Файл: Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник.pdf

где Оу — среднее квадратичное отклонение, численно равное

2 ( У і - Y f

п — 1

Таким образом,

у.

где = —Т------модульный коэффициент годового стока Yi,an — чи-

Y

ело членов вариационного ряда.

Им3/ с

Рис. 99. Кривая обеспеченности средних годовых расходов воды р. Томи у г. Новокузнецка за 1894— 1957 гг.

Для точного вычисления Cs необходимы ряды с очень большим числом членов, поэтому на практике часто принимается эмпириче­ ское соотношение CS = 2CV. Коэффициент асимметрии характери­ зует несимметричность ряда величин стока относительно его сред­ него.

Теоретические кривые строятся с помощью таблиц интеграла

биномиальной асимметричной кривой. Зная C„, Cs и Y, с помощью этих таблиц можно получить величины стока заданной обеспечен­ ности.

Характеристика изменчивости годового стока при помощи коэф­ фициента вариации носит чисто статистический характер, так как при этом рассматриваются только количественные изменения вели-

чин годового стока и не принимаются во внимание причины этих из­ менений.

Из уравнения водного баланса речного бассейна за отдельные годы, имеющего вид УГ = АГ— ZT± Ù T, следует, что величина годо­ вого стока Уг зависит от годовой суммы осадков Хт, расхода на ис­ парение ZT и накопления и расходования влаги в бассейне Ur. Таким образом, ведущими факторами стока за отдельные годы яв­ ляются метеорологические, всем остальным, как правило, принад­ лежит второстепенная роль. Влияние метеорологических факторов на величину годового стока неодинаково в различных ландшафтных

образом годовой суммой осадков и колебания годового стока из года в год происходят почти параллельно колебаниям годовых сумм осадков. В зоне недостаточного увлажнения, где подавляющая часть годового стока проходит в период весеннего половодья, коле­ бания годового стока повторяют колебания стока весеннего поло­ водья. По этой причине колебания годового стока в этой зоне зави­ сят не от изменений годовых сумм осадков, а только от количества осадков, выпадающих в виде снега.

В отдельные годы эти закономерности нарушаются. В первой зоне эти нарушения отчетливо проявляются при различном харак­ тере распределения осадков в году и различной степени их расходо­ вания на испарение и просачивание. Во второй зоне существенное влияние оказывают влажность и промерзание почвы перед весен­ ним снеготаянием.

Влияние прочих неметеорологических факторов на колебания го­ дового стока сводится к воздействию этих факторов главным обра­ зом на накопление и расходование влаги в бассейне. Оно прояв­ ляется преимущественно в сглаживании колебаний годового стока, обусловленных метеорологическими факторами. Наиболее отчет­ ливо это сглаживающее влияние проявляется в горных районах, где в питании рек значительная роль принадлежит ледникам и вечным снегам.

Распределение стока в течение года (по сезонам, месяцам, де­ кадам) отражает характерные особенности водного режима реки и зависит, следовательно, от источников питания и изменения соот­ ношений элементов водного баланса в течение года. Выражается внутригодовое распределение стока обычно в долях или в процентах от величины годового стока.

Уравнение водного баланса речного бассейна за любой проме­ жуток времени года может быть принято в виде

Yi= X i- Z i ± U i,

где Yi — величина стока за данный промежуток времени; Х і — коли­ чество осадков; Zi — испарение; ±£/г- — накопление и расходование влаги в бассейне за тот же промежуток времени.

Соотношения между элементами водного баланса в течение года не остаются постоянными, в связи с чем в климатических условиях

ции и температуры воздуха, годовой ход стока в общем следует го­ довому ходу температуры воздуха (рис. 100 а). Разновременность таяния снега в различных высотных зонах в горах приводит к ра­ стягиванию половодья и придает более равномерный характер рас­ пределению стока в период половодья, чем на равнинных реках.

Если же осадки полностью выпадают в жидком виде, то внутри­ годовое распределение стока определяется режимом осадков и теми условиями, которые благоприятствуют или не благоприятствуют формированию стока, главным образом способностью почво-грун- тов поглощать то или иное количество влаги. Эта способность почвогрунтов поглощать влагу, помимо их физических свойств, зависит от степени их увлажненности или иссушенности, что связано с тем­ пературным режимом воздуха. Примером влияния режима осадков и температуры воздуха на внутригодовое распределение стока мо­ гут служить реки Сан-Франсиску (Южная Америка), Темза, Сона (Европа). В бассейне р. Сона, например, при относительно равно­ мерном распределении осадков в году концентрация стока прихо­ дится на холодное время года и внутригодовое распределение стока обратно ходу температуры воздуха (рис. 100 6).

Большое регулирующее влияние на распределение стока в тече­ ние года оказывают озера и водохранилища (см. § 201). Озера на­ капливают воду в период повышенного стока и отдают накоплен­ ные воды в последующий период. Регулирующая роль озера зависит от его размеров, морфологии, запасов воды в нем, условий истече­ ния воды из него и положения озера в бассейне реки. Обычно чем больше площадь озера по сравнению с собственным водосбором реки, вытекающей из него, тем больше регулирующая роль озера. Это отчетливо прослеживается на стоке р. Невы, вытекающей из оз. Ладожского, р. Свири, берущей начало из Онежского озера, р. Роны, регулируемой Женевским озером. Однако регулирующая роль озера заметно снижается в засушливых районах под влиянием больших потерь на испарение.

ГЛ А В А 34. ТЕРМИЧЕСКИЙ И ЛЕДОВЫЙ РЕЖИМ РЕК

§148. Тепловой баланс рек и особенности их температурного

режима

Термический режим рек формируется в результате теплообмена между водной массой и окружающей средой (атмосферой), с одной стороны, и ложем русла — с другой. Теплообмен протекает различно при открытой водной поверхности и при ледяном покрове. Соста­ вляющими теплообмена с атмосферой при открытой водной поверх­ ности, так же как и в морях (или озерах), являются: поглощение водой прямой и рассеянной солнечной радиации Q@, эффективное излучение Q3$, непосредственный обмен теплом с атмосферой QT на поверхности соприкосновения ее с водой, затрата тепла на испа­ рение и выделение его при конденсации QH.

При наличии ледяного покрова интенсивность теплообмена между атмосферой и водной массой резко снижается. Лед и выпа­ дающий на него снег уже при толщине 10—20 см практически пре­ кращают доступ к воде лучистой энергии солнца и исключают встречное излучение. Прекращаются конденсация и испарение с водной поверхности. Нарушается турбулентный обмен теплом не­ посредственно между водной массой и атмосферой. В результате теплообмен осуществляется через толщу ледяного и снежного по­ крова путем теплопроводности.

Роль теплообмена с ложем русла (QA) в общем балансе тепла речных вод значительно меньше, чем теплообмена с атмосферой. Летом происходит отдача тепла водной массой ложу реки, зимой поток тепла направлен от дна к воде.

В тепловом балансе речных вод некоторое значение (2—3% сум­ марного теплообмена равнинных рек) имеет тепло, возникающее внутри потока в результате перехода части энергии, расходуемой на преодоление гидравлических сопротивлений, в тепловую (Qn).

Таким образом, уравнение теплового баланса за время t для

где Qв — поступающее тепло, a QH— тепло, удаляемое вместе с во­ дой, протекающей через верхний и нижний створы, ограничиваю­ щие участок реки.

Роль тепла, приносимого грунтовыми водами, обычно невелика, но может быть для некоторых рек заметной, особенно в зимний пе­ риод. Другие элементы теплового баланса (тепло, поступающее с дождевыми осадками, расходуемое на таяние снега в воде, выде­ ляемое при биохимических процессах, затрачиваемое на таяние льда или выделяемое при ледообразовании в переходные периоды года) малы и не всегда учитываются.

Перенос тепла в толщу потока, поступающего на поверхности раздела воды с атмосферой и грунтами, осуществляется главным образом в процессе турбулентного перемешивания, свойственного

и расходом тепла, что и обусловливает типические черты темпера­ турного режима речных вод.

В годовом цикле температурного режима речных вод отчетливо выделяются два периода: открытой водной поверхности и ледо­ става. В первом периоде вследствие турбулентности потока и ин­ тенсивного перемешивания вся водная масса быстро реагирует на изменение метеорологических условий и ход температуры воды почти параллелен ходу температуры воздуха (отчетливо это прояв­ ляется на реках малой водности). В первой половине этого пе­ риода, в особенности во время весеннего половодья, температура

воды ниже температуры воздуха, а затем, наоборот, температура воды превышает температуру воздуха. Такой ход температуры реч­ ных вод свойствен большинству рек нашей страны. Однако в ряде случаев он нарушается, так же как нарушаются и соотношения между температурами воды и воздуха.

На горных реках, питающихся талыми водами вечных снегов и ледников, разности между температурами воды и воздуха оста­ ются отрицательными в течение всего теплого периода. По мере удаления от истока эти разности становятся меньше.

При наличии ледяного покрова температура воды в реке оста­ ется почти постоянной и близкой к 0° С.

§ 149. Распределение температуры воды по живому сечению

Турбулентный характер течения воды в реках придает, в общем, однородность (гомотермию) распределению температуры воды по живому сечению. Вместе с тем в различные сезоны существуют не­ которые особенности в распределении температуры воды как по ширине, так и по глубине рек. Температуры воды большинства рек в период нагревания в прибрежной части выше, чем на стрежне, в период охлаждения — ниже.

Наибольшие изменения температуры по поперечному профилю (до 8—9° С) происходят под влиянием приточности, если воды при­ токов теплее или холоднее вод главной реки.

Изменения температуры по глубине выражены значительно сла­ бее и при этом более отчетливо в период нагрева и менее отчетливо в период охлаждения. Весной, когда проходит половодье, темпера­ тура воды с глубиной уменьшается, но различия у поверхности и у дна не превышают 0,5° С. Летом (июль — начало августа) наблю­ дается прямая стратификация (см. § 186), причем разность темпе­ ратур редко достигает 2—3°С, но иногда и 5°С (Ангара). В сен­ тябре устанавливается обратная стратификация с разностью тем­ ператур у поверхности и у дна до 0,6° С.

§ 150. Изменение температуры воды по длине реки

Изменения температуры воды в реках по их длине зависят от ус­ ловий питания, приточности, особенностей теплового режима и свойств ландшафтных зон, по которым река проносит свои воды.

Почти на всех реках температура от истока повышается на не­ котором расстоянии вниз по течению. На реках, текущих с юга на север, это повышение прекращается при переходе из лесостепной зоны в лесную. Далее к северу температура воды понижается. Осо­ бенно заметно повышение температуры воды в степной и лесостеп­ ной зонах, где нагрев речных вод происходит наиболее интенсивно и притоки, протекающие в этих зонах, несут более теплые воды, чем главная река.

На реках, текущих с севера на юг, температура воды непрерывно повышается от истоков к устью, если только река не принимает