Региональные исследования внутригодового распределения стока рек Центрального Черноземья

В нашей стране ведётся массовое гидротехническое строительство. Большинство 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.

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 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: QVI +QVII + QVIII + QIX + QX+ QXI = УQН. 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: УQН = QXII + QI + QII. 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 средней районной нормы летне-осеннего, зимнего и лимитирующего стока неизученных постоянных рек рекомендуется формула.

Q?Н/ К? Н = 0,0002(F-F0)1.20.

Параметрами формулы являются K? H и F0. Для каждого из девяти гидрологических районов ЦЧО разработаны по известной методике числовые значения этих параметров (таблица 1).

Таблица 1. Значения параметров K? H (мм/с) и F0 (км2) для расчёта нормы летне-осеннего УQ? Н (м3/с), зимнего УQ? Н и лимитирующего Q? 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 ДQЛЕС = 0,0093 fЛЕС1,15,.

в период зимнего стока ДQЛЕС = 0,0070 fЛЕС1,20,.

в период лимитирующего стока (июль) ДQЛЕС = 0,0023 fЛЕС1,10,.

в период лимитирующего стока (август) ДQЛЕС = 0,0006 fЛЕС1,22.

Формулы для поправок на площадь карстующихся пород имеют следующий вид:

в период летне-осеннего стока ДQКАРСТ = 0,0023 fКАРСТ1,20,.

в период зимнего стока ДQКАРСТ = 0,0014 fКАРСТ1,20,.

в период лимитирующего стока (июль) ДQКАРСТ = 0,40 fКАРСТ1,20,.

в период лимитирующего стока (август) ДQКАРСТ = 0,42 fКАРСТ1,20.

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:

ДQПРУДЫ, б = +1,13 WПРУДЫ, б, ДQПРУДЫ, р = -0,51 WПРУДЫ, р, для зимнего стока рек Среднерусской возвышенности также получены два уравнения:

ДQПРУДЫ, б = +0,90 WПРУДЫ, б, ДQПРУДЫ, р = -0,74 WПРУДЫ, р.

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

для периода летне-осеннего стока ДQПРУДЫ, б = +0,110 WПРУДЫ, б, для периода зимнего стока ДQПРУДЫ, б = 0,130 WПРУДЫ, 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%.