4486

Довгострокові прогнози весняно-літнього водопілля гірських річок

Лекция

География, геология и геодезия

Довгострокові прогнози весняно-літнього водопілля гірських річок Особливості формування водопілля гірських річок Довгострокові прогнози стоку річок базуються на знанні процесів накопичення й витрати вологи в річковому басейні, що зумовлюють характ...

Украинкский

2012-11-21

370 KB

1 чел.

Довгострокові прогнози весняно-літнього водопілля гірських річок

1 Особливості формування водопілля гірських річок

Довгострокові прогнози стоку річок базуються на знанні процесів накопичення й витрати вологи в річковому басейні, що зумовлюють характер водного режиму річок. У горах ці процеси суттєво відрізняються від процесів, що відбуваються в рівнинних басейнах. Основною їх особливістю є вертикальна зональність кліматичних і ґрунтово-ботанічних умов, суттєву роль у якій відіграє рельєф [3, 4, 5,10].

Загальні особливості водного режиму річок такі:

1. Зі зміною висоти місцевості змінюються гідрометеорологічні умови: строки й величини снігонакопичення,  внутрішньорічний розподіл опадів, хід сніготанення і стоку.

2. Режим річок протягом року змінюється в різних фізико-географічних умовах і в різних висотних зонах.

3. Стік гірських річок збільшується з висотою при збільшенні площі одночасного сніготанення, тобто спостерігається виражена відповідність між підвищенням температури  повітря і збільшенням витрат води в річках.

4. У районах з рясними літніми опадами  чітко виділяються піки, зумовлені дощами, які часто бувають вищими за піки від талих вод. При цьому стійка межень може бути й не виражена. 

На річках низькогірних басейнів при незначній ролі опадів межень спостерігається в червні-липні.

На річках високогірних басейнів зі значним зледенінням, межень спостерігається тільки пізньої осені. Зимовий стік стійкий и зумовлений притоком підземних вод.

5. Характер стікання води по схилах – тала й дощова вода стікає не стільки по поверхні, скільки в крихких відкладеннях або в лісовій підстилці. Іноді поверхневий стік у гірських басейнах взагалі відсутній.

6. Через великі ухили цей «підповерхневий» стік здійснюється зі швидкостями, близькими до швидкостей руху води руслом; формування його відбувається по-різному за різних фізико-географічних умов і для різних басейнів.

 Танення і сходження снігового покриву, як і його накопичення, відбуваються неодночасно при зміні висоти місцевості, що призводить до розтягування періоду найбільшого в році стоку на тривалий період – з квітня по вересень, а водопілля називається весняно-літнім.

8. Грунтове живлення в гірських басейнах є виключно важливим. Характер підземного живлення значно відрізняється:

1) у різних за висотою зонах – на значних висотах інтенсивному дренуванню річками водоносних горизонтів сприяє підвищена розчленованість і тріщинуватість рельефу гірських областей;

2) у різних фізико-географічних умовах – через особливості морфології річкового басейну, характеру залягання грунтових вод і їх дренування річками, а також із умовами виклінювання грунтових вод;

3) у різних стадіях водного режиму річоквизначається  гідродинамічними особливостями зв’язку річкових і підземних вод.

У зоні високогірного розчленованого рельєфу (в Альпійській зоні) нижче вічних снігів і льодовиків через великі ухили місцевості підземне живлення річок здійснюється переважно джерелами: за умов середньогірського рельєфу ґрунтове живлення здійснюється стоком джерел; у зоні слабо розчленованих низькогір’їв переважає підземне живлення за наявності гідравлічного зв’язку підземних і поверхневих вод; для передгір’їв, де рівень підземних вод  часто розташований нижче за рівень води в річці, відбувається фільтрація річкових вод у великоуламкові відкладення.

У районах поширення карсту, а також у районах із вулканічними відкладеннями підземне живлення річок здійснюється джерелами,  утвореними за рахунок інфільтрації води, яка надходить на басейн. При цьому спостерігаються втрати річкових вод на просочування.

Підземні води в зоні багаторічномерзлих порід поділяються на три категорії: надмерзлотні, між мерзлотні та підмерзлотні води, що залягають на різних рівнях відносно товщі багаторічної мерзлоти.

2 Визначення основних факторів формування весняно-літнього

     стоку гірських річок

Фактори, що визначають формування стоку гірських річок, поділяються на постійні – фізико-географічні (особливості будови річкового басейну) і змінні –кліматичні і гідрологічні умови на басейні. Ті та інші фактори діють одночасно, а під час аналізу умов формування стоку повинні розглядатися в їх взаємозв’язку або комплексі.

 

2.1 Постійні фактори.

До постійних факторів, які впливають на формування стоку гірських річок, належать:

Розміри басейну. Вплив розміру басейну на режим стоку виявляється в різноманітності фізико-географічних умов у різних частинах басейну. За умови збільшення площі водозбору відмінності в умовах формування стоку стають більш різноманітними. Тому необхідним є врахування особливостей формування стоку в різних частинах басейну.

Загальна будова гірської країни. Розташування основних гірських хребтів відносно потоків, які переносять вологу й тепло, має свої характерні особливості, які впливають на формування клімату, а через нього й на гідрологічний режим річок.

Діапазон висот і розподіл площ за висотними зонами. Розподіл площ басейну за висотними зонами виконується під час визначення снігонакопичення, ходу танення снігу й особливостей формування талого стоку в гірських басейнах. До характеристик, які розраховуються, належать: середня висота басейну, періоди снігонакопичення, розподіл снігозапасів і площ одночасного танення у басейні.

Криві розподілу площ за висотними зонами називаються гіпсографічними кривими і будуються для конкретного басейну.

Діапазон висот басейну суттєво впливає на тривалість талого стоку – на  великих висотах снігонакопичення рано починається й пізно закінчується: танення там може починатися вже після сходження снігового покриву в нижніх зонах; на малих висотах – сніготанення і стік річок можуть спостерігатися, коли на великих висотах ще триває снігонакопичення. Тому чим більший діапазон висот, тим більша тривалість періоду талого стоку й більш рівномірний розподіл стоку за часом.

Розподіл схилів різної експозиції басейну необхідно враховувати під час розрахунку ходу сніготанення, оскільки на схилах південної експозиції сніг сходить значно раніше, ніж на інших схилах, що пов’язано з підвищеною сонячною радіацією й орієнтацією схилу.

Рослинність (залісеність) басейну, в розподілі якої також спостерігається вертикальна зональність, по-різному впливає на формування стоку річок. Залежно від кліматичних характеристик на різних висотах і за різних географічних умов гірських країн спостерігається така зміна рослинного покриву гірських басейнів: нижні зони зайняті в основному степовою або напівпустельною рослинністю, вище - розташовуються хвойні або листяні ліси (до 1500 – 2500 м), далі на зміну лісу й високогірним чагарникам приходять альпійські луки, а в північніших районах – гірські  тундри.

Вплив лісу на стік виявляється в утворенні ґрунтового покриву й запобіганні ерозії схилів. У зоні лісів, особливо хвойних, за повної залісеності басейну сніг накопичується й залягає найбільш рівномірно через слабке вітрове перенесення, что призводить до одночасного сніготанення й більш компактної форми гідрографа стоку, ніж за неповної залісеності.

Грунтово- геологічні  особливості басейну (гірські породи й ґрунти) суттєво впливають на режим стоку гірських річок, що виявляється у зв’язку  з  тріщинуватою будовою гірських порід. Вода, легко просочуючись крізь тонкий шар скелетних ґрунтів (50-60 см), потрапляє в грубоуламковий щебеневий грунт,  що вкриває товщу корінних порід. Потім стікання води відбувається в порожнинах цього ґрунту й у тріщинах гірських порід у вигляді, так званого, контактного стоку (за А.М.Бефані). Залежно від будови й тріщинуватості гірських порід змінюється швидкість руху води в порожнинах цих порід (до десятків і навіть сотень метрів на добу) й величина підземного живлення річок. Це впливає на характер річкового стоку, при досить значному підземному живленні річок.

2.2 Змінні фактори весняно-літнього стоку.

До змінних кліматичних факторів стоку весняно-літньої повені гірських річок відносять: запаси води в сніговому покриві, опади, температуру повітря, втрати стоку на просочування.

Основним джерелом накопичення вологи в басейні є опади за холодний період року. Суми опадів, як правило, збільшуються з підвищенням місцевості. При цьому чим більший діапазон висот басейну, тим чіткіше простежується збільшення опадів з висотою місцевості.

Збільшення опадів з висотою місцевості в тому чи іншому районі відбувається лише до певної висоти, після чого опади починають зменшуватися. Це пов’язано зі зниженням температури і зменшенням вмісту вологи з висотою в тропосфері.

У зв’язку зі зменшенням температури повітря зі зміною висоти місцевості тривалість періоду снігонакопичення збільшується, що призводить також до суттєвого збільшення снігозапасів. Тому, чим вище розташований басейн річки, тим більшу роль в стоці весняно-літнього періоду відіграє сніговий покрив.

Великий вплив на перерозподіл снігу чинить вітер, його напрямок і  сила, що пов’язано з розташуванням гірських пасм. При цьому може спостерігатися порушення звичайного ходу снігозапасів з висотою.

Температура повітря зменшується  з висотою. Тривалість холодного періоду й пов’язана з ним площа одночасного сніготанення також збільшуються з висотою.

Втрати стоку на просочування в гірських районах зумовлені не стільки вологістю ґрунтів, скільки тріщинуватістю порід, характером поповнення ґрунтових вод і умовами їх надходження до річок.

3 Складові весняно-літнього стоку гірських річок

До основних складових, що формують весняно-літній стік гірських річок, можна віднести (рис.1): талі (снігові й льодовикові), дощові і підземні води [5].


 2 1

1 – талий стік; 2 – дощовий стік;

3 – сезонне підземне живлення; 4 – стійке підземне живлення

Рис.1 – Схема  виділення складових стоку гірських річок

3.1 Тала складова.

Тала складова стоку гірської річки складається зі снігової й льодовикової води. Частка їх участі в талому стоці залежить від діапазону висот у гірському басейні, зі збільшенням якого збільшується  тривалість холодного періоду й величина снігозапасів, і, отже, збільшується тривалість періоду сніготанення.  Так, при  значному діапазоні висот – більше 2.5-3 км, талий стік може досягати 80-90 % річного, а танення розтягується на 5-6 місяців. Для річок з невеликими коливаннями висот (дуже низькі або дуже високі водозбори) – він може знизитися до 30-40 % .

Оцінити величину талої складової можна за максимальними запасами води в сніговому покриві й розподілом їх за висотними зонами, а також за коефіцієнтом стоку,  величина якого збільшується зі збільшенням висоти місцевості.

3.2 Виділення льодовикової складової.   

 Оцінку льодовикової складової рекомендується здійснювати за схемою:

–  за каталогом льодовиків визначають площі льодовиків за висотними зонами;

– визначають середню багаторічну кількість опадів, що випали на зазначеній висоті;

– за багаторічними модульними коефіцієнтами сум опадів і середніми багаторічними значеннями максимальних снігозапасів визначають дати розтавання снівого покриву з поверхні льодовика;

– розраховують щорічні значення талого стоку льодовика, приймаючи коефіцієнт розтавання льоду – 8 мм на 1 °С.

У цілому, стік льодовиків перебуває в оберненій  залежності від сезонних снігозапасів, тобто чим більша потужність снігового покриву на поверхні льодовика, тим льодовик відкриється пізніше (за тієї самої температури повітря) і тому стік від танення льодовиків буде меншим.

Дощова складова.

Дощова складова весняно-літнього стоку гірських річок може бути визначена :

– як різниця між сумою рідких опадів і випаровуванням. Випаровування в таких випадках обчислюють різними наближеними способами, наприклад, за різницею між притоком і відтоком променістої енергії в  радіаційному балансі. Однак, у цьому методі через не врахування втрат води на просочування в тріщинуваті породи величина дощової складової може бути суттєво завищена.

– шляхом зрізки дощових паводків на гідрографі й обчислення об’єму дощового стоку за весь теплий період. При цьому виділений на гідрографі дощовий паводок дозволяє оцінити й втрати стоку на просочування за умови, що можна розрахувати випаровування.

Підземний стік.

Підземні води гірських районів можна розподілити на дві складові:

– вода, що виклинюється й надходить до річки в період формування водопілля або в період його спаду;

– вода, що досягає дзеркала ґрунтових вод і поповнює запас глибинних підземних вод. Ця вода бере участь у формуванні стійкого живлення підземних вод.

Існують певні труднощі під час розподілу цих видів підземного живлення гірських річок, які можуть бути вирішені в таких методах  кількісної оцінки підземного стоку: гідрологічному, гідрогеологічному і гідролого-гідрогеологічному [5].

Гідрологічний метод – виходить із припущення, що стік річок у межень сформований підземними водами, а суть його полягає в «зрізці» гідрографу по прямій лінії, що поєднує найнижчі точки - витрати води на гідрографі в суміжні роки або в періоди дощових паводків.  

Гідрогеологічні методи – базуються на даних спостережень за рівнями підземних вод і гідрогеологічних параметрах. Такі методи важко застосовувати на практиці через відсутність надійних вихідних даних.

Гідрохімічний спосіб – ґрунтується на застосуванні методу змішування поверхневих і підземних вод, оскільки існує суттєва різниця в мінералізації цих вод. Мінералізація приймається або загальна, або як концентрація одного з компонентів мінералізації поверхневих і підземних вод. Так, за кривою концентрації окремого гідрохімічного показника (С) встановлюють час переходу річки на підземне живлення. Будують графік зв’язку ходу витрат води в річці й концентрації цього іона. За показник Спідз приймають середню концентрацію цього іона в період зимової межені. Моменту настання критичної витрати відповідає значення показника Спов – мінімальна концентрація іона в період весняного водопілля й дощових паводків.

4  Види і методичні способи довгострокових прогнозів стоку

      гірських річок

4.1  Види прогнозів.

Основними видами довгострокових прогнозів стоку гірських річок є [3,4,5]:

–  прогнози стоку за вегетаційний період і його розподіл у часі;

– прогнози квартального і місячного стоку або припливу води у водосховища;

– прогнози стоку в цілому за період осінньо-зимової межені (міжвегетаційний період) .

Стік річок за той чи інший період часу виражають в одиницях шару на площу басейну (мм), в одиницях об’єму (м3 або км3) або у вигляді середньої секундної витрати (м3/с) за відповідний період часу — місяць, квартал тощо.

Прогнозуються такі елементи водного режиму гірських річок: середні, мінімальні, максимальні, заданої забезпеченості, гарантовані, що  лімітують нормальну роботу  певних галузей господарства, витрати або рівні води, тривалість їх стояння, а також прогнози небезпечних явищ –  повеней, ймовірність появи в майбутньому місяці селей, проривів гірських озер тощо.

Науково-методична база довгострокових прогнозів стоку гірських річок базується головним чином на врахуванні закономірностей накопичення й витрат вологи в межах усього водозбору, або на врахуванні закономірностей циркуляції атмосфери над значними районами.

Методи прогнозів поділяються на два основних види [5]:  

1) регресійні, що реалізують найпростіші, лінійні або нелінійні співвідношення між майбутнім стоком річок і одним або декількома його факторами;

2) методи, засновані на математичних моделях формування стоку в горах.

Методи прогнозів, що належать до першого виду, розробляються, як правило, шляхом отримання графічних або аналітичних кореляційних залежностей між виміряними на станціях сумами опадів за холодний (або календарний) період зі стоком води в заданому створі. Як характеристику кількості опадів нерідко приймають модульні коефіцієнти або «індекси», а як показник запасів води в сніговому покриві, що залишились на басейні на день складання прогнозу, застосовують, наприклад, непрямі (наближені) показники: відношення витрат води за попередній період до середньої температури повітря за той самий період. 

Другий вид прогнозів базується на розв’язанні рівнянь балансу вологи й тепла,  розподілу за площею і висотою басейну запасів води в сніговому покриві, стокоутворюючих процесів водопілля та паводків в гірських басейнах на підставі наближених математичних моделей.

Довгострокові прогнози стоку гірських річок розрізняються також за завчасністю, в залежності від календарного періоду, на який вони складаються – місяць, квартал або сезон (період вегетації). Завчасність або час здійснення останніх двох видів прогнозів залежить від конкретних гідрометеорологічних умов в гірському бассейні, які розрізняються для різних фізико-географічних зон.

 

4.2 Методичні  та теоретичні основи прогнозів.

Основну задачу гідрологічного прогнозу складає попередній розрахунок змін у стоці річок, який є результатом взаємодії процесів накопичення й витрат вологи в їх басейнах. Для гірських річок  такі зміни визначаються вертикальною зональністю кліматичних та інших фізико-географічних умов.

Джерелом накопичення вологи в горах є тверді (сніг) та рідкі опади. Запас води у сніговому покриві, пов'язаний із тривалістю снігонакопичення, тобто із тривалістю холодного періоду на різних висотах. Рідкі опади, які випадають на сніг, беруть участь у стоці нарівні з талими водами; опади ж, які випадають на вільну від снігу поверхню басейну, в більшості випадків, практично не впливають на формування стоку. Але ж в районі, наприклад, Карпат урахування рідких опадів є необхідним, оскільки вони відіграють суттєву роль в стоці весняно-літнього водопілля річок.

Іншими джерелами живлення гірських річок є часткове танення льодовиків і вічних снігів, а також надходження води з глибинних підземних джерел, які визначають базисний річковий стік.

Витрачається волога, що надійшла на водозбір, на стік через замикаючий створ, на випаровування з поверхні снігу, ґрунту, з крон дерев, на транспірацію, на просочування у грунт  (інфільтрацію), на поповнення запасів підземних вод різної глибини залягання  [5].

Теоретичною основою для розробки довгострокових прогнозів стоку річок є рівняння водного балансу річкового басейну, яке записується для гірського водозбору для висотних зон, внаслідок відмінностей у накопиченні та таненні снігу на різних висотах. При цьому рівняння водного балансу за весняно-літній період від початку танення снігу (в мм) має вигляд:

                                                                                                                           (1)

де Y –  стік річок за період вегетації: талий YТ , дощовий Yд та  базисний Yпдз;

Si – запас води в сніговому покриві на i-й висотній зоні на початок сніготанення;

Х –  кількість опадів за час сніготанення на поверхню снігу на i-й висотній зоні;

Х –  кількість опадів від моменту сходження снігу до закінчення розрахункового періоду на i-й висотній зоні;

hТ – шар танення льодовиків і вічних снігів на площі льодовика, яка звільнилася від сезонного снігу;

Есі –   випаровування зі снігу на i-й висотній зоні;

Епі –  випаровування з ґрунту на i-й висотній зоні;

гр –  зміна запасів ґрунтових вод, розташованих  вище за шари, що зумовлюють базисний стік;

п –   зміна запасів вологи у шарах,  що зумовлюють базисний стік;

в –  зміна запасів вологи, яка поглинається грунтом;

f і – площа і-ї висотної зони, в частках від всієї площі басейну (визначається по гіпсографічній кривій);

fл –   площа льодовиків і сніжників, в частках від всієї їх площі водозбору.

Вимір або розрахунок більшості членів рівняння (1) для гірських річок має значні труднощі, тому під час розробки практичних методів прогнозів сезонного стоку його замінюють наближеним рівнянням, до якого входять тільки основні фактори стоку або будують фізико-статистичні залежності вигляду:

-   для передгір’їв           

 ;                                  (2)

  •  для високогір’їв   

                                                                                                

.                                        (3)

           Максимальні запаси води в сніговому покриві в гірських районах, як правило, невідомі, тому їх характеризують сумою твердих опадів за період снігонакопичення або сумою плюсових значень середніх добових температур повітря, що характеризують шар талого снігу.

Рідкі  опади, що випадають у період завчасності прогнозу, враховують у вигляді їх середньобагаторічних значень за цей період або відповідно до метеорологічного прогнозу опадів як: норма, вище або нижче за норму.

Передзимове зволоження грунтів W як фактор втрат води на інфільтрацію має суттєве значення для передгір’їв і низьких зон. Його виражають витратою води за попередній місяць або останню декаду цього місяця. Стікання талих вод у високогір’ях, в основному по щебенистих і тріщинуватих породах, знижує вплив зволоження грунтів на формування стоку. Тому цей фактор у  прогностичних залежностях для річок, формування стоку яких відбувається в основному у висотних зонах, у явному вигляді не входить.

Прогнози льодовикової складової стоку гірських річок в основному визначаються температурою повітря в період, на який дається прогноз. Однак значення її невідомі на момент випуску прогнозу і можуть бути прийняті як середньобагаторічні або орієнтуючись на метеопрогноз погоди.

Під час розробки методик прогнозів стоку для гірських річок на практиці  необхідним є здійснювання відбору станцій і постів, спостереження на яких будуть інформаційними та репрезентативними. В горах часто не всі станції задовольняють названим вимогам, тому їснують різні способи визначення метеорологічних величин.

5 Визначення температури повітря

Температура повітря – найважливіший чинник формування стоку гірських річок, яка використовується для визначення тривалості холодного періоду в різних висотних зонах водозбору, інтенсивності сніготанення, випаровування та ін.

Особливості режиму температури повітря в горах:

  •  чітке виражене її зниження з висотою місцевості;
  •  збільшення діапазону її зміни з висотою;
  •  мала зміна річного її ходу з висотою місцевості.

Для оцінки снігонакопичення і кількості рідких опадів, визначення строків початку сніготанення необхідно знати тривалість холодного періоду на різних висотах. Вона визначається ходом температури повітря в горах, тобто її переходом через 0°С (рис. 2). Тривалість холодного періоду в одному і тому ж районі суттєво змінюється з висотою місцевості і на різних висотах – з  року в рік.

Н, м

Рис. 2 - Залежність середніх багаторічних термінів переходу

температури повітря  через 0 оС на різних висотах Н

Розрахунок температури повітря. За наявності даних спостережень за температурою повітря на різних висотах для її розрахунку будують графік зміни  температури повітря по висоті.

При недостатку таких даних температуру повітря на різних висотах розраховують приблизно з урахуванням її вертикального градієнта.

Вертикальний   градієнт   температури  повітря - це її пониження на кожні 100 м висоти. Він встановлюється за даними температури повітря – середніх за добу, пентаду, декаду чи місяць.  При цьому необхідно:

1) підібрати декілька станцій, розташованих на різних висотах (в межах інтервалу 600-1000 м) та на схилах однакової експозиції;

2) побудувати графіки зміни температури повітря з висотою і по сезонах року;

3) використовуючи такий графік, для кожного інтервалу висот, в межах яких зміна температури лінійна, можна визначити вертикальний градієнт температури  (0С/100 м), зазвичай з точністю до десятих долей градуса, за формулою

           ,                                              (3)

де  – середні за інтервал часу значення температури повітря на нижній і верхній станціях, 0С;

– різниця висот цих станцій, м.

Використовуючи формулу (3) та при лінійній зміні (пониженні) температури повітря з висотою, температуру   на висоті Н у момент часу t можна обчислити так:

,                              (4)

де – температура повітря на висоті Ноп, яка розрахована за даними однієї опорної метеостанції або n станцій, оС.

Для визначення тривалості холодного періоду на різних висотах необхідно знати положення ізотерми 0 оС, тобто  дати стійкого переходу температури повітря через 0 оС осінню і весною. В математичних моделях довгострокових прогнозів стоку весняно-літнього водопілля гірських річок [28] приблизно вважають, що опади на висотах:

- вище за висоту нульової ізотерми опади випадають тільки в твердому вигляді;

- в діапазоні висот між ізотермами 2 і 0°С – в твердому вигляді але спостерігається й танення.

- нижче за ізотерму 2°С –  випадають тільки рідкі опади.

Висота нульової ізотерми розраховується за формулою

,                                          (5)

а висота іншої ізотерми (2; 4°С і т. п.) як

                  ,                       (6)

де  – висота нульової ізотерми, м;

   – температура повітря на висоті опорної станції Ноп, оС;

– висота ізотерми  оС, м.

6 Розрахунок снігозапасів та опадів

Рідка мережа спостережень в горах за сніговим покривом і опадами викликала створення великої кількості способів розрахунку цих величин, які детально розглянуті в навчальній літературі [3,4,5]. Розгляньмо основні з них.

 Особливості  режиму опадів в горах.

Опади в гірському басейні звичайно збільшуються з висотою, але лише до певної висоти (в середньому до 3000 м). Кількість опадів змінюється також з експозицією схилу, його орієнтацією по відношенню до напряму влагоносних вітрів, ступенем захищеності місцевості іншими хребтами і ін. Під цьому при збільшенні висоти може спостерігатися й зменшення опадів. У горах сніговий покрив залягає дуже нерівномірно за висотою і по схилах різної експозиції, тому їх визначення є досить наближеним.

Розрахунок снігозапасів та опадів.

За даними снігомірних зйомок запаси води в сніговому прокриві визначаються по висотних зонах, а потім для всього басейну як середнє зважене значення

,                                     (7)

де  –  середній запас води в сніговому покриві в межах  і-ої висотної зони, мм;

- площа і-ої висотної зони, в частках від всієї площі басейну за гіпсографічною кривою;

n  – кількість зон.

За недостатньої кількості даних вимірювань запасів води в сніговому покриві вони визначаються:

1) по графіках залежності запасу води в сніговому покриві від висоти ;

2) за даними про суму опадів за холодний період року або за період від дати переходу температури повітря через 0°С до розрахункової дати.

Середні за площею опади обчислюються за формулою (7) у вигляді

.                                             (8)

                                      

   Іноді кількість опадів обчислюється по вертикальному градієнту опадів як

,                            (9)

де - кількість опадів, що випали на висоті опорної станції, мм;

- вертикальный градієнт опадів, тобто їх зміна (в мм) на 100 м висоти;

- різниця висот і-ої зони і опорної станції, м.

Для всього водозбору в цілому середній за площею шар опадів дорівнює

.                          (10)

Використовують і такі наближені кількісні характеристики - індекси опадів:

1. модульні коефіцієнти опадів – відношення суми опадів Х за даний період поточного року до їх середньобагаторічного значення  :

;                                                 (11)

 2. модульні коефіцієнти відхилень опадів від норми, у вигляді відношення відхилення від норми опадів даного року  (з урахуванням знаку) -   () до середнього абсолютного відхилення за багаторічний період ():

;                                                (12)

3. відношення відхилення опадів від норми (з урахуванням знаку) , до середнього квадратичного відхилення їх від норми :

                                          

;                                               (13)

З  рівнянь (11) -(13) витікає, що

   

                        або .                               (14)

Оскільки визначення снігозапасів і в цьому випадку має труднощі, розраховують середній модульний коефіцієнт для всього водозбору () через:

-  середні багаторічні снігозапаси для  і-ої висотної зони () і водозбору в цілому ()

;                       (15)

- середні багаторічні суми твердих опадів і-ої висотної зони () і водозбору в цілому ()

 ;                     (16)

- середні багаторічні суми позитивних температур повітря і-ої висотної зони () і водозбору в цілому (), які підсумовуються за період сніготанення (інтервал часу від переходу температури повітря через 0 весною на деякій висоті до проходження цих висот сезонної снігової лінії) і характеризують кількість тепла необхідне для танення снігу

;         (17)

- по середньому багаторічному коефіцієнту стоку і середньому багаторічному шару стоку  на  і-й висотній зоні () і водозбору в цілому ()  

.          (18)

Вибір способу розрахунку індексу снігозапасів пов'язаний як з наявністю вихідних матеріалів, так і з  тіснотою зв'язку талого стоку з індексами опадів, обчисленими різними способами.  

При розробці методики прогнозу стоку за весь період весінньо-літнього водопілля необхідне визначення снігозапасів перед початком сніготанення (Sm). Для прогнозування стоку за окремі місяці або інші календарні інтервали часу необхідно знати снігозапаси, які залишилися в басейні до початку розрахункового періоду на висоті Н Sзал(Н), мм.

За наявності снігомірних вимірів снігозапаси, які залишилися в басейні на конкретну дату можуть бути визначені за даними цих вимірів.

При недостатку даних про снігозапаси використовують непрямі оцінки снігозапасів, що залишилися . Застосовують три способи:

1) по величинах максимальних снігозапасів і температурі повітря за попередній період сніготанення, з урахуванням коефіцієнта танення (мм/оС), як

  

 .        (19)

2) по сумі витрат води за період накопичення однакових сум позитивних значень температури повітря за попередній період;

3) по відношенню середньої витрати води за період, передуючий моменту складання прогнозу, до середньої температури повітря за той же період.

 7 Методи визначення висоти сезонної снігової лінії

Сезонна  «снігова лінія» це деяка перехідна зона від суцільного снігового покриву до повної його відсутності, яка спостерігається у момент часу і може займати велику площу. Тому поняття «снігова лінія» носить умовний характер. Під нею  звичайно розуміють межу, вище за яку місцевість в горах зайнята снігом більше ніж на 50 % площі.

Швидкість вертикального переміщення снігової лінії восени може бути встановлена за даними спостережень над сніговим покривом. За відсутності їх, терміни встановлення снігового покриву можна приблизно визначити по температурі повітря і опадах. За початок встановлення снігового покриву на деякій висоті приймають першу декаду з опадами після стійкого переходу середньої декадної температури повітря через 0°С на цій висоті, а потім будують графік зміни висоти снігової лінії у часі, по якому можна приблизно визначити початок снігонакопичення на будь-якій висоті. 

Весною це зона сніготанення, проте визначення швидкості вертикального переміщення меж снігової лінії досить складне завдання. По висоті снігової лінії у будь-який момент часу можна, при використанні гипсографічної кривої, визначати площу одночасного сніготанення і встановити долю площі водозбору, яка покрита снігом.

У літературі  [3,4,5,10] відомі деякі методи визначення висоти сезонної снігової лінії (ССЛ).

Розрахунок висоти ССЛ по температурі повітря та міцності

снігового покриву

Швидкість підвищення снігової лінії весною за відсутності безпосередніх спостережень за нею може бути приблизно розрахована по температурі повітря і міцності снігового покриву на різних висотах. При цьому:

- по запасах води в сніговому покриві на деякій висоті і по коефіцієнту танення знаходять суму позитивних середніх добових значень температури повітря, необхідну для танення всього снігу;

- по фактичному ходу температури повітря на цій висоті або розрахувавши його по градієнту температур, визначають дату, коли накопичеться  ця сума і, отже, розтане весь сніг.

Розрахунок висоти ССЛ по датах сходу снігового покриву на

різних висотах

За наявності в басейні декількох або навіть однієї достатньо репрезентативної гірської і декількох предгірних станцій, час сходу снігу на різних висотах можна приблизно розрахувати за даними спостережень на них. Для цього:

- обчислюють різницю дат сходу снігу на відповідних висотах і ділять на інтервал висоти. Одержану величину умовно називають градієнтом дат сходу снігового покриву  . Приблизно його можна віднести до всього діапазону висот в басейні;

- при постійному по висоті значенні  дату сходу снігу на будь-якій висоті (DHi) визначають за виразом

,                            (20)

де  - дата сходу снігу в районі опорної станції, розташованої на висоті ;

Н – высота, для якої розраховують час сходу снігу, м.

Величина  виражається в добах на 100 м висоти. За даними про дати сходу снігу на даній висоті будують залежність цих дат від висоти.

Визначення висоти снігової лінії по температурі помітного

танення

Дата початку зростання витрат води в річці, яка пов’язана з таненням снігу в басейні, дещо запізнюється в порівнянні з датою переходу температури повітря до плюсових значень. Тому температура, при якій стає помітним збільшення витрат води називають температурою помітного танення (). Експерементально встановлено, що це значення середньої добової температури повітря на рівні 4-5°С.  

Приріст рівнів або витрат води в результаті припливу талих вод можливий тільки тоді, коли ізотерма, яка відповідає початку помітного танення, досягає нижньої межі снігового покриву. На початку сніготанення, коли сніговий покрив залягає повсюдно, приплив талих вод починається одразу ж після того, як температура повітря в нижній зоні досягає значення температури помітного танення.

У подальшому, по мірі просування вгору снігової лінії, підйом рівнів води відбувається при все більш високих значеннях температур повітря. Отже, по висоті ізотерми помітного танення, досягши якої починається збільшення припливу талих вод, можна приблизно визначити висоту снігової лінії в басейні.

Температуру помітного танення визначають таким чином:

- будують суміщені графіки ходу температури повітря, опадів і рівнів води за період танення. На графіках вибирають періоди, коли були відсутні рідкі опади;

- збільшення витрат води в річці вказує на те, що ізотерма помітного танення підійшла до зони покритої снігом. Далі визначають висоту снігової лінії в басейні за формулою вигляду

,                             (21)

де  - висота снігової лінії, м;

- температура повітря на висоті опорної станції, при якій починається збільшення стоку води в річці від танення снігу, 0С;

- температура помітного танення, встановлена для даного району, 0С;   

- вертикальный градієнт температури повітря, 0С/100 м;

Далі будують графік ходу висоти сезонної  снігової лінії в часі. По крайніх точках, які відповідають найбільшій висоті, визначають дату сходу снігу в гірському басейні (за умови відсутності вічних снігів і льодовиків на вершинах горних масивів).

Визначення висоти снігової лінії за даними про талий стік і

температуру повітря

Стік талої води, що утворюється в басейні за деякий період часу, визначають площею одночасного сніготанення і припливом тепла на цю площу. Площа одночасного танення залежить від положення верхньої і нижньої меж зони танення.

Верхня межа зони танення може бути приблизно визначена по положенню нульової ізотерми. Знаючи цю висоту і приток тепла до окремих висотних зон, можна приблизно визначити площу танення а, отже, і висоту снігової лінії. Для цього будують графік для визначення висоти снігової лінії  за витратами талих вод Q та температурі повітря , тобто . При цьому шар талої води (), яка надходить до басейну при постійному коефіцієнті танення (), буде дорівнювати:

,                           (22)

де   - температура повітря (оС) на висоті опорної (нижньої) станції Ноп;

-  вертикальный градієнт температури повітря, оС/100 м;   

- висота снігової лінії, м;

- висота нульової ізотерми (тилу сніготанення), м; 

- висота опорної (низинної) станції, м;

- площі висотних зон одночасного танення, в частках всієї площі басейну F.

8 Прогнози стоку за період водопілля або вегетаційний період

Як було сказане вище, розробка методики довгострокового прогнозу стоку за весняно-літнє водопілля або період вегетації (квітень-вересень) в гірському басейні (Y) зводиться до встановлення кореляційних залежностей:

   

або                                    

.

  

Для прогнозів стоку гірських річок необхідно мати гіпсографічну криву басейну, знати закономірності зміни опадів і запасів води в сніговому покриві, температури повітря по висоті. При цьому гірський басейн умовно розбивають на висотні зони – зазвичай 500 м.

Прогнозні залежності будуються для кожної конкретної річки за даними багаторічних гідрометеорологічних спостережень станцій – снігозапасів, опадів, зволоження грунтів, витрат води та ін.

При цьому необхідно враховувати, що:

1) гори, за винятком передгір’їв і низьких зон, восени звичайно характеризуються зволоженням, близьким до надмірного;

2) грунтовий покрив в горах тонкий і талі та дощові води просочуються вниз звичайно по широких проміжках між частинками, що складають грунт, а також по тріщинах в породах;

3) у різних висотних зонах в кожному році сніговий покрив встановлюється  в різний час, що призводить до  зменшення амплітуди коливань від року в рік вологонасиченості грунтів в басейні восени.

Таким чином коливання з року в рік ступеня зволоження всього гірського басейну не мають істотного впливу на величину стоку за водопілля. У відношенні ж передгірій і низьких зон цей висновок не завжди вірний.

Враховуючи загальні особливості водного режиму гірських річок, розробка методики довгострокових прогнозів стоку весняно-літнього водопілля або за період вегетації ведеться:

  •  за даними про снігозапаси у вигляді Y=f(S) – звичайно прогнозні залежності лінійні і характеризуються коефіцієнтами кореляції 0.70-0.80 (рис. 3).

          Q, м3

                                                          

Рис. 3 - Залежність середньої витрати води за період

весняно-літнього водопілля від запасів води в сніговому покриві

- за даними про опади за холодний період року у вигляді, наприклад Y=f(), де - сума опадів з грудня попереднього по березень поточного року. При цьому періоди, за які підсумовуються тверді опади, беруться звичайно наступні:

1) вся зима для кожної висотної зони;

2) вся зима, але тільки по основній висотній зоні;

3) постійний для всіх зон календарний зимовий період;

4) з початку зими до дати випуску довгострокового прогнозу стоку, звичайно до 1—10 березня.

Залежності стоку за водопілля від кількості твердих опадів за розрахунковий зимовий період також практично лінійні (рис.4), мають задовільну точність для гірських басейнів при незначному попередньому зволоженні грунтів.

- за даними про снігозапаси та опади періоду весняного водопілля, наприклад, у вигляді  . Для визначення кількості опадів за час сніготанення Х1  і опадів Х2, які випадають на вільну від снігу поверхню басейну,  при складанні прогнозів величину їх приймають рівній середньобагаторічній величині або за довгостроковим прогнозом опадів: вище за норму – більше 120%, біля норми – 80-120% і нижче за норму –меньше 80% норми опадів за місяць.

   Q, м3

                                                                         

Рис. 4 -  Залежність середньої витрати води за вегетаційний період від модульного коефіцієнту кількості твердих опадів за жовтень-квітень

  1.   Прогнози стоку по місяцях

При розробці методик прогнозу стоку на місяць враховують фазу розвитку водопілля, оскільки від місяця до місяця змінюються основні чинники формування стоку.  Дата випуску прогнозу стоку на даний місяць періоду водопілля є 21-25 число попереднього місяця. Прогнози складаються за допомогою емпіричних залежностей величини стоку за даний місяць від чинників, які визначають кількість снігу, який розтане в горах протягом цього місяця. Залежності носять локальний характер і будуються на основі матеріалів багаторічних гідрометеорологічних спостережень. Можливість їх практичного використання визначається шляхом оцінки точності перевірних прогнозів.

Так, в перші місяці водопілля (березень, квітень) основними чинниками є запаси води в сніговомуму покриві, які накопичилися за зиму (або опади за холодний період року) і очікуваний приток тепла до зони сніготанення (температура повітря  або ж її відхилення від норми).

Залежності, наприклад, для р. Арагві у с. Жинвані за квітень мають такий вигляд:

,                                            (23)

де  - середньомісячна витрата води у квітні, м3/с;

 А04 - обєм талої води (мм), який формує стік квітня

,                            (24)

де х1,..., хт – обєм талої води по висотних зонах (мм), який визначається за формулою

,                                      (25)

kS – коефіцієнт танення снігу, мм/(оС ∙д);

- розрахункова сума позитивних температур повітря (оС) у квітні на висоті j-ої зони

,                 (26)

 - сума позитивних температур повітря у квітні на висоті опорної станції Душеті в зоні 500-1000 м, оС;

 (Н-Ноп) – різниця висот розрахункової і опорної станцій, м;

 - градієнт температури повітря, оС/100 м;

 f1,…,fm – площі висотних зон в долях від площі всього басейну, які визначаються за гіпсографічною кривою басейну;

 m – кількість висотних зон (висота зони приймається рівною 500 м).

В умовах низьких гір сніговий покрив повністю розтає в квітні, тому основним чинником тут є кількість запасів води в сніговому покриві на початок сніготанення.

Для другого-третього місяців водопілля, в період проходження максимальних витрат, та на початку його спаду (травень, червень, липень) велику роль відіграють запаси води в сніговому покриві, що залишилися до моменту складання прогнозів, місяця для якого складається прогноз з врахуванням очікуваного притоку тепла. Тому в прогностичні рівняння включають характеристики танення снігу за минулий період.

Методи визначення снігозапасів, що залишилися на басейні (), описані в п.6. Великі витрати води при порівняно невисоких температурах повітря, що спостерігаються на початку сезону, означають значний ступінь засніженості нижніх зон, а відповідно й великих снігозапасів у верхніх зонах. Це у свою чергу є показником високої можливої водовіддачі басейну на 1 °С плюсової середньодобової температури повітря в подальший період розвитку водопілля.

Приклад залежності показаний на рис. 5. Похибки прогнозу по залежностях пов'язані з тим, що температура повітря в квітні або травні приймається як середньобагаторічне її значення або орієнтуючися на довгостроковий метеопрогноз погоди.

До кінця сезону (серпень, вересень) на спаді водопілля та на початку межені снігу в горах залишається мало і його запаси практично не впливають на хід подальшого стоку річок. Прогнози стоку на цей період звичайно даються за допомогою залежностей стоку цього періоду від водности річки в кінці попереднього місяця.

Якщо ж на водозборі є льодовики, які відкриваються за сприятливих погодних умов (починаючи з липня),  їх танення починає відігравати помітну роль у формуванні стоку річок, що беруть початок у високогір’ях. В таких випадках при складанні прогнозів стоку на серпень-вересень необхідно враховувати очікувану температуру повітря цих місяців.

При розробці методики прогнозів стоку на місяць, слід виявити роль рідких опадів в цей період водопілля. Для великих річок виявляється вплив на стік  рідких опадів, які вже випали до моменту складання прогнозу та періоду завчасності прогнозу. В цьому випадку врахування опадів здійснюється шляхом встановлення мінімального шару опадів, який впливає на майбутній стік. Далі відшукують емпіричний параметр зв'язку випавших опадів з частиною майбутнього стоку річки, яка обумовлена цими опадами.

                Q, м3

     

Рис. 5 -  Залежність стоку за травень від модульного коефіцієнта запасів

води в сніговому покриві (ks) на 30 квітня і середньої температури

повітря у травні (оС) (числа біля ліній)

 В умовах недостатньої гідрометеорологічної вивченості гірських водозборів в якості факторів весняно-літнього водопілля використовують непрямі характеристики, а розробку прогнозних методик ведуть на основі встановлення багатофакторних залежностей і використання методів множинної кореляції [4,5,10].

 

Запитання для самоперевірки

1.Які особливості формування водопілля гірських річок на відміну від рівнинних?

2. Перелічте основні фактори (постійні і змінні) стоку весняно-лінтнього водопілля. Визначте їх вплив на формування стоку.

3. Складові весняно-літнього стоку гірських річок. Як визначити тало-льодову, дощову та  ґрунтову складові?

4. Види і методи прогнозів стоку гірських річок.

5. Науково-методичні підходи при складанні методик прогнозів стоку гірських річок?

6. Рівняння водного балансу водозборів гірських річок за період весняного водопілля і визначення його складових.

Відмінність вигляду прогнозних залежностей для передгір’їв та високогір’їв.

8. Основні фактори формування весняно-літнього водопілля гірських річок та їх визначення.

9. Види довгострокових прогнозів стоку гірських річок. Як поділяються прогнози стоку за завчасністю?

10.Методи довгострокових прогнозів стоку гірських річок. Як виконується оцінка методу прогнозу?

11. Особливості режиму температури повітря у горах.

12. Визначення температури повітря у гірському басейні за градієнтом температур.

13.Як визначити тривалість теплого і холодного періодів року на різних висотах?

14. Оцінка снігозапасів в гірському басейні при наявності даних по висотним зонам.

15. Визначення снігозапасів і опадів у гірському басейні за градієнтом опадів.

16. Оцінка снігозапасів (опадів) в гірському басейні при обмеженості даних по висотних зонах. Які використовують індекси снігозапасів чи опадів?

1 Визначення снігозапасів, які залишилися до другого та інших місяців весняно-літнього водопілля у гірському басейні.

18.Що таке сезонна снігова лінія?  Які  методи існують для визначення  її висоти.

19. Довгостроковий прогноз стоку гірських річок  за період вегетації за даними суми опадів за холодний період року. Яка завчасність таких прогнозів?

20.Практичні прийоми складання методик прогнозу стоку водопілля гірських річок по снігозапасах. Яка завчасність таких прогнозів?

21.Довгостроковий прогноз стоку гірських річок по місяцях. В чому основна відмінність методики прогнозу для першого та інших місяців водопілля?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

214. Проектирование комбикормового цеха 740.12 KB
  Характеристики применяемых материалов и изделий, фундаменты и фундаментные балки. Сведения о наружной и внутренней отделке. Организация и технология производства работ. Выбор грузозахватных приспособлений. Определение численного и квалификационного состава бригады для производства каменных работ.
215. Методы замера твердости металлов и их структурный анализ 538.5 KB
  Назначение легирующих элементов и их влияние на свойства стали. Краткие сведения о закалке и отпуске углеродистых сталей. Изучение упрочнения деталей из углеродистых сталей закалкой и последующим отпуском.
216. Исследование и расчет долбежного станка 315 KB
  Понижение класса кинематических пар звеньев. Построение планов скоростей для 12 положений механизма. Приведение масс звеньев механизма и построение графика приведенного момента инерции. Силовой расчет рычажного механизма.
217. Экологическое право. История формирования экологического права России 256.02 KB
  История формирования экологического права России. Право природопользования. Виды прав на природные объекты и ресурсы. Охрана окружающей среды при осуществлении хозяйственной и иной деятельности. Международно-правовой механизм охраны окружающей среды.
218. Образовательный процесс на примере темы искусство Древней Месопотамии 607 KB
  Структурно-методический анализ учебного материала. Анализ учебно-программной документации. Определение обучающих, воспитывающих, развивающих и когнитивных целей. Методы конструирования на основе методического анализа учебного материала.
219. Проектирование механического привода с одноступенчатым редуктором 433 KB
  Расчеты и конструирование одноступенчатого конического зубчатого редуктора, приведены расчеты конических зубчатых передач, валов, шпонок на прочность, геометрия и кинематика зубчатой передачи.
220. Факультативный курс Параметры в геометрии 644 KB
  Общие вопросы организации и проведения факультативных курсов по математике. Анализ школьных учебников по геометрии федерального комплекта. Разработка факультативного курса Параметры в геометрии.
221. Совершенствование политики управления запасами коммерческой организации ОАО Бердский Хлебокомбинат 891.5 KB
  Разработка мероприятий по совершенствованию политики управления запасами для ОАО Бердский Хлебокомбинат. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи. Материально-производственные запасы как элемент оборотного капитала.
222. Паротурбинные и газотурбинные установки 637.5 KB
  Расчет и оптимизация цикла газотурбинной установки. Выбор типа компрессора, определение его характеристик и основных размеров методом моделирования. Определение основных геометрических размеров турбины. Тепловой расчет проточной части по среднему диаметру.