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

воды в смежном покрове в лесу часто вычисляется по данным сне­ гомерных съемок на открытой местности с учетом среднего соот­ ношения запасов воды в лесу и на полях.

Четырехлетние, с 1966 по 1969 г., специальные наблюдения Валдайской гидрологической лаборатории Государственного гидро­ логического института показали, что на кронах довольно густого

этот снег испаряется. Задержание твердых осадков на кронах соснового леса приблизительно на 20% меньше, чем на кронах ело­ вого той же полноты. Лиственный лес зимой практически не задер­ живает твердые осадки.

Согласно данным Валдайской лаборатории, испарение с по­ верхности смежного покрова в еловом лесу за зиму равно в сред­ нем 8 мм. Таким образом, общая величина испарения снега-в ело­ вом лесу составляет в среднем 37 мм. На полях в районе Валдая испарение с поверхности снега за зиму в среднем несколько меньше 30 мм, т. е. почти на 10 мм меньше, чем в еловом лесу. В лист­ венном лесу испарение с поверхности снежного покрова за зиму составляет около 10—12 мм.

Таким образом, разность величин испарения на открытой мест­ ности и в еловом лесу, на открытой местности и в лиственном лесу имеет разный знак. В еловом лесу снега должно накапливаться меньше, чем в поле, а в лиственном — больше. Но не надо забы­ вать, что на соотношение количества накапливаемого снега ока­ зывают влияние и такие явления, как оттепели и образование инея и изморози на кронах хвойных деревьев.

Как показывают материалы снегомерных наблюдений, разница в запасах воды в снежном покрове в лесу и на полях часто появ­ ляется уже в начале зимы. Причина в том, что во время оттепелей, которые в данный период года особенно часты, снег на полях час­ тично, а иногда полностью стаивает, а в лесу почти весь сохраня­ ется. Если зимой бывает несколько оттепелей, то это обычно вызы­ вает уже значительное расхождение величин запаса воды в снежном покрове в лесу и на полях перед началом весеннего снеготаяния. В этих случаях снега в лесу бывает значительно больше, чем на от­ крытой местности.

Из изложенного следует, что отношение величин запасов воды в снеге в лесу и на открытой местности не является постоянной величиной, даже если будем рассматривать лес определенного со­ става и полноты. Тем более меняется это отношение для лесов, неодинаковых по своим таксационным характеристикам.

При отсутствии значительных оттепелей отношение величин за­ пасов воды в снежном покрове в лесу и в поле перед началом тая­ ния k по имеющимся данным приблизительно составляет: для гу­ стых еловых 0,95—1,00; для смешанных средней густоты 1,10—1,15; для густых лиственных 1,15—1,20 и для сравнительно небольших

увеличение разницы запасов воды в снеге в лесу и в поле, коэф­ фициент k может достигать для хвойных лесов 1,2—1,3, а для не­ больших массивов леса, расположенных по балкам (оврагам), 1,4-1,5.

Если нужно вычислить запас воды в снежном покрове в бас­ сейне, частично покрытом лесом, то пользуются формулой

s = s n( l - T)+s.„T, (17.VII)

где Sn и s.T — запас воды в снеге соответственно на открытой и лес­ ной частях бассейна; у — лесистость бассейна в долях единицы.

При разработке методов прогнозов половодья пользуются только данными снегомерных съемок. Точность определения запаса воды в снежном покрове по материалам наблюдений за твердыми осадками ниже. Исключение возможно для районов, где снежный покров часто бывает неустойчивым. Как увидим ниже, при разра­ ботке методов прогнозов весенне-летнего половодья на горных ре­ ках предпочтение, наоборот, отдается данным наблюдений за осад­ ками. Какими обстоятельствами это вызывается — тоже говорится ниже.

Уже более десяти лет назад в СССР и за рубежом были скон­ струированы походные снегомеры для измерения запаса воды в снежном покрове путем определения гамма-излучения, проникаю­ щего через снег. Источником гамма-излучения в приборах обычно ‘служит Со60 активностью 30—80 мКи. Источник помещается у нижнего конца металлического стержня, погружаемого в каждой точке измерения в снег до поверхности почвы, а счетчик Гейгера— Мюллера — на этом же стержне на высоте около 2 м над смежным покровом. Гамма-излучение /, проникающее через снежную массу, равно

в см-1; s — запас воды в снежном покрове в г/см2.

В 1962 г. в нашей стране был теоретически и практически раз­ работан метод определения запаса воды в смежном покрове путем измерения с самолета естественного гамма-излучения почвы. Ме­ тод получил название самолетной гамма-съемки снежного покрова. Коротко его суть в следующем.

Осенью перед установлением снежного покрова с самолета, ле­ тящего на высоте Я, измеряется специальными приборами естест­ венное гамма-излучение почвы на выбранном и зафиксированном на карте маршруте. Зимой в заданный срок измерение излучения на том же маршруте и с той же высоты Я повторяется. Эта вели­ чина излучения будет тем меньше, чем больше масса слоя снега на земной поверхности. Зная обе величины излучения, из формулы (18.VII) можем найти величину запаса воды в снежном покрове s.

Эта величина является осредненной на полосе шириной 2—3 Я, где Я — высота полета самолета, составляющая 50—100 м, и дли­ ной, равной длине единичного маршрута. Его минимальная длина

194

равна расстоянию, проходимому самолетом за 30 сек, обычно это бывает 15—25 км. Длинные маршруты, например пересекающие большие бассейны, представляют собой последовательность еди­ ничных. Параметры сети самолетных маршрутов, прежде всего межмаршрутные расстояния, зависят от статистической структуры поля запаса воды в снежном покрове и заданной точности вычис­ ления запаса воды в снеге в бассейне с минимальной, тоже задан­ ной, площадью; обычно эта площадь принимается равной 1000— 2000 км2.

Самолетная гамма-съемка имеет довольно высокую точность и требует мало времени для измерения снежного покрова на боль­ шой территории. Средняя квадратическая ошибка определения запаса воды в снежном покрове на единичном маршруте длиной 10 км составляет 6—8 мм. На основе анализа статистической структуры поля запаса воды в снежном покрове можно прийти к выводу, что при межмаршрутном расстоянии 40—60 км и длине единичного маршрута 15—25 км точность вычисления среднего за­ паса воды в снеге на площади около 3000 км2 составляет прибли­ зительно 10%.

Самолетная гамма-съемка может производиться на равнинной или всхолмленной местности с разностью отметок до 400 м при запасах воды в снеге до 300 мм. В последние годы съемкой охва­ тывается площадь до 2 млн. км2; это главным образом северные лесные районы и тундра, где сеть станций редкая.

Рассмотренный способ измерения запаса воды в снежном по­ крове с самолета был положен в основу сконструированного тоже

внашей стране походного радиоэлектронного снегомера М-100. Ошибка измерения этим прибором не превышает 3—8 мм при за­ пасах воды в снеге от 10 до 300 мм. По сравнению со снегомерной съемкой с помощью рейки и весового снегомера, производимой на станциях, съемка с использованием прибора М-100 требует вре­ мени в 5—6 раз меньше.

Необходимо отметить, что при неустойчивом снежном покрове точность определения запаса воды в нем путем описанных измере­ ний естественного гамма-излучения почвы понижается. Причина этого — некоторое изменение интенсивности гамма-излучения почвы вследствие резких колебаний ее влажности.

Ледяная корка на поверхности почвы — явление довольно ха­ рактерное для южных, западных и центральных районов Европей­ ской территории СССР. Образуется она, как правило, в декабре— феврале в результате оттепелей, но лишь в том случае, если почва слабо водопроницаема. Как показывают наблюдения на станциях,

в80—90% случаев корка образуется не сплошная, т. е. появляется местами, в основном в различных углублениях на поверхности почвы. В лесу ледяная корка наблюдается очень редко.

Обычно запас воды в ледяной корке составляет меньше 10 мм

впересчете на слой воды на всю площадь бассейна. Но в отдель­

превосходит запас воды в снеге, если он составляет примерно до

40—50 мм.

Таким образом, в некоторые годы таяние ледяной корки может вызвать существенное увеличение поступления талых вод на по­ верхность бассейна. Это прежде всего относится к южным, запад­ ным и центральным районам Европейской территории СССР. Усло­ вия стока воды, образующейся в результате таяния ледяной корки, в общем те же, что и условия стока талых вод от таяния снега. Поэтому при разработке методов прогнозов весеннего стока за­ пасы воды в снежном покрове и ледяной корке суммируются (в дальнейшем для суммы этих двух величин сохраним обозначе­ ние s, принятое для запаса воды в снеге).

Измерения толщины ледяной корки производятся на станциях в местах определения плотности снега во время рассмотренных выше снегомерных съемок. Относительный размер площади /, по­ крытой ледяной коркой (в долях единицы), вычисляется как отно­ шение числа мест (точек), где при определении плотности снега была обнаружена ледяная корка, к общему числу мест (точек) этих определений на всем снегомерном маршруте. В районах рас­

в ледяной корке вычисляется по формуле sn. и=0,9/#л. к, где Ял. к— средняя толщина ледяной корки в миллиметрах. Самолетная гамма-съемка дает общий запас воды — в снеге и в ледяной корке.

Считается, что наличие ледяной корки не приводит к сущест­ венному уменьшению инфильтрации талых вод. Такой вывод осно­ вывается на том, что корка, как уже отмечалось, образуется лишь тогда, когда под влиянием предшествующего увлажнения и про­ мерзания почва стала слабо водопроницаемой.

Рассмотрим две составляющие водного баланса: лц — осадки за время снеготаяния, х->— осадки на поверхности почвы, освободив­ шейся от снега.

варительно условиться, что будем понимать под датой схода снега на данной площади, в частности в окрестностях станции. Освобож­

сколько-нибудь точно рассчитать гидрограф за период половодья по данным об интенсивности снеготаяния.

В большинстве исследований за день схода снега принимается тот день, когда относительная величина площади, покрытой сне­ гом, снижается до 0,10—0,15. Исходными данными для фиксирова­ ния этого дня служат ежедневные визуальные наблюдения стан­ ции за степенью покрытия ее окрестностей снегом. Даты схода снега должны устанавливаться отдельно для открытой местности

196

(полей, лугов и т. п) и территории, покрытой лесом. Заметим, что в лесах снег исчезает позже, чем на полях, в южной половине рав­ нинной территории СССР на 6—8 дней, в северной — на 10— 18 дней.

Как уже отмечалось, в большинстве лет количество осадков за период снеготаяния невелико по сравнению с запасом воды в снеге. Объясняется это в общем небольшой продолжительностью этого периода и, конечно, характером атмосферной циркуляции весной. В южной половине равнинной территории СССР количество осад­ ков за время таяния снега обычно не превышает 10—15 мм, но в отдельные годы достигает 40 мм и даже бывает больше. В север­ ной половине для периода снеготаяния в лесу имеем соответст­ венно 25—30 и 70—80 мм. В густом хвойном лесу около 20% осад­ ков задерживается кронами деревьев.

Условия поглощения (потерь) осадков, выпадающих во время снеготаяния в общем те же, что и потерь талых вод. Поэтому при разработке методов долгосрочных прогнозов стока за период по­ ловодья эти осадки суммируются с запасом воды в снежном по­ крове и ледяной корке на поверхности почвы. Следовательно, име­ ется возможность принимать в расчет одну общую величину по­ ступления воды на поверхность бассейна за время снеготаяния s+JCi. Конечно, это облегчает разработку методов. Но соотношение величин s и Xi имеет большое значение при выяснении возможно­ сти составления долгосрочных прогнозов стока за период поло­ водья. Чем больше величина Хі, тем меньше эти возможности при прочих равных условиях.

В различных географических зонах и районах сток у я, обуслов­ ленный осадками, выпавшими за время от схода снега до оконча­ ния половодья существенно различается как по абсолютной вели­ чине, так и относительно стока за половодье. Значит, роль этих осадков Xz в формировании половодья, точнее его спада после мак­ симума, существенно меняется по территории. Наиболее значи­ тельна она в лесной зоне и мала в сухостепной и на большей части степной зоны. Разумеется, в одном и том же бассейне эта роль более или менее меняется от года к году в зависимости от харак­ тера погоды в течение примерно 10—-20 дней после схода снега. Количество осадков, выпадающих за время от схода снега до окончания половодья, вычисляется общепринятыми способами по данным наблюдений станций.

Условия формирования стока, обусловленного поступлением воды на поверхность бассейна в период таяния снега, которое равно сумме s + л' і , и стока во время дождей после схода снега, общее количество которых обозначено через хг, как уже упоминалось, обычно весьма различны. Отметим лишь следующее: оттаивание почвы, освободившейся от снега, происходит быстро, а испарение

сее поверхности — достаточно интенсивно, особенно при солнечной погоде. Главным образом по этой причине коэффициент стока дождевых паводков в период спада половодья сильно понижается

сростом числа дней, отделяющих начало паводка от стока схода

197