Региональные исследования внутригодового распределения стока рек Центрального Черноземья

Большинство гидротехнических сооружений проектируется и строится на реках и водотоках, по которым гидрологические данные отсутствуют. Если же сооружение создаётся на изученной реке, створ его, как правило, не совпадает со створом водомерных наблюдений. Всё это способствует более широким исследованиям условий формирования и косвенных методов расчёта не только низкого, но и особенно высокого и среднего годового стока.

Расчёты летне-осеннего, зимнего и лимитирующего стока

Различные виды низкого стока относятся к наиболее маловодному периоду года. Они имеют большой практический интерес, поскольку фаза маловодья совпадает с максимальной потребностью в воде.

Летне-осенний, зимний и лимитирующий сток изучены ещё недостаточно. Это можно объяснить довольно сложным процессом формирования стока и небольшим числом пунктов наблюдений. Данные исследования основывались на фактических данных для 119 опорных пунктов с периодом наблюдений от 9 до 87 лет. В качестве опытных данных при разработке параметров расчётных формул послужили таблицы среднемесячных расходов воды, опубликованные в справочниках «Основные гидрологические характеристики» и «Гидрологических ежегодниках».

Норма стока в маловодье определялась авторами как среднее значение за репрезентативный период такого ряда, при котором относительная средняя квадратическая ошибка не превышала бы ±20%. При наблюдениях более 50 лет определение нормы проводилось по реке-аналогу графическим способом.

За длительность летне-осеннего стока рек ЦЧО принимались постоянные календарные стоки с июня по ноябрь (шесть месяцев). Летне-осенний сток за каждый год вычислялся для опорных пунктов как сумма среднемесячных расходов: Q_VI +Q_VII + Q_VIII + Q_IX + Q_X+ Q_XI = Σ Q_Н. Продолжительность зимнего сезона выбрана для всех лет наблюдений также постоянной. Но она равна трём месяцам (декабрь, январь, февраль). Зимний сток устанавливался для стационарных пунктов как сумма трёх среднемесячных расходов: Σ Q_Н = Q_XII + Q_I + Q_II. Поскольку для территории центрально-черноземных областей наиболее маловодными (лимитирующими) периодами являются июль и август, исследовали среднемесячный сток за эти два месяца.

В качестве расчётной формулы для определения среднерайонной нормы летне-осеннего, зимнего и лимитирующего стока неизученных постоянных рек рекомендуется формула (а), но рассчитывается не Q̅ _Н, а Σ Q̅ _Н (сумма среднемесячных расходов соответственно за шесть и три месяца).

Q̅ _Н/ К̅ _Н = 0, 0002(F-F₀)^1.20 (а)

Параметрами формулы (а) являются K̅ _H и F₀. Для каждого из девяти гидрологических районов ЦЧО разработаны по известной методике числовые значения этих параметров (табл.1).

Таблица 1

Значения параметров формулы (а) K̅ _H (мм/с) и F₀ (км²) для расчёта нормы летне-осеннего Σ Q̅ _Н (м³/с), зимнего Σ Q̅ _Н и лимитирующего Q̅ _Н (м³/с) стока постоянных рек по гидрологическим районам

Приведённые данные показывают, что наиболее благоприятные условия для формирования низкого стока имеют реки первого и пятого гидрологических районов. Беднее других водными ресурсами реки четвёртого и девятого районов.

Коэффициенты для постоянных и эпизодически пересыхающих (перемерзающих) рек отражают средние районные условия формирования стока в период низкой межени. Они позволяют определять норму летне-осеннего, зимнего и лимитирующего стока рек ЦЧО при природных и антропогенных показателях на водосборе, близких к среднерайонным. Поправка в этом случае равна нулю. Однако на исследуемой территории имеются бассейны, стокоформирующие факторы которых значительно отличаются от средних по району.

Как показали исследования сезонного низкого стока рек ЦЧО, поправки можно ввести на лес, карст, несовпадение поверхностного и подземного водосбросов и на пруды.

Приведём формулы поправок на площадь леса:

в период летне-осеннего стока

Δ Q_ЛЕС = 0, 0093 f_ЛЕС^{1, 15},

в период зимнего стока

Δ Q_ЛЕС = 0, 0070 f_ЛЕС^{1, 20},

в период лимитирующего стока (июль)

Δ Q_ЛЕС = 0, 0023 f_ЛЕС^{1, 10},

в период лимитирующего стока (август)

Δ Q_ЛЕС = 0, 0006 f_ЛЕС^{1, 22}.

Формулы для поправок на площадь карстующихся пород имеют следующий вид:

в период летне-осеннего стока

Δ Q_КАРСТ = 0, 0023 f_КАРСТ^{1, 20},

в период зимнего стока

Δ Q_КАРСТ = 0, 0014 f_КАРСТ^{1, 20},

в период лимитирующего стока (июль)

Δ Q_КАРСТ = 0, 00040 f_КАРСТ^{1, 20},

в период лимитирующего стока (август)

Δ Q_КАРСТ = 0, 00042 f_КАРСТ^{1, 20}.

Ошибки расчёта с использованием поправочных формул уменьшается для опорных водосборов от -40, 1 до ±14, 5% (летне-осенний сток); от -35, 7 до ±20, 6% (зимний сток); от -41, 8 до ±14, 4% (лимитирующий сток за июль) и от -43, 4 до ±13, 1% (лимитирующий сток за август).

Поправка на пруды введены только для летне-осеннего и зимнего стока. Данные показывают, что пруды, построенные в руслах рек, отрицательно влияют на формирование меженного стока, а балочные пруды – положительно. Статистическая обработка данных наблюдений позволяет рекомендовать для летне-осеннего стока рек Среднерусской возвышенности два поправочных уравнения:

Δ Q_{ПРУДЫ, б} = +1, 13 W_{ПРУДЫ, б},

Δ Q_{ПРУДЫ, р} = -0, 51 W_{ПРУДЫ, р},

для зимнего стока рек Среднерусской возвышенности также получены два уравнения:

Δ Q_{ПРУДЫ, б} = +0, 90 W_{ПРУДЫ, б},

Δ Q_{ПРУДЫ, р} = -0, 74 W_{ПРУДЫ, р}.

Поправочные формулы для рек Окско-Донской низменности можно рекомендовать только для балочных прудов:

для периода летне-осеннего стока

Δ Q_{ПРУДЫ, б} = +0, 110 W_{ПРУДЫ, б},

для периода зимнего стока

Δ Q_{ПРУДЫ, б} = 0, 130 W_{ПРУДЫ, б}.

Применение полученных поправок на пруды позволило уменьшить погрешности расчёта летне-осеннего стока рек ЦЧО (на примере опорных водосбросов) с ±28, 1 до ±18%, а зимнего стока – с ±25, 7 до ±8, 8% [10].

Глава 2 Физико – географическая характеристика Белгородской области