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

снега. Например, для паводков первой, второй и третьей декады после схода снега этот коэффициент в бассейне Дона равен в сред­ нем 0,4; 0,2 и 0,1 и в бассейне Северной Двины 0,5; 0,4 и 0,3. При этом в бассейне Дона при осадках, меньших 15 мм за декаду, дож­ девого стока обычно практически совсем не бывает. Коэффициент стока талых вод составляет для бассейна Дона в среднем 0,5 и для бассейна Северной Двины 0,7—0,8.

Вследствие значительной разницы коэффициентов стока талых вод и дождей, выпадающих за время от схода снега до окончания половодья, суммирование (s+Л'і) и хг при разработке методов прогнозов весеннего стока в общем случае нецелесообразно. Ясно, что при одной и той же сумме (s-t-л'і)+х'2 и при прочих равных условиях будет наблюдаться разный сток за период половодья, если соотношение (s+xi) и х% будет неодинаковым. Например, сток за половодье будет больше при s + xi=100 мм и х2=10 мм, чем при s + ,Vi= 60 мм и Хг= 50 мм.

§3. ПОТЕРИ ВОДЫ НА ИСПАРЕНИЕ, ИНФИЛЬТРАЦИЮ

ИПОВЕРХНОСТНОЕ ЗАДЕРЖАНИЕ

Испарение с поверхности тающего снежного покрова, как отме­ чалось, невелико и на полях, и в лесу. Обычно оно не превышает

(испарение с поверхности почвы плюс транспирация) после схода снега, то его интенсивность значительно выше. Часто ома состав­ ляет 1—2 мм/сут, а при благоприятных условиях бывает и больше. Общая величина этого испарения зависит также от продолжитель­ ности периода от схода снега до окончания половодья; эта про­ должительность растет с увеличением площади бассейна. Уже от­ мечалось, что на рассматриваемое испарение в основном расходу­ ется вода, проникшая в почву и уже не могущая стечь в реки, во всяком случае до окончания половодья. Исключение представляет часть бассейнов лесной зоны, на что тоже обращалось внимание.

За время снеготаяния на поверхность бассейнов поступает слой воды высотой от нескольких десятков до 200—300 мм. Но интен­ сивность поступления воды в общем довольно низкая, во многомного раз ниже интенсивности ливней. Среднее значение интен­ сивности таяния, которую пока будем считать за интенсивность поступления воды из снега на почву, увеличенное на среднее суточ­ ное количество осадков за время снеготаяния, равно для открытых пространств 9—13 мм/сут и для территории, покрытой хвойными лесами, 5—7 мм/сут. При дружном таянии интенсивность снего­ таяния на полях достигает 20—25 мм/сут, а в отдельные дни даже 30—40 мм/сут. Правда, в такие дни снежный покров обычно бы­ вает уже не сплошным, с проталинами.

Несмотря на в общем низкую интенсивность поступления воды на поверхность бассейна, значительная часть талой воды стекает. Это говорит о том, что интенсивность впитывания воды в мерзлую

198

почву часто бывает еще ниже. Тут следует, впрочем, отметить, что интенсивность снеготаяния имеет четко выраженный суточный ход и днем она значительно выше, чем получаем из приведенных зна­ чений. Но во многих бассейнах зоны избыточного увлажнения су­ щественный сток при интенсивности снеготаяния порядка 5— 10 мм/сут и ниже наблюдается даже тогда, когда водопроницае­ мость почвы перед началом снеготаяния бывает высокая. Объяс­ няется это тем, что, как отмечалось, часть талой воды, проникшей в почву, довольно скоро оказывается в русловой сети, а также тем, что после стаивания части снега уровень грунтовых вод и верхо­ водки на многих участках достигает поверхности и все последую­ щее поступление воды независимо от его интенсивности идет на сток.

Количество воды, поглощаемой почво-грунтами бассейна за время снеготаяния, и задерживаемой на поверхности измерить практически невозможно. Поэтому оно определяется из уравнения водного баланса бассейна за период снеготаяния. Но принято вы­ числять его в сумме с испарением с поверхности тающего снежного покрова, т. е. вычислять общую величину потерь воды за период снеготаяния. При этом расчетным служит уравнение (7.ѴІІ). Под­ земное питание у пз определяется исходя из его интенсивности перед началом половодья, принимаемой равной расходу реки в это время. О методике вычисления дождевого стока уже говорилось.

Есть еще один вид потерь воды, рассмотренный в гл. V, а именно потери жидких осадков на смачивание растительного покрова. Но ранней весной это приводит к расходованию неболь­ ших количеств воды, не считая хвойных лесов. Поэтому величины Хі и Хо в общем не нуждаются в поправках на это смачивание.

ввиду ее относительной малости).

Теперь приведем ряд примеров, характеризующих потери воды во время снеготаяния, а также коэффициенты стока.

Средние многолетние потери талых вод, определяемые по урав­ нению (7.ѴІІ), изменяются от 30—40 мм в южных районах рав­ нинной территории СССР до 60—80 мм в северных; в лесной зоне при преобладании в бассейне песчаных почв на песках потери по­ вышаются в среднем до 100—ПО мм. В отдельные годы потери на всей территории достигают 100—150 мм и снижаются до 10—30 мм. Коэффициенты стока талых вод составляют в южных районах в среднем 0,30—0,40 и в северных 0,65—0,85; наинизшие значения коэффициента соответственно составляют от нескольких сотых до 0,5, а наибольшие — 0,90—0,95 во всех районах.

199

Значительные колебания от года к году потерь и коэффициентов стока талых вод говорят о том, что оценка предстоящего весен­ него стока по данным лишь о количестве снега в бассейне перед началом снеготаяния и о средней величине потерь талых вод или коэффициенте стока этих вод в данном бассейне будет, безусловно, слишком приближенной и поэтому мало что может дать народ­ ному хозяйству.

§ 4. ФАКТОРЫ ИНФИЛЬТРАЦИИ ВОДЫ В МЕРЗЛУЮ ПОЧВУ

Из изложенного известно, что основные потери талых вод, иск­ лючая отдельные бассейны и годы, связаны с инфильтрацией. Можно считать, что последняя почти всегда происходит в мерзлую почву.

Как и инфильтрация дождевой воды летом, рассмотренная

вгл. V, инфильтрация талой воды в мерзлую почву происходит под действием силы тяжести и молекулярных сил. Но на инфиль­ трацию талых вод оказывают существенное влияние также тепло­ вые процессы, вызывающие изменение агрегатного состояния влаги

впорах во время снеготаяния и начавшегося впитывания воды почвой.

Спецификой мерзлого почво-грунта является наличие льда в по­ рах и отрицательная температура. Когда почва содержит очень мало влаги, то при ее промерзании в порах образуются лишь мел­ кие кристаллы льда, иногда видимые только через лупу (так на­ зываемая сухая мерзлота). Прослойки льда в мерзлой почве по­ являются только тогда, когда влажность ее перед замерзанием бывает не ниже наименьшей полевой влагоемкости. При такой влажности вода заполняет значительную часть пор, особенно капиллярных. При замерзании влажной почвы наблюдается миграция воды к фронту промерзания из нижележащих слоев почвы.

Количество льда в единичном объеме мерзлой почвы называ­ ется льднстостью почвы. Чем больше льдистость, тем ниже водо­

проницаемость мерзлой почвы при прочих равных условиях. Льдистость — один из важных факторов инфильтрации талых вод. В исследованиях по гидрологическим прогнозам в качестве количе­ ственной характеристики льдистости, когда зима без сильных отте­ пелей, принимается запас влаги в почве осенью в слое 0—50 или 0—100 см, а также различные показатели этого запаса, вычисляе­ мые в основном по данным об осадках и испарении. Ниже эти пока­ затели будут рассмотрены.

Имеющаяся в почве связанная пленочная вода замерзает при отрицательной температуре, причем последняя тем ниже, чем тоньше водные пленки. Необходимо подчеркнуть, что, согласно ис­ следованиям, выполненным в лабораторных условиях, мельчайшие кристаллы льда, образовавшиеся из связанной воды, тают при тем­ пературе, близкой к температуре своего возникновения, т. е. при температуре ниже 0° С.

200

Благодаря отрицательной температуре мерзлой почвы — обычно она составляет от —1 до —3, —4° С — становится возможным за­ мерзание части талой воды, проникающей при снеготаянии в ее поры. Это образование льда и обусловленное им снижение водо­ проницаемости почвы пока еще мало изучены. Однако проведен­ ные исследования позволяют предполагать, что талая вода, про­ никшая в поры, замерзает не только под действием запаса холода в самой мерзлой почве, но и вследствие упомянутого таяния части льда в порах при температуре ниже 0° С. Таяние льда, образовав­ шегося из связанной воды, сопровождается затратой тепла, ис­ точником которого может быть главным образом теплота замерза­ ния талой воды, проникающей при снеготаянии в поры почвы. При этом таяние льда дает связанную, практически неподвижную воду. Отсюда ясно, какой большой эффект в смысле снижения водопро­ ницаемости мерзлой почвы может дать таяние льда в ее порах при отрицательной температуре.

Экспериментальные данные говорят о том, что начавшаяся ин­ фильтрация талой воды нередко прекращается после того, как мерзлая почва поглотит некоторое, в общем небольшое количество воды, порядка 10—20 мм. Почва становится в этом случае водоне­ проницаемой вследствие упомянутого процесса замерзания части талой воды, проникшей в поры.

От льдистости и температуры мерзлой почвы в основном зави­ сит степень ее цементации (твердости). Сильно сцементированная льдом почва представляет собой почти сплошное тело; при сухой мерзлоте частицы почвы почти не сцементированы и такая почва крошится.

Даже в бассейне лога наблюдается значительная пространст­ венная неравномерность величин начальной водопроницаемости мерзлой почвы. Она обусловлена различиями по площади тех фи­ зических свойств самой почвы, которые влияют на ее способность впитывать воду, а также различиями льдистости и температуры почвы. Пространственная неравномерность впитывающей способ­ ности почвы сохраняется и в период таяния. Понятно, при прочих равных условиях талая вода поглощается по-разному разными поч­ вами, а также почвой на открытых и лесных частях бассейна.

Между температурой почвы и глубиной ее промерзания имеется приближенная связь. Данных по глубине промерзания почвы име­ ется значительно больше. Поэтому при разработке методов прогно­ зов весеннего стока пользуются обычно ими.

Как уже отмечалось, по данным наблюдений за снежным по­ кровом, стоком и осадками можно приближенно вычислить по уравнению водного баланса количество воды, впитавшейся за весь период таяния в бассейне в целом. Ежедневные наблюдения на станциях за покрытием окрестностей снегом позволяют определять

і

пень покрытия бассейна снегом в /-й день снеготаяния, вычисленная

201