневих вод повинні бути перпендикулярні до них. Якщо — інтенсивність поступання води за перший розрахунковий інтервал часу, то витрати в замикаючому створі буде складати:

, (3.6)

де — площа, обмежена першою ізохроною. Для кінця другого інтервалу часу будемо мати:

. (3.7)

Прийнявши можемо записати:

(3.8)

та

чи . (3.9)

Остання формула називається генетичною формулою стоку, або формулою одиничного гідрографа. Пряме її використання значно затруднене у зв’язку зі значним ступенем ідеалізації процесу. Але вона лежить в основі багатьох більш досконалих математичних моделей. Існують також інші принципові схеми опису гідрографів паводків, або повеней.

Мінімальний стік пов’язаний з меженню. Він включає такі характеристики: добові, середні місячні та 30-денні за кожну межень, середні багаторічні їх значення, мінімуми різної забезпеченості; абсолютний мінімум. Як і у дослідженнях максимального стоку тут розроблені різноманітні методики розрахунку необхідних показників.

Все різноманіття процесів формування стоку відповідає різноманітності руху та фазових переходів води на територіях (водозборах) різного масштабу — від локального до глобального. На різних ієрархічних рівнях і в різних умовах діють особливі закони формування, що характерно для складних систем. Тим не менше існують спроби виділення найбільш загальних законів.