Файл: Аполлов, Б. А. Курс гидрологических прогнозов учебник.pdf

от года к году. Грунтовые воды, в отличие от глубже расположен­ ных подземных вод, находятся в зоне активного водообмена. Наи­ более высоко грунтовые воды стоят, как правило, весной, после схода снега и низко — при продолжительном бездождье и в конце суровой зимы. Повышение их уровня наблюдается осенью, если выпадает много дождей. При дождливой осени в слое подзолистой почвы, господствующей на огромных пространствах лесной зоны, даже образуется временный водоносный горизонт, так называемая верховодка. Относительным водоупором для нее служит слабопро­ ницаемый иллювиальный слой почвы, залегающий обычно на глу­ бине 30—50 см. Верховодка дает некоторое питание ручьям и рекам.

По мере истощения запасов грунтовых вод подземное питание рек, о чем в бездождный период легко судить по расходам воды, уменьшается до некоторого минимума, обусловленного притоком глубинных вод. Это уменьшение хорошо описывается уравне­ нием

Q <= ( Q o - ? r ) e ' _ e ' + ? r , (З.ѴІ)

где Qo и qr — соответственно начальный расход воды в реке в без­ дождный период и расход воды в м3/с, отвечающий интенсивности притока из достаточно глубоко расположенных водоносных гори­ зонтов (иногда этот приток называют глубоководным, устойчивым пли базисным стоком); і — время в сутках; а — параметр, характе­ ризующий интенсивность истощения запасов грунтовых вод; е — основание натуральных логарифмов.

Интересно, что сама возможность применения в нашем случае уравнения такого вида означает, что между притоком грунтовых вод в реку и их запасом существует линейная зависимость (эта зависимость, конечно, приближенная). Напомним, что уравнение (З.ѴІ) применялось нами ранее (см. § 6, гл. IV) также для аппрок­ симации зависимости расходов воды на спаде половодья от вре­ мени. Глубоководное питание реки мало меняется во времени. По­ этому величина q может считаться вторым параметром уравнения (З.ѴІ). Параметры а и q существенно зависят от гидрогеологиче­ ских условий и поэтому их величины меняются от бассейна к бас­ сейну. Параметр а в общем уменьшается с ростом площади бас­ сейна; иногда он незначительно меняется от года к году в связи с изменениями запасов грунтовых вод и другими факторами.

Как показано в гл. VIII и IX, в подземном питании горных рек тоже выделяются две составляющие: одна меняется во времени сильно, другая — в общем слабо.

Из сказанного следует, что изменения подземной составляющей стока за рассматриваемые сезоны года у т —-это в основном изме­ нения той ее части, которая представляет собой выклинившиеся грунтовые воды. Значит, для реки должна существовать прибли­ женная зависимость y n 3 —f { W 0r), где W 0г — начальный запас грун-

146

говых вод. При выявлении данной зависимости для определенной реки по материалам многолетних гидрологических и гидрогеологи­ ческих наблюдений вместо запаса грунтовых вод приходится брать их уровень. Он вычисляется по данным нескольких репрезентатив­ ных скважин, в крайнем случае по данным одной скважины. Дру­ гими приближенными показателями запаса грунтовых вод в бас­ сейне могут служить расход воды в замыкающем створе Q и запас

повышения водности реки за счет поверхностного дождевого стока два последних показателя запаса грунтовых вод, понятно, стано­ вятся весьма приближенными и даже совсем плохими.

Как мы уже знаем, поверхностный дождевой сток возникает тогда, когда интенсивность выпадения осадков превышает интен­ сивность впитывания воды почвой. Еще раз отметим, что впиты­ вающая способность почвы чрезвычайно сильно меняется по пло­ щади, даже в границах бассейна небольшого лога, и во времени. Интенсивность дождя, особенно не обложного, тоже сильно ме­ няется по площади и во времени. Все это, как увидим ниже, при разработке методов долгосрочных прогнозов летнего и осеннего стока обычно не учитывается. Тем не менее об этой неравномерно­ сти важно помнить, чтобы правильнее подходить к решению неко­ торых вопросов прогнозов. Так, необходимо иметь в виду, что с этой неравномерностью связано возникновение поверхностного стока в бассейне при средней по площади интенсивности дождя, значительно меньшей средней интенсивности впитывания воды во всем бассейне, возможной при данном начальном увлажнении почвы. И другой пример. Когда на части бассейна уровень грунто­ вых вод приближается к поверхности и во многих местах обра­ зуется верховодка, то на всей этой площади сток возникает даже при слабых дождях, а интенсивность дождя мало влияет на коли­ чество воды, поглощаемой почво-грунтами. Понятно, что при таких условиях, нередко возможных в зоне избыточного увлажнения, ве­ личина дождевого стока будет в основном определяться общим ко­ личеством выпавших осадков и частично начальным запасом влаги в почве.

Дождевая составляющая летнего и осеннего стока сильно меня­ ется по территории и во времени. В зоне избыточного увлажнения она, как правило; значительна, в зоне же недостаточного увлаж­ нения — мала. Но как в первой зоне бывает длительное бездождье, когда реки переходят исключительно на подземное питание, так и во второй зоне, в частности на степной части территории Украины, иногда бывает такое дождливое лето или осень, что дождевая составляющая стока становится очень большой. На горных реках дождевые паводки частое явление, особенно на реках Прибай­ калья, Карпат и отчасти Кавказа.

При разработке методов долгосрочных прогнозов летнего и осеннего стока за основные факторы его дождевой составляющей

[см. уравнение (1 -VI) ] принимаются количества осадков, а также влажность почвы перед началом интервала времени, за который берутся осадки. Иногда считается, что за показатель водопоглоти­ тельной способности можно принимать начальный запас воды в рус­ лах рек.

Осадки берутся за достаточно большой промежуток времени, обычно за месяц и больше, причем распределение осадков внутри этого промежутка, а также по площади бассейна часто не прини­ мается во внимание. Это объясняется тем, что при составлении прогнозов стока полностью учесть эту динамику все равно будет нельзя, так как долгосрочный прогноз осадков для этого еще недо­ статочно детален. Но, разумеется, из-за неучета динамики дождя по площади точность зависимости дождевого стока от количества осадков, которую мы получим на основе данных многолетних гид­ рометеорологических наблюдений, безусловно, окажется понижен­ ной. Для иллюстрации этого положения приведем следующий при­ мер. Пусть в одном случае за расчетный интервал времени на од­ ной половине бассейна выпало 5 мм дождя, на другой 25 мм.

Вдругом же случае дождь выпал равномерно и дал слой воды высотой 15 мм. При прочих равных условиях величина дождевого стока в этих двух случаях будет разная, хотя средняя высота слоя выпавших осадков была одинакова.

Когда дождевая составляющая предсказываемого летнего или осеннего стока существенно зависит от осадков, выпавших раньше срока выпуска прогноза, то тогда уже нужно учитывать распреде­ ление осадков и во времени, скажем по декадам, и по площади.

Касаясь количественной характеристики потерь дождевых вод, отметим, что почти во всех географических районах коэффициент дождевого стока сильно меняется от дождя к дождю, в среднем — от нескольких сотых до 0,5—0,6.

Из изложенного следует, что в настоящее время для составле­ ния долгосрочных прогнозов каждой из трех составляющих летнего

иосеннего стока мы можем устанавливать и потом пользоваться лишь физико-статистическими зависимостями. Их конкретный вид

иточность для каждой реки можно получить только при наличии соответствующих гидрометеорологических наблюдений станций за достаточно большое число лет, не меньше чем за 15—20 лет.

На практике рассмотренным путем обычно устанавливают не зависимости каждой из трех составляющей летнего и осеннего стока от определяющих факторов, а зависимости общей величины этого стока, скажем, за месяц, от важнейших факторов. Конечно, при этом весьма полезно знать заранее общий вид искомой зависи­ мости. Нередко при отыскании зависимости по ограниченным дан­ ным наблюдений она на графике связи бывает выражена нечетко.

Втаких случаях знание ее общего вида особенно важно, так как облегчается наиболее правильное проведение линий связи на графике.

Наибольшие возможности для долгосрочных прогнозов летнего

иосеннего стока, в частности на месяц вперед, имеются по тем ре­

148

кам, на которых подземный сток, меняющийся во времени плавно, достаточно велик. Отметим, что подземная составляющая летнеосеннего стока достигает 50—80% на многих реках Советского Союза.

§ 2. ОБЩИЙ ВИД ЗАВИСИМОСТИ ЛЕТНЕГО И ОСЕННЕГО СТОКА ОТ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ

Рассмотрим общий вид зависимости месячного стока Qn+зо, вы­ раженного в виде среднего месячного расхода воды, от количества тех осадков, которые дали часть этого стока, соответствующую дождевой составляющей у к в уравнении (1 .V1), и от расхода воды в замыкающем створе перед началом месяца Qn-

Количество этих осадков можно вычислить лишь приближенно, так как пока пет возможности рассчитать достаточно точно время, когда сток, вызванный данным дождем или дождями за данный

створе на реке. На практике за это количество осадков в одних случаях берется просто их сумма за месяц, на который предска­ зывается сток. В других, обычно когда река довольно большая, принимают в расчет осадки за 30 дней, сдвинутых от начала этого месяца в сторону ранних календарных дат на число дней, равное средней продолжительности добегания воды с бассейна до замы­ кающего створа. Например, если эта продолжительность равна 10 дням и разрабатывается способ прогноза стока иа август, то сумма осадков берется с 21 июня по 21 июля. Такой подсчет осад­ ков лучше, чем первый. Имеются и более детальные способы вы­ числения рассматриваемых осадков; на одном из них мы остано­ вимся несколько ниже.

Расход воды в замыкающем створе накануне начала месяца — начальный расход воды Qn — принимается в данном случае в со­ ответствие с ранее изложенным за характеристику общего увлаж­ нения бассейна, а также запасов воды в русловой сети бассейна и в водоносных горизонтах, питающих реку.

Общий вид зависимости представлен на рис. 49 и говорит о сле­ дующем.

AQ«+3o/ÄQn убывает с возрастанием Qn• Это объясняется главным образом аналогичным изменением коэффициента дождевого стока в зависимости от влажности почвы при выпадении данного количе­ ства осадков.

2 . При данном значении Qn увеличение количества осадков на одну II ту же величину вызывает тем большее возрастание месяч­

осадков при прочих равных условиях. Когда это количество весьма велико, то величина приращения стока стремится к величине, на которую возрастают осадки.

149