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

на эти две составляющие водного баланса, никак не могут вызы­ вать имеющих место значительных колебаний стока за половодье от года к году.

Величины л*2 и Е п в общем не так малы, чтобы с ними не счи­ таться, и нередко существенно меняются от года к году. Но важно отметить, что между величиной суммарного испарения и количест­ вом осадков хг прослеживается прямая зависимость.

Величина Агр увеличивается с ростом s + xi, и это увеличение, вероятно, практически не ограничено каким-то предельным значе­ нием s+xi, как это имеет место в отношении потерь талых вод на инфильтрацию в равнинном бассейне (см. гл. VII). Интенсивность роста Агр с увеличением s + xj уменьшается, но медленнее, чем для равнинных бассейнов. Для горных бассейнов, расположенных в ос­ новном в предгорьях и в нижнем поясе гор, величина Агр должна зависеть также от степени влагонасыщенности бассейна перед на­ чалом снеготаяния W; это относится особенно к рекам Средней Азии и Кавказа.

Запас воды в снежном покрове, сложенный с осадками за время снеготаяния s + xi, меняется от года к году сильнее, чем другие со­ ставляющие водного баланса и, следовательно, является самым важным фактором половодья.

На основании всего сказанного приходим к выводу, что при не­ значительном ледниковом питании должны существовать прибли­ женные зависимости:

Как отмечалось, к установлению и оценке точности этих зависи­ мостей и сводится сейчас решение задачи долгосрочного прогноза стока горных рек за период половодья. Обычно эти зависимости бывают близки-к линейным и на практике их получают часто в гра­ фической форме. Значения параметров зависимостей определяются прежде всего физико-географическими условиями стока в бас­ сейне.

Когда ледниковое питание относительно велико, сток за поло­ водье зависит еще и от того, сколько стает в данном году снега и льда на площади, занятой фирновыми областями и языками ледников. В жаркое лето стаивание, а следовательно, и лед­ никовый сток будет больше, в прохладное лето, наоборот, меньше.

Разработка методов долгосрочного прогноза стока за половодье при большом ледниковом питании рек — весьма сложная задача. Но решение ее иногда облегчается тем, что между количеством жид­ ких осадков за период половодья и высотой слоя стаивания вечных снегов и ледников существует обратная зависимость. Вообще же для предвычисления ледникового стока, так же как и дождевого, необходим достаточно точный прогноз погоды на весь вегетацион­ ный период.

260

§ 3. СПОСОБЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВОДНОГО БАЛАНСА БАССЕЙНА И ИХ КОСВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Как отмечалось, зависимости (2.VIII) — (З.ѴІІІ) являются фи­ зико-статистическими и устанавливаются для каждого бассейна на основе многолетних рядов величин, входящих в эти зависимости.

Исходными материалами для получения таких рядов служат данные наблюдений станций. Так как сеть станций в горах редкая, особенно на больших высотах, то, чтобы получить такие ряды, при­ ходится строить, а потом экстраполировать вверх зависимости того или иного фактора, чаще количества осадков, от высоты или при­ бегать к вычислению косвенных количественных показателей со­ ставляющих водного баланса. Коротко рассмотрим наиболее упо­ требительные способы вычисления запаса воды в снежном покрове,

х мм

Рис. 104. Изменение средних годовых сумм осадков с высотой (а) для различ­ ных участков бассейна р. Куры, показанных на схеме (б).

количества осадков и некоторых других интересующих нас ве­ личин.

С высотой количество осадков обычно значительно увеличива­ ется, исключая некоторые склоны гор, чаще подветренные. Но вер­ тикальный градиент осадков существенно меняется как по площади, так и во времени, например по сезонам года. Неодинаковое количе­ ство осадков на одной и той же высоте связано в основном с раз­ личной степенью доступности склонов влагоносным ветрам (см. рис. 99, 101). Иногда с некоторой, обычно довольно большой вы­ соты, вертикальный градиент осадков уменьшается и даже меняет знак, т. е. с высотой количество осадков уменьшается. В общем рас­ пределение осадков в горном бассейне весьма сложное, что, в част­ ности, иллюстрируется рис. 104. При редкой сети станций это при­ водит к пониженной точности вычисления количества осадков, вы­ павших в горном бассейне, какие бы способы обработки данных станций мы не применяли.

261

На распределение запаса воды в снежном покрове по площади бассейна перед началом снеготаяния влияют те же факторы, что и на распределение количества осадков. Отличие состоит в том, что увеличение запаса воды в снеге с высотой сильно зависит от возра­ стания с подъемом в горы продолжительности самой зимы. Так, в горах Средней Азии и Кавказа зима на высотах 1000,2000 и 3000 м длится в среднем соответственно два, четыре и около шести меся­ цев, а в Алтае и Саянах — на высоте 1000 м — шесть месяцев и на высоте 2000 м — почти восемь месяцев. Если в предгорьях к тому же выпадает много осадков осенью, как, например, в Саянах и за­ падной части Закавказья, то увеличение с высотой запаса воды в снежном покрове перед началом таяния, конечно, становится еще более значительным. Дело в том, что когда в нижнем поясе гор идут осенние дожди, то в это же время на больших высотах наблю­ даются уже снегопады.

Как и на равнине, запас воды в снежном покрове в горах опре­ деляется с помощью снегомерных съемок, но методика съемок зна­ чительно менее совершенна из-за того, что при самой разработке ее пришлось исходить из невозможности измерений далее на более или менее крутых склонах. Сущность методики коротко сводится к следующему.

Снегомерный маршрут прокладывается по дну речной долины от низких зон до самых высоких, но доступных зимой для измере­ ний (рис. 105). Обычно длина маршрута достигает 20—80 км. Однако измерения производятся не на всей длине через равные рас­ стояния, а лишь на так называемых снегомерных пунктах. Они вы­ бираются при прокладке маршрута таким образом, чтобы соседние пункты различались по высоте не более чем на 150—200 м. На каж­ дом пункте выбирается по возможности пять площадок размером 40x60 м: горизонтальная и по одной площадке, приблизительно ориентированной на север, юг, восток и запад. На каждой пло­ щадке измерения производятся по двум пересекающимся прямым, соединяющим середины ее противоположных сторон. Высота изме­ ряется в 20 точках, плотность — в пяти. Произведение средних зна­ чений высоты и плотности дает запас воды в снеге на площадке, а среднее из средних по площадкам — запас воды в снеге на пункте. По условиям местности снегомерных площадок на пункте нередко бывает меньше — три и даже две, находящиеся на противополож­ ных склонах речной долины. Все линии измерений на снегомерном пункте закрепляются на местности какими-либо знаками для обес­ печения постоянства места самих измерений. Съемка по всему маршруту производится в возможно короткий срок, не более чем за 5—7 дней. Выполняется она, как правило, специальной гидрографи­ ческой партией.

Надо отметить, что зимой сохранность выпавшего снега зависит от экспозиции склона, которая определяет число часов освещения его прямыми солнечными лучами и угол падения этих лучей. На чи­ сло часов влияет также закрытость горизонта. Влияние экспозиции на таяние и испарение снега увеличивается в предвесенний период.

262

Во время массового таяния его интенсивность тоже существенно зависит от.экспозиции склона.

По данным снегомерных пунктов вычисляются величины запаса

в бассейне п зон; обычно высота зоны берется равной 500 м.

Рис. 105. Метеоплощадка ст. Харамкуль на высоте 3000 м, через которую проходит снегомерный маршрут.

Зимой самые верхние зоны обычно недоступны для измерений. Для них величина запаса воды в снеге определяется путем построе­ ния и последующей экстраполяции до наибольшей высоты графика зависимости запаса воды в снеге от высоты. Такие графики по дан­ ным измерений на снегомерных пунктах строятся для каждого года, а при необходимости — и по отдельным склонам и частям бассейна, различающимсяпо условиям формирования снежного покрова (см.

рис. 104).

Понятно, рассматриваемые съемки'не дают действительных ве­ личин запаса воды в снеге в горах и позволяют вычислять лишь их

263

количественные показатели. Хотя последние при условии неизмен­ ности местоположения снегомерных пунктов являются сравнимыми по годам, все же отсутствие возможности определять по снегомер­ ным съемкам действительную величину запаса воды в снеге в бас­ сейне является их большим недостатком. Другим недостатком съе­ мок является то, что снегомерных пунктов выше 3500 м очень мало. Кроме того, поскольку съемки производятся зимой лишь три раза —

вконце января, февраля и марта, то далеко не всегда и не на всех высотах они могут давать интересующие нас величины запаса воды

вснежном покрове перед началом таяния.

Вгорах Средней Азии и Кавказа снегомерные съемки ведутся уже около 40 лет, но до 1950—1952 гг. число их оставалось в общем

Рис. 106. Доставка вертолетом гидрологов для измерения снежного покрова в бассейне р. Варзоб на высоте около 4000 м.

небольшим. Съемки в горах Сибири начались с 1961 г. Сейчас в гор­ ных районах СССР съемки производятся в бассейнах 210 рек. Только в горах Средней Азии общая длина снегомерных маршрутов приближается к 4000 км.

В последние годы для измерений снежного покрова все шире используется авиация. Как уже отмечалось, с самолетов произво­ дится аэрофотосъемка снежного покрова, а с вертолетов — отсчеты высоты снега по металлическим рейкам, заранее установленным в местах, практически недоступных в зимнее время. Систематически производящаяся аэрофотосъемка дает исключительно ценную ин­ формацию по динамике площади, занятой снегом. Вертолеты иногда используются также для доставки снегомерных отрядов в труднодо­ ступные районы бассейна для выполнения там измерений снежного покрова (рис. 106).

264

Самолеты используются также для съемки снежного покрова ра­ диационным методом. В основе его лежит измерение температуры поверхности при помощи радиационных термометров, которые уста­ навливаются на самолете. Согласно закону Стефана—Больцмана, G = k o T l, где G — радиационный поток, идущий от излучающей по­ верхности, k — коэффициент излучения, о — постоянная Стефана— Больцмана и Т — абсолютная температура излучающей поверхно­ сти. Радиационный термометр воспринимает инфракрасное (тепло­ вое) излучение поверхности и нечувствителен к отраженной солнеч­ ной радиации и волнам, присущим другим источникам излучения. Инфракрасное излучение проявляется в виде электромагнитного излучения с длинами волн 0,75—50 мкм. Показания радиационных термометров позволяют легко определить, покрыта ли земная по­ верхность над самолетом снегом или нет. По температуре снежной поверхности можно также определять, тает снег или нет, так как тающий снег имеет температуру 0°С. По данным гляциологов США, метод имеет высокую точность.

Разработан и проходит проверку способ определения высоты, плотности и запаса воды в снежном покрове в горах посредством измерения волн длиной несколько миллиметров. На самолете уста­ навливается источник таких волн и радар, фиксирующий волны по­ сле их отражения земной поверхностью.

Для быстрого и бесперебойного получения информации о снеж­ ном покрове в труднодоступных районах гор, необходимой для со­ ставления прогнозов стока рек, во Франции и США стали исполь­ зоваться дистанционные снегомеры с перемещающимся горизон­ тальным пучком радиоактивных лучей. Непосредственно снегомер определяет плотность каждого десятисантиметрового слоя снежного покрова. Достигается это путем измерения ослабления горизон­ тально распространяющегося радиоактивного излучения при про­ хождении им определенного расстояния в толще снега. Источником излучения служат радиоактивные изотопы. Во время измерения источник с помощью специального устройства непрерывно переме­ щается в вертикальной плоскости. Ліомент, когда радиоактивное излучение выходит на поверхность, легко фиксируется, что дает воз­ можность определить высоту снежного покрова.

Схема снегомера представлена на рис. 107. Он устроен так, что 3840 импульсов счетчика Гейгера—Мюллера вызывают перемеще­ ние источника излучения и самого счетчика на 10 см. Понятно, что время, затрачиваемое на такое перемещение, будет функционально связано с плотностью десятнсантиметрового слоя снега, через кото­ рый проходило излучение. Результаты телеметрических измерений поступают в счетно-программирующее устройство и затем переда­ ются с помощью радиопередатчика при каждом перемещении под­ вижной системы на 10 см.

При исходном положении подвижная система находится в ка­ мере, в 10 см ниже поверхности почвы (рис. 107). По команде из центра система начинает вертикальное движение и подает описан­ ные сигналы. Когда система выходит из толщи снега, что сразу

265

определяется по поступающей информации, она получает команду на движение в обратном направлении. Вертикальные стойки, трубы из полиэфирной смолы, имеют высоту до 6 м и устанавливаются на расстоянии 50—60 см. Источник излучения — радиоактивный изотоп цезия Cs137. Сеть описанных снегомеров имеется в Альпах во Фран­ ции и в Скалистых горах на западе США. Получение оперативной информации, используемой для составления прогнозов стока, зани­ мает совсем небольшое время, причем «опрашивает» снегомеры компьютер, находящийся на базовой станции.

пользуются телевизионные фотографии, получаемые с искусствен­ ных спутников Земли. В этом направлении ряд исследований был произведен в СССР и США. Основной вывод сводится к тому, что составление карт покрытия гор снегом по фотографиям со спутника для телевизионных наблюдений в инфракрасном диапазоне вполне возможно и для практических целей точность карт достаточна. Спутники обеспечивают быстрое покрытие фотосъемкой больших площадей, чего нельзя достичь с помощью самолетных наблюдений. Посредством фотографирования со спутников может быть просле­ жено перемещение сезонной снеговой линии во время снеготаяния.

266