Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка методики расчета и прогноза дождевых паводков Западного Закавказья

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Лоджель, Махмуд

ВВЕДЕНИЕ.

1. КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ О ПАВОДКАХ.

I.I. Региональная обусловленность формирования паводков . . II

2. РЕГИОНАЛЬНЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СКЛОНОВГО ПРИТОКА

И СПОСОБЫ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ.

2.1. Процесс инфильтрации.

2.1Л♦ Поверхностное впитывание

2.1.2. Потери спада

2.2. Поверхностное задержание.

2.3. Элементы потерь на горных склонах.

2.3.1. Об инфильтрации воды в относительном водоупоре горных склонов.

2.4. Почвенное задержание.

2.5. Модель суммарных потерь дождевых паводков на горных склонах

3. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПАВ0Д0ЧН0Г0 СТОКА РЕК ЗАПАДНОГО ЗАКАВКАЗЬЯ.

3.1. Основные черты рельефа и геологического строения.

3.2. Карст.ЛЬ

3.3. Климат.

3.3.1. Температура воздуха.

3.3.2. Атмосферные осадки.

3.3.3. Снежный покров'.

3.4. Почвенный покров.

3.5. Растительный покров.

3.6. Характеристика гидрографической сети

3.7. Гидрологический режим.

4. ОБОСНОВАНИЕ БАЛАНСОВЫХ МОДЕЛЕЙ ПАВОДОЧНОГО СТОКА

РЕК ЗАПАДНОГО ЗАКАВКАЗЬЯ.

4.1. Модель потерь паводочного стока равнинной территории

4.2. Модель потерь паводочного стока горной территории.

4.3. Обобщенная модель потерь паводочного стока

4.4. Обоснование картирования параметров потерь паводочного стока

4.5. Приближенная оценка параметров потерь паводочного стока

4.6. Модель потерь паводочного стока по данным о суточных осадках.

5. ИДЕНТИШКАЩШ ПАРАМЕТРОВ ПОТЕРЬ И ИХ ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОБОБЩЕНИЕ.

5.1. Определение слоя паводочного стока.

5.2. Определение слоя стокообразущих осадков.

5.3. Приближенная оценка параметра фильтрации.

5.4. Реализация модели общих потерь паводочного стока

5.4.1. Идентификация параметров общих потерь стока.

5.4.2. Картирование параметров общих потерь стока.

Введение Диссертация по географии, на тему "Разработка методики расчета и прогноза дождевых паводков Западного Закавказья"

Актуальность проблемы паводочного стока обусловлена двумя предпосылками. Во-первых, паводки могут иметь болыцую высоту и разрушительную силу, причиняя большой материальный ущерб народному хозяйству. Это требует не только точного расчёта и прогноза высокого дождевого стока, но и строительства цротивопаводочных водохранилищ, для рациональной эксплуатации которых опять таки нужен систематический выпуск прогнозов. Во-вторых, дождевой сток может составлять очень существенную, иногда преобладающую часть водных ресурсов, использование которых есть основное условие развития экономики ряда стран. Особенно это относится к зоне сухих субтропиков, где питание рек обусловлено сезонными дождями. В этой зоне воды любого паводка должны быть задержаны в водохранилище для использования в сухое время года. Регулирование паводочного стока может быть правильно осуществлено только на основе надёжной методики расчёта и прогноза слоя стока и гидрографа стока от каждого кон!фетного дождя.

Для автора, как гражданина АНДР, особый интерес представлял бы анализ дождевых паводков в этой стране, учитывая как большую высоту экстремальных паводочных расходов, так и значение дождевого стока как основной составляющей водных ресурсов: реки, стекающие с Атласких гор, имеют до 70-90% дождевого питания (от общего речного стока) и почти до 100% на временных водотоках. Однако отсутствие в нашем распоряжении материалов достаточных для чёткого анализа заставило выбрать другой обьект исследования - регион Западного Закавказья. Последний представляет собой горную страну, находящуюся в субтропических широтах. Здесь большинство рек имеют выраженный паводочный гидрологический режим. Дождевая составляющая стока весьма значительна, а высота паводков может быть настолько большой, что создание противопаводочных водохранилищ и другие меры борьбы с наводнениями являются весьма актуальным. Наличие некоторых черт аналогии в гидрологическом режиме, рельефе и климатических условиях позволяет рассчитывать на то, что методика, разработанная и апробированная для Закавказья, может быть затем, с теми или иными коррективами, использована и на территории Алжира. Исключительная сложность природных условий Грузии служит некоторой гарантией того, что методы разработки, давшие удовлетворительные результаты в подобных условиях, окажутся пригодными и для других регионов, имеющих некоторую общность формирования паводков.

В данной работе использован метод исследования, получающий в настоящее время наибольшее распространение в гидрологической науке. Метод включает в себя обоснование общих математических моделей стока (балансовых или составных) и частных моделей, описывающих стокообразующие процессы, идентификацию параметров моделей в условиях данного региона на основе всей имеющейся информации и оценку полученных результатов. В основу моделирования положены I) существующие теоретические предпосылки; 2) физико-географический и гидрологический анализ, выявляющий общность и различия паводкообразующих процессов по территории, возможность их описания той или иной моделью; 3) обоснование способов определения параметров модели для бассейнов и их обобщения по всей территории. Особое внимание обращено на обоснование такой модели, которая может быть реализована на основе массовой информации по речной и метеорологической сети. Следует заметить , что такой подход требует некоторых упрощений принятых математических моделей, т.к. использование сложных многопараметрических моделей возможно лишь при наличии данных стоковых станций и экспериментальных исследований, которые отсутствуют на рассматриваемой территории.

Диссертация содержит введение, шесть глав и выводы.

В первой главе излагается краткий очерк развития теории па-водочного стока; особое внимание уделяется современному состоянию вопроса.

Во второй главе описаны региональные математические модели склонового притока и рассматриваются способы их реализации в данных природных условиях.

Третья глава посвящена анализу физико-географических условий формирования паводочного стока рек Западного Закавказья.

В четвёртой главе приводится обоснование балансовых моделей паводочного стока рек Западного Закавказья.

В пятой главе производится идентификация параметров потерь паводочного стока, их географическое обобщение и оценки точности расчёта для рек Западного Закавказья.

В шестой главе разрабатываются основные положения методики расчёта и предвычисления максимальных расходов.

I. КРАТКИЙ ОЧЕРК РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ О ПАВОДКАХ

Формирование и развитие паводков обусловлено рядом многообразных и сложных гидрологических процессов. Сочетания климатических и бассейновых стокообразующих факторов очень разнообразны и для каждого паводка индивидуальны во времени и в пространстве. Действительно, на определённом бассейне и при однородных условиях климата никогда не наблюдаются совершенно идентичные паводки.

Гидрология, как и все остальные науки о земле, долгое время основывалась на научном эмпиризме. В последнее время развитие гидрологии связано с двумя частными научными методами - статистическим и детерминистическим (генетическим). В основе первого из них лежит положение о случайном характере гидрологических явлений и процессов. Метод опирается на математический аппарат теории вероятностей. Генетический метод основан на отыскании причинной обусловленности гидрологических явлений. Способами математического анализа метод расскрывает их динамические закономерности гидрологических процессов. В области паводочного стока становление генетического метода связано с работами [i, 8, 9, 36, 47, 48, 52 и др.]

Важнейшим звеном генетического метода является теория основанная на законе водного баланса. Наиболее подробная разработка теории склонового, а затем и руслового паводочного стока выполнена в работах А.Н.Бефани [8, 9, 12 и др.].

При разработке расчётных формул и методик определения характеристик паводочного стока обычно, так или иначе, сочетаются оба метода исследований - статистический и детерминистический.

Долгое время ведущими в гидрологических исследованиях были элементы статистического метода. Выводы строились на статистической обработке данных наблюдений и их чисто эмпирическом обобщении,

- Q на эмпирически подмеченных внешних закономерностях, таких, например, как факт уменьшения паводочного стока с ростом водосбора. Так подученные эмпирические формулы, не раскрывая сущности процесса, оперируя лишь с ограниченными и, часто, неоднородными данными, естественно не могли обеспечить нужную точность расчёта. Структура эмпирических формул первоначально была условна, не имея генетического обоснования и не раскрывая, поэтому, всех действующих природных факторов в многообразии их сочетаний. Затем при обобщении эмпирического материала начали использовать различные генетические предпосылки, некоторые теоретические разработки, построенные на разных идеализациях гидрологических явлений и процессов развития паводка. Так были разработаны многие расчётные формулы, их можно разделить на следующие группы:

1) формулы, основанные на учёте так называемой предельной интенсивности дождя за время руслового добегания и учитывающие только фазу максимума паводков [39, 44, 47, 49, 69, 78, 84 и др.] ;

2) редукционные формулы [39, 41, 42, 43, 44, 45, 58, 78, 84 и др.] основанные на факте убывания модуля максимального стока с увеличением площади водосбора иди времени руслового добегания;

3) обьешые формулы [62, 64, 75, 84 и дрJ основанные на взаимосвязях между элементами гидрографов паводков - их объёмом, максимальным расходом и формой гидрографа.

Доя разработки всех этих формул, т.е. определения и последующего обобщения их параметров использовались гидрологические данные по замыкающим створам речных бассейнов, а также сведения об осадках по метеорологическим станциям. Данные по какому-либо гидроствору характеризуют лишь одно из возможных многочисленных сочетаний стокоформирующих факторов, сочетаний практически неповторимых. Поскольку данных о процессах, формирующих сток на бассейне было совершенно недостаточно, да и соответствующие математические модели этих процессов не были ещё разработаны, то и точность расчёта по указанным методам оставалась невысокой.

С развитием теории процессов формирования стока и его моделирования, с развитием способов статистического анализа получила обоснование современная методология научной и прикладной гидрологии, включающая в себя качественный анализ гидрологических процессов, их районирование и теорию, разработку математических моделей всех процессов, формирующих сток и реализацию этих моделей на основе данных наблюдений и экспериментов с использованием методов статистического и математического анализа.

Современная теория паводочного стока, основанная на гидромеханическом анализе [в, 9, 12, 29, 31, 36 и др.], устанавливает физическую сущность гидрологических явлений, их общие динамические закономерности в зависимости от взаимодействующих факторов. Теория отображает причинность, общие черты, динамику процессов стока, их качественную неоднородность (метаморфозы), обосновывает модели, в параметрах которых расскрываются свойства множественности действующих факторов и их сочетания.

Паводок формируется под воздействием ряда разнородных процессов, непрерывных или, чаще, дискретных, сложно взаимодействующих друг с другом, различных по масштабам, локализации, факторам. Поэтому общая теория паводков слагается из теории ряда процессов и математическая модель паводков обязательно должка иметь составной характер, включая в себя модели осадков, инфильтрации, задержания, разных форм склонового водообразования и стока, руслового добега-ния, руслопойменного водообмена и некоторых других [29].

Модели осадков, при современном состоянии гидрометеорологии являются чисто статистическими, их параметры устанавливаются путём статистического анализа данных ливнемерных кустов интерполированных по территории.

Модель потерь в локальных условиях имеет теоретическое или экспериментально-теоретическое обоснование. Бассейновые модели потерь могут включать в себя параметры пространственного распределения потерь, различные оценки и дискретности.

Модель добегания, поскольку она отображает общие гидравлические закономерности движения воды в речных системах, имеет детерминистический (генетический) характер.

Задача реализации моделей, или, иными словами, идентификация их параметров решается в зависимости от имеющейся информации, как это иллюстрировано ниже.

I.I. Региональная обусловленность формирования паводков

Различные сочетания природных условий формируют неодинаковые в своей сущности процессы стока - генетические виды паводоч-ного стока. На основе качественного анализа, экспериментов и наблюдений над элементами склонового стока в разных районах СССР [13, 14, 63j была предложена следующая генетическая классификация паводочного стока (цитируем в основном по [21]).

I) Подвешенный поверхностный сток, называемый также ливневым. Он возникает при превышении интенсивности дождя над интенсив ностью впитывания воды в почву. Имеет три подвида:

IA) Подвешенный сток волнистых и холмистых равнин неподтоп-ленных грунтовыми водами и незарегулированный склоновыми депрессиями. Характеризуется быстрым стеканием со склонов» Главными факторами паводка в этом случае являются интенсивности осадков и инфильтрации, определяемой предшествующим увлажнением, видом почвы и растительности;

IB) Подвешенный сток слабонаклонных равнин зарегулированный ёмкостями временного задержания (при глубоких грунтовых водах). Паводки формируются теми же факторами, что и в случае IA, но подвергаются распластыванию под воздействием ёмкостей слабопроточных поверхностных депрессий, отдающих воду иногда в течении нескольких суток. Важнейшим фактором стока становится уклон поверхности как индекс ёмкости временного задержания;

IB) Подвешенный поверхностный сток с горных склонов, зарегулированный прирусловыми делювиальными (или делювиально-аллюви-альными) отложениями. Определяется теми же процессами, что и в случае IA, но подвергается воздействию регулирующего фактора -ёмкости прирусловых осыпей, связанной с крутизной склонов.

2) Подпертый поверхностный сток подтопляемых низменностей. Возникает в зоне высоких грунтовых вод, когда они поднимаются до поверхности земли после обильных осадков. Подпертый сток в отличие от подвешенного определяется величиной площади, подтопленной грунтовыми водами и слоями осадков за период подпора. Подпёртый сток никогда не охватывает всего бассейна, имея локальный характер. Он всегда зарегулирован, имеет распластанный гидрограф.

3) Почвенный сток равнин (подвешенный). Образуется вследствие более высокой проницаемости почвы по сравнению с материнской породой, что связано с наличием в почве макропор, главным образом, биологического происхождения (ходы истлевших корней и т.д.). Исследования показали, что этот вид стока, хотя и имеет почти повсеместное распространение, но весьма мал, особенно на незалесённых склонах.

4) Подпёртый почвенный сток равнин. Появляется в результате подтопления почвы грунтовыми водами. Гидравлически связан с грунтовыми водами постоянно действующих горизонтов, при возникновении подпёртого поверхностного стока - с последним. Имеет, как и вид стока 2, локальное распространение. Значительно продолжительнее подвешенного почвенного стока и обычно превышает последний по величине.

5} Поверхностно-почвенный сток болотных вод. Зарегулирован в разного рода депрессиях. Слагается из подпёртого поверхностного и подпёртого внутрипочвенного. Поверхностный сток в моховой подушке и почвенный в очёсе и самом верхнем слое торфа имеют близкие гидравлические параметры, являясь особой формой ламинарного движения.

6) Сток тундровых вод имеет общие черты с болотным стоком, но наличие вечной мерзлоты придаёт особенности процессам стокооб-разования. Большую роль играет термический фактор, определяющий быстроту ухода мерзлоты и преобразования почвенного льда в сток.

7) Приповерхностный или, так называемый, контактный сток с горных склонов. Формируется в чехле рыхлых отложений по контакту с подстилающим относительным водоупором (скалы, коалинизированная обломочная порода и др.).

8) Подпёртый поверхностный сток горных склонов. Образуется местами, где осадки насыщают рыхлые отложения и дренажные воды подтопляют поверхность. Гидравлически связан с контактным*

9) Селевой сток с крутых открытых горных водосборов. Имеет несколько подтипов. Из них важнейшие: ливневой и оползневый.

10) Смешанный горно-тундровый. Объединяет черты 7 и 8-го типов горного стока, но характеризуется непостоянством во времени, положения водоупора, несущего контактный сток f 21].

Каждый генетический вид стока возникает при определённом сочетании природных факторов. Для дальнейшего изложения полезно рассмотреть особенности паводкообразующих факторов в их связи с географическими координатами.

Радиационные и циркуляционные факторы на данной широте обуславливают определённый климат. Каждому географическому пункту присущи определённые сочетания климатических характеристик. Климат, являясь первопричиной природных условий и медленно изменяясь по территории, формирует естественно исторические зоны.

Рассматривая географическую обусловленность генезиса паводочного стока, следует различать три группы факторов паводочного стока - факторы зональные, интразональные и азональные [16, 20].

Зональные факторы - это, главным образом, климатические характеристики. Их действующие сочетания постоянны в данном географическом пункте и плавно изменяются по территории или же сохраняют некоторое постоянство на довольно обширных пространствах. Как связанные с географическим положением, а в горах - с высотной зональностью, эти факторы могут быть картированы (районированы или отображены системой изолиний). Климатические факторы характеризуют водообмен бассейна с атмосферой - приход влаги (осадки) и её расход (испарение). Они являются основными факторами стока. Для целей предвычисления необходимо знать зависимость стока от метеорологических факторов, для целей расчета - связи между обеспеченными величинами стока и соответствующих факторов.

Интразональные (внутризональные) факторы (лесистость и, вообще растительный покров, почва, рельеф, отчасти - геологические условия и многие другие) тесно связаны с климатом, т.е. с зональными факторами. Почвенный покров и растительность в значительной степени определяются климатом; их распределение в целом зонально-смена климатических условий приводит к смене почвенно-климатичес-ких зон. В частности, растительный покров настолько тесно связан с зональными климатическими условиями, что его характеристики применяются как наименование зон, географических поясов (зоны тундры, лесотундры, тайги, смешанных лесов, широколиственных лесов, лесостепей, степей, пустынь, полупустынь и др.). Однако почвенный и растительный покров изменяются не только зонально, но обладают также и внутризональной вариацией, что обусловлено локальными сочетаниями факторов неполностью зависящих от климата. К таким факторам относятся, например, механический состав материнской породы, положение относительно элементов рельефа, экспозиция склонов и т.д. Таким образом растительность и почвенный покров вполне обосновано относятся к интразональным факторам. Интразональные факторы всегда имеют конкретные локальные особенности своего пространственного распределения, изменяясь по территории то дискретно, то более или менее плавно. Некоторая ограниченная часть территории одной и той же зоны, как например, речной бассейн, обладает сочетаниями интраэональных факторов варьирующими по площади, представленными некоторыми кривыми пространственного распределения. На отдельных малых водосборах любой зоны или полосы можно встретить самые разные, даже не характерные для данной зоны, интразональные факторы. Так, в лесной зоне отдельные водосборы могут быть безлесными, полностью распаханными, а в степной встречаются залесённые территории.

Чем больше площадь речного бассейна, тем естественно ближе средние бассейновые значения интраэональных факторов к характерным для данной зоны.

Азональные (незональные) факторы - это те характеристики речного бассейна, которые совсем не связаны с географическим положением, с географической или гидрологической зоной. Важнейшим из этих факторов является площадь бассейна, но имеют значение и многие другие индексы, характеризующие форму бассейна, строение речной сети и т.п. [20].

Особо следует сказать о роли рельефа* Взаимодействие климата и рельефа общеизвестно. Высота местности обуславливает высотную поясность; существует и некоторое воздействие на климат таких характеристик рельефа как экспозиция склонов, степень "открытости" и др. Обратное воздействие климата на рельеф проявляется в изменении по климатическим зонам процессов выветривания, эрозии, а тем самым и рельефа. Поскольку же формирование рельефа происходит под влиянием тектонических факторов, то в воздействии на сток могут проявляться и некоторые азональные черты. Таким образом, рельеф является очень важным фактором гидрологических процессов -его воздействию на сток присущи зональные (в отношении климатических зон), интразональные, и даже, азональные черты. Рельеф имеет свою историю развития, определённые закономерности распределения по территории своих форм и характеристик, что изучается в геоморфологии и находит отражение на геоморфологических картах. Изменение стока по территории, таким образом, подчиняется как распределению климатических зональных условий так и распределению по территории геоморфологических районов. Условно характеристики рельефа часто рассматривают просто как интразональные. В частности, это относится к таким характеристикам как уклон, густота речной сети.

Зональные, связанные с климатом и интразональные, в основном определяемые рельефом, черты присущие также и таким факторам как озёрность, заболоченность. Поскольку и эти факторы имеют особенности географического размещения, их воздействие на сток налагается на эффект зональных климатических факторов, придавая пространственному распределению и особенностям стока исключительное многообразие по площади.

Подводя итог вышеизложенному, отметим преобладающую роль зональных факторов в образовании паводочного стока. Интразональ-ные факторы определяются главным образом зональными, в некоторых же своих воздействиях варьируют внутри зоны, что проявляется особенно заметно на малых водосборах. Однако параметры распределения интразональных факторов и их воздействие несомненно связаны, опять таки, с зональными факторами.

Таким образом, в целом формирование стока происходит под воздействием большого числа природных факторов, изменяющихся в очень широких пределах, взаимодействующих или переплетающихся друг с другом, различающихся по природе своего воздействия на сток и по распределению в пространстве. Эти факторы образуют более или менее зональные комплексы или не связаны с зональным влиянием. При этом каздый генетический вид стока существует в довольно широком диапазоне природных условий, т.е. на значительных территориях. Так, на севере Европы и Азии в зоне высоких грунтовых вод на громадных территориях, паводочный сток возникает в результате подъёма грунтовых вод к поверхности, т.е. отвечает типу 2.

В степной и лесостепной полосе СССР, где грунтовые воды лежат на значительной глубине, а земная поверхность хорошо расчленена, паводки имеют ливневой характер (I тип), В переходной полосе (преимущественно лесная зона) грунтовые воды подтопляют только низменности, где возникает подпёртый сток. На возвышенных участках склонов при благоприятных условиях (тяжёлые почвы, умеренная залесённость и т.п.) образуется ливневой сток. В целом в этой зоне паводки имеют смешанный генезис, возникая за счёт слияния двух или более видов стока (IA и 2 или 1Б и 2 при участии вида 4), Таким образом на обширных пространствах паводки могут быть или генетически однородными (как в степной зоне) или смешанными, возникающими за счёт слияния 2-х и более видов стока (как, например, в лесной зоне). Поскольку каждый из перечисленных видов стока определяется различными гидрологическими процессами, разными факторами, то для территорий, обладающих определённым сочетанием генетических типов стока, т.е. той или иной генетической структурой паводка, должны применяться региональные математические модели. Территории, для которых можно применять единые математические модели формирования паводков А.Н.Бефани назвал областями или макрорегионами паводочного стока [l7, 2l]. К паводочным областям откосятся как территории, в пределах которых генезис паводков вполне однороден, так и такие, на которых генетическая структура паводка (соотношение между составляющими видами склонового стока) детерминирована интразональными факторами. К условиям ввделения паводочных областей относят не только одинаковый состав видов стока, но и наименование преобладающего вида. Паводочная область представляет собой определённую совокупность интразональ-ных условий (лесистость, заболоченность, карст и др.) неодинаковую на разных бассейнах. Но в пределах каждой паводочной области, занимающей обширное пространство хотя и сохраняются общие закономерности формирования паводков, т.е. их генезис, но могут очень широко варьировать, в своих разнообразных переплетениях и взаимодействиях сочетания факторов стока. В разных участках области могут возникать разные сочетания климатических, ландшафтных, геологических и других условий, в силу чего одна и та же модель паводка конкретизируется и реализуется не одинаково - отдельные компоненты и параметры модели определяются по-разноцу. В соответствии со сказанным в работах [17, 21, 29], предусматривая двучленное паводочное районирование, области стока разбиты на более однородные регионы. Под регионом паводочного стока понимают территорию, для которой на основе общей региональной модели могут быть получены конкретные расчётные (региональные) формулы с параметрами осреднёнными или распределёнными по данной территории или же выраженными в зависимости от каких-либо индексов известных величин. Итак, под областью паводочного стока понимают территорию с однотипным генезисом паводков. Когда речь идёт об областях с паводками, однородными по генезису, т.е. образованными стоком только подвешенным или только подпёртым, или только болотно-тундро-вым и т.д., то принципиальных трудностей районирования не возникает. Однако, гораздо чаще поводочный речной сток имеет смешанный характер, формируясь несколькими генетическими составляющими, соотношения между которыми, как об этом говорилось выше, могут изменяться по территории. Это потребовало уточнить понятия па-водочной области и паводочного региона. В [2l] паводочная область определена как территория, на которой паводки образуются преимущественно одними и теми же видами стока при выраженном преобладании какой-либо одной генетической составляющей (или двух примерно равноценных). Действительно определение области как территории с одними и теми же составляющими стока, например, подвешенным и подпёртым поверхностным, было бы недостаточным, как отмечалось выше максимум смешанного стока по времени обычно отвечает максицуцу наиболее высокой составляющей, остальные же добавляются с учётом синхронности соответствующих частных гидрографов. Поэтому и построение модельных выражений смешанного стока и порядок решения обратных задач неодинаковы в областях с преимущественным преобладанием разных генетических составляющих паводка. Паводочную область можно определить и как территорию, в пределах которой возможно принять единую математическую модель паводка.

Паводочный регион - это такая часть паводочной области, для которой можно получить единые региональные зависимости элементов паводка от его факторов. Общая для области математическая модель паводка в отдельных её регионах реализуется по разному - решение обратных задач приводит к неодинаковым параметрам, к зависимостям различного вида [20, 21, 29].

Вышеприведённые соображения ещё не разрешают одного важного противоречия районирования. Дело в том, что структура паводка -соотношение между его генетическими составляющими - зависит не только от зональных условий, но и от некоторых интразональных факторов. Особую роль в генезисе паводков имеет лес, который резко уменьшает поверхностную составляющую и увеличивает внутри-почвенную и, особенно, контактную. Считают, что в горах подвешенный сток в лесу представляет собой редчайшее явление [12, 13, 29]. Как правило паводки с лесных склонов образуются только контактным стоком. На открытых склонах, наоборот, значительно преобладает подвешенный поверхностный сток. Как было отмечено выше, для поверхностной составляющей в паводочном стоке почти пропорциональна площади открытых склонов в сумме с некоторыми особыми участками лесной территории (дороги, тропы, просеки, молодняк под выпасом, молодые посадки ели и т.п.). Всякий регион неизбежно включает в себя разные по генезису стокообразования участки, иногда мозаично распределённые по поверхности. Следовательно, генетическая структура смешанных паводков, строго говоря, не вполне постоянна не только для области, но и для любого региона, как бы мал он не был. Регион представляет собой определённую совокупность интразональных условий, изменяющихся от одного малого бассейна к другоку, формирующих ту или иную конкретную структуру паводка. Поэтому, разрабатывая генетические методики расчёта смешанных паводков, необходимо установить влияние интраэональных факторов на соотношения между генетическими составляющими стока, присущими данному региону.

Итак, под регионом паводочного стока следует понимать территорию качественно однотипную по генезису стока, в которой количественная структура паводка (соотношение между генетическими составляющими) может быть обусловлена величиной интраэональных факторов [21]. Именно выполнение этого условия и позволяет подучить единые региональные зависимости, определяющие элементы паводка. Таким образом, математические модели паводка и общие принципы решения обратных задач индивидуальны для областей стока, а конкретные выражения расчётных или прогностических территориально общих зависимостей имеют региональный характер, действуя внутри регионов стока, на которые распадаются области.

Региональный подход должен лежать в основе генетического метода расчёта или прогноза паводков, в основе математического моделирования, географического обобщения и решения обратных задач.

В [21, 29] даны карты областей и регионов паводочного стока. Согласно этим картам территория Кавказского Причерноморья включает в себя два региона - горы Кавказа и Колхидскую низменность, которые входят соответственно в области УШ ("Лесистые горные регионы") и область УП ("Низменности со смешанным ливневым и подпёртым стоком с преобладанием ливневого").

Ниже рассматриваются региональные математические модели паводков.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Лоджель, Махмуд

- 155 -ВЫВОДЫ

1. Паводок есть сложное гидрологическое явление, формирующееся под воздействием ряда разнородных и зачастую противоречивых процессов. Этим процессам свойственно а) причинно-следственные закономерности, которые раскрывают теории паводка и ряда процессов, их формирующих (выпадение осадков, инфильтрация, задержание, разные формы склонового водообразования и стока, руслового добегания, руслопойменного водообмена и некоторые другие); б) временная и пространственная множественность сочетаний стокообразующих процессов и факторов, которую отображает статистический анализ и в) региональная обусловленность многих гидрологических яв-г лений.

С учётом вышесказанного современная методология научных гидрологических исследований включает в себя гидрологическое районирование, т.е. выделение регионов, обладающих общностью формирования гидрологических явлений, теорию гидрологических процессов, их региональное математическое моделирование, идентификацию параметров моделей способами статистического или физико-статистического анализа. Эту методологию целесообразно положить в основу региональных исследований паводков.

2. Основой моделирования паводочного стока служат уравнения водного баланса. Балансовые модели имеют составной характер, включая в себя в качестве слагаемых осадки, различные виды потерь и стока. Каждое из слагаемых общей составной модели выражается соответствующей частной моделью. Вид балансовых выражений стока изменяется на разных территориях, в зависимости от генезиса стока. Прежде всего необходимо выделить балансовые модели слоя стока с равнинных и горных склонов.

На лесистых горных склонах характерным является наличие контактного стока, который встречается или в чистом виде или в различных сочетаниях с подвешенным и подпёртым поверхностным. Модель суммарных потерь дождевых паводков на горных' склонах составляется из частных моделей инфильтрации в относительный водоупор, подстилающий пласт рыхлых отложений во время дождя и на спаде и из почвенного задержания. Поверхностные составляющие стока горных рек зависят от потерь на впитывание в почву и поверхностное задержание, в горных условиях, как правило, весьма незначительное. Такой же вид имеют и балансовые уравнения общего паводочного стока равнинных территорий, однако здесь поверхностное задержание может играть значительную роль.

Установлена аналогия в динамике всех видов потерь стока, что позволяет отобразить их единой моделью - функцией времени. Эта модель общих потерь выражается двучленной степенной или показательной функцией.

3. Анализ физико-географической особенности территории Западного Закавказья показывает, что несмотря на обилие паводкообразующих факторов, их конкретные локальные сочетания в целом подчинены закону высотной зональности. Это делает возможной географическую интерполяцию ряда параметров паводочного стока, учитывающую высоту местности. Анализ физико-географических условий Западного Закавказья показывает также, что при всём многообразии этой территории она обладает общностью генезиса паводков, что позволяет рассматривать её как единый гидрологический макрорегион с присущими ему региональными прогностическими и расчётными зависимостями. Возможно точнее было бы разделить рассматриваемую территорию на горный и равнинный регионы; однако относительно небольшая площадь равнины и транзитный характер стока рек, пересекающих равнины, при отсутствии данных о стоке чисто равнинных водосборов, не позволяет выполнить такое разделение.

4. Для всей территории Западного Закавказья возможно принять общую двучленную степенную модель потерь паводочного стока с параметрами, смысл которых различен для горных и равнинных склонов. Первый член общей модели выражает установившуюся фильтрацию (поверхностное впитывание на равнине или фильтрацию в относительный водоупор горных склонов); второй член выражает переменный во времени компонент потерь; этот член учитывает заполнение почвенных и поверхностных ёмкостей на равнине, а в горах - задержание в рыхлых отложениях и в свободных ёмкостях подстилающего водоу-пора.

Второй член модели потерь может быть выражен в зависимости как от продолжительности водоподачи, т.е. продолжительности дождя, так и от количества поступающих осадков. Для условий Закавказья в связи с недостатком данных плювиографа в основе анализа целесообразно положить второй подход. Автором разработана методика расчёта общих потерь и слоя паводочного стока по массовой информации о суточных осадках, в зависимости от индексов предшествующего увлажнения. Предложенная модель общих потерь может быть реализована и для аналогичных регионов.

5. Расчёт потерь по слою осадков требует учёта начальных потерь, т.е. осадков предшествующих началу стока. Вычисление начальных потерь, выполненное методом графической корреляции, показывает, что эта величина определяется индексом предшествующего увлажнения и практически может быть принята независимой от других факторов, связанных с географическим положением.

Параметры модели потерь определены для каждого бассейна при фиксированных начальных потерях способом оптимизации.

Полученные параметры модели общих потерь стока определяются, главным образом, географическим положением бассейна, которое характеризует высоту местности и весь комплекс факторов, связанных с высотной зональностью. Поэтому наиболее доступным и надёжным методом территориального обобщения является непосредственное картирование параметров потерь.

Интразональные факторы в горном Закавказье тесно связаны со средними в данной амплитуде высот почвенно-климатическими условиями. Локальные отклонения значений факторов потерь от их средних в данном поясе на сравнительно крупных речных бассейнах взаимно уравновешиваются. Но на малых бассейнах условия могут существенно отличаться от средних, что требует введения поправок, учитывающих местные условия. б. Для разработки методики расчёта и предвычисления максимальных расходов целесообразно использовать модель, основанную на объёмной схематизации гидрографа паводка.

Получена приближённая оценка продолжительности паводка в зависимости от стокообразующих осадков, характеристики увлажнения и от размеров водосбора.

Численными экспериментами установлены параметры выражения коэффициента формы гидрографа в зависимости от максимальной ординаты и обьёма паводка.

Расчёты и предвычисление максимальных расходов по разработанной методике характеризуются погрешностью от б.О до 49.0%. При этом минимальные отклонения отвечают случаям наиболее высоких экстремальных расходов, прогноз которых наиболее важен на практике.

6.3. Практические рекомендации

Разработанная методика расчёта максимальной ординаты паводка может быть использована для целей предвычисления. Как пояснялось выше, в момент окончания дождя или его значительного ослабления, по измеренному слою осадков и вычисленному индексу увлажнения, предвычисляется слой стока. Определив параметр путём интерполяции по рис. 6.7 можно затем предвычислить продолжительность паводка % и максимальный модуль по формулам ( 6.3 ) и ( 6.7 ). Заблаговременность прогнозирования максимального модуля определяется продолжительностью запаздывания, т.е. временем от конца (или ослабления) дождя до наступления пика паводка.

Для определения фактического времени запаздывания необходимо ч

Рис. 6.7. Карта изолиний климатического параметра Ш© Северная часть территории аоъоо

Рис. 6.7. Карта изолиний климатического параметра Шв Южная часть территории иметь графики дождя или хотя бы сведения о его продолжительности и дате окончания. Недостаток такого ряда данных заставляет прибегнуть к более приближённой оценке времени запаздывания - по формуле 4 ~ ~W » гДе ^ ~ Длина Реки и V " скорость русло-пойменного добегания, которая, согласно [29] , определяется формулой

Здесь °<п - коэффициент поймы; J - уклон реки в %о . Результаты расчёта приведены в табл. 6.4.

Для определения максимального расхода заданной обеспеченности схема расчёта остаётся неизменной, но вместо наблюдённых берут обеспеченные осадки, а индексы увлажнения принимаются средними из выборки их значений предшествовавших высоким пикам, как об этом говорилось выше.

Указанная в табл. 6.4 заблаговременность в общем достаточна для принятия эффективных противопаводочных мер.

Повышение заблаговременности может быть достигнуто только на основе прогнозирования осадков.

6.4. Пример расчёта

Рассчитать слой паводочного стока и максимальный расход для р.Аше-с.Аше, расположенной на северной части территории Западного Закавказья, площадью Р = 282 км2, уклоном водосбора 7 = 404%о, средней высотой А/с = 570 м; 97$ площади занято лесом. Длина главного русла L = 39 км и уклон j = 35.3$ .

С 27 мая по 2 июня 1973 г. выпал дождь слоем X = 163.5 мм, который образовал паводок со слоем стока = 112.8 мм и максимальным расходом = 264 м3/с. Паводок продолжался Тп = 13

Расчёт времени запаздывания

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Лоджель, Махмуд, Одесса

1. Алексеев Г.А. Теория и методы расчёта стока поверхностных вод.-Тр./НИУ ГУГМС, 1941, вып.1.

2. Алексеев Г.А. Динамика инфильтрации дождевой воды в почву.-Тр./ГГИ, 1948, вып.6 (60).

3. Аполлов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов.- Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

4. Атлас Грузинской ССР. АН ГССР. Тбилиси-Москва: ГУГК, 1964.

5. Балабуев А.Г. Основные черты генезиса климата Закавказья.-Тр. Института геофизики АН ГССР, I960, т.18.

6. Балков В.А. Влияние карста на сток рек европейской территории СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1970.

7. Бефани А.Н., Терентьев Е.В., Лалыкин Н.В. Исследование впитывания ливневых вод на юге Украины и Молдавии. Тр./ОГМИ, 1958, вып.6.

8. Бефани А.Н. Основы теории ливневого стока. Тр./ОГМИ, 1949, ч.1, вып.4.

9. Бефани А.Н. Основы теории ливневого стока. Тр./ОГМИ, 1958, ч.П, вып.14.

10. Бефани А.Н. Теоретическое обоснование методов исследования и расчёта паводочного стока рек Дальнего Востока. Тр./ДВНИГМИ, 1966, вып.22.

11. Бефани А.Н., Урываев П.А., Бефани Н.Ф. Экспериментальные исследования паводочного стока рек Дальнего Востока. Тр./ДВНИГМИ, 1966, вып.22.

12. Бефани А.Н. Теоретическое обоснование методов исследования и расчёта паводочного стока рек Дальнего Востока. Тр./ДВНИГМИ, 1966, вып.22.

13. Бефани А.Н., Урываев П.А., Бефани Н.Ф., Одрова Т.В., Пономарева Т.Г. Экспериментальные исследования дождевого стока в Приморье 1963г. Тр./ДВНИГМИ, 1967, вып.24.

14. Бефани А.И., Бефани Н.Ф., Вишневский П.Ф., Иваненко А.Г., Позднякова В.Б., Тюхтя К.К. Экспериментальные исследования дождевого стока в Карпатах. Тр./УкрНИГМИ, 1967, вып.69.5, Бефани А.Н. и др. Водный баланс горных склонов. Тр./УкрНИГМИ, 1967, вып.69.

15. Бефани А.Н., Мельничук О.Н. Расчет нормы стока временных водотоков и горных рек Украинских Карпат. Тр./УкрНИГМИ, Л.: Гид-рометеоиздат, 1967, вып.69.

16. Бефани А.Н. Пути развития генетических методов расчёта максимального дождевого стока.- Тр. 1У Всесоюзного гидрологического Сьезда, 1975, т.З.

17. Бефани А.Н., Тигинян А.Г. Инфильтрация на горных склонах Северного и Западного Кавказа. Сб.Проблемы расчёта и прогнозирования паводков, тезисы докладов, Одесса; 1980.

18. Бефани А.Н. Основные виды паводочного стока с горных водосборов и математические модели паводков.- Метеорология, климатология и гидрология. Вища школа, Киев-Одесса, 1980, выпЛб.

19. Бефани А.Н. Математические модели поверхностного задержания дождевых вод на склонах. Метеорология, климатология и гидрология. Киев-Одесса, 1982, вып.18.

20. Бефани Н.Ф. К вопросу о теории впитывания ливневых вод в почву. Сборник геолого-географического факультета ОГУ, 1954, т.2.

21. Бефани Н.Ф. Расчёт впитывания ливневых вод каштановой и подзолистой почвами. Тр./ОГУ, 1955, вып.З, т.145.

22. Бефани Н.Ф., Коновалова Н.И. О расчётных формулах впитывания ливневых вод. Тр./ОГШ, 1958, вып.15.

23. Бефани Н.Ф. К вопросу о влиянии уклона на впитывание ливневых вод. Тр. научной конференции по проблемам прогнозов и расчётов дождевых паводков на реках Сибири и Дальнего Востока. Л.: Гидрометеоиздат, 1963.

24. Бефани Н.Ф., Калинин Г.П. Упражнения и методические разработки по гидрологическим прогнозам. Л.: Гидрометеоиздат, 1965.

25. Бефани Н.Ф. Расчётные формулы впитывания на полевых землях Приханской равнины. Тр./ДВНИГМИ, 1966, вып.22.

26. Бефани Н.Ф., Терентьев Е.Б., Федорей В.Г. Формула впитывания на тяжелых почвах долины Уссури. Тр./ДВНИГМИ, 1967, вып.24.

27. Ю. Бефани Н.Ф. Территориально общие зависимости для прогнозирования паводочного стока рек Восточных Карпат. У1 конференцияпридунайских стран по гидрологическим прогнозам. Урожай.: Киев, 1972.

28. Я. Бефани Н.Ф. Прогнозирование дождевых паводков на основе территориально-общих зависимостей. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

29. Бондаренко A.M. Формирование и расчёт дождевых максимумов на реках о.Сахалин. Канд.диссертация, 1981.

30. Будаговский А.И. Впитывание воды в почву. М.: Изд. АН СССР, 1955.

31. Бушман А.А. Сток дождевых вод в сухих оврагах. Сборник инж. путей сообщения, 1902, кн.10, 1903, кн.5.

32. Важнов А.Н. Анализ и прогнозы стока рек Кавказа. М.: Гид-рометеоиздат, 1966.

33. Великанов М.А. Гидромеханический анализ поверхностного стока. Геофизика, 1931, №1-2.

34. Виноградов Ю.Б. Вопросы гидрологии дождевых паводков на малых водосборах Средней Азии и Южного Казахстана. Тр./Каз-НИГМИ, 1967, вып.28.

35. Вислоцкий В. По поводу статьи инж. Бушмана. Сборник инж. путей сообщения, 1903, кн.7.

36. Вишневский П.Ф. Ливни и ливневой сток на Украине. Наукова думка: Киев, 1964.

37. Гвозденцкий Н.А. Кавказ. М.: 1963.

38. Гопченко Е.Д. 0 редукции максимальных модулей дождевого стока по площади. Метеорология и гидрология, 1975, № 2.

39. Гопченко Е.Д. Обоснование параметров редукционной формулы для расчёта максимального стока рек. Водные ресурсы. 1976, №4.

40. Гопченко Е.Д., Иваньо Я.М. Идентификация параметров склонового притока в рамках одного из вариантов редукционной формулы. Метеорология, климатология и гидрология, 1979, вып.15.

41. Гопченко Е.Д. Современное состояние и пути развития методов расчёта максимального стока. В кн.: Методы расчёта речного стока, 1980, чЛ.

42. Горшков И.Ф. Приближенная схема расчёта максимального дождевого стока на реках Дальнего Востока.-Тр./ЛИЛИ, 1962, вып.13.

43. Гупля А.В., Мезенцев B.C. Водно-балансовые исследования.-Вшца школа, Киев, 1982.

44. Долгов Н.Е. О нормах Кестлина и несоответствие этих норм результатам наблюдений над ливнями на Екатеринославской ж.д., 1908, вып.I.

45. Долгов Н.Е. Основные положения теории стока ливневых вод. -Гидрологический вестник, 1916.

46. Дубелир Г.Д. Формула для определения величины притока вод.-Сборник "Максимальный сток с малых бассейнов". М.: Трансжел-дориздат, 1940.

47. Зазина А.А. Климат СССР.Кавказ. JL.: 1961, вып.2.

48. Захашвили М.А. Основные пути траекторий южных циклонов, перемешающихся в сторону Закавказья. Тр./ГНИГМИ, 1957, вып.2.

49. Зброжек Ф.Г. Сток атмосферных осадков. Журн. минист. путей сообщения, 190I.

50. Зимонт И.Л. Полевые эксперименты по формированию ливневых паводков на малых бассейнах.- Амурский сборник П, Хабаровск, I960.

51. Кикнадзе Т.З. Геология, гидрогеология и активность известнякового карста. Мецниереба, Тбилиси, 1979.

52. Коль С.А. Полевые экспериментальные исследования потерь дождя на инфильтрацию методом исскуственного дождевания в Сальс-ких степях. Тр./ГГИ, 1950, вып.24.

53. Коль С.А. Исследования инфильтрационной инфильтрационной способности почв сельскохозяйственных полей и лесных полос в Каменной Степи. Тр./ГГИ, 1952, вып.34.

54. Литовченко А.Ф. и др. Полевые экспериментальные исследования потерь дождевых вод на инфильтрацию в горах Северного склона Заилинского Алатау. УГМС КазССР, Алма-Ата, 1964.

55. Лютик К.П. Расчёт дождевого паводочного стока рек Карпат.-Сборник работ по гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1965, №5.

56. Малютин А.Н. Экспериментальные исследования полей инфильтрации, влажности и электрического сопротивления почвы. Вестник МГУ, серия географическая. 1972, №3.

57. Мильков Ф.Н., Гвоздецкий Н.А. Физическая география СССР. Общий обзор Европейской части СССР. Кавказ. М.: 1969.

58. Напетваридзе Е.А. Циркуляционные факторы климата Грузии.-Тр./ТНИГМИ, 1957, вып.2.

59. Огиевский А.В. Гидрология суши. М.: Сельхозгиз, 195I.

60. Особенности стока в бассейне р.Шахе 1968г. Изд. ЦВНТИлес-хоз, 1970.

61. Пикуш Н.В. Сток с элементарных площадок. Известия Института гидрологии и гидротехники, 1953, т.Ю.

62. Попов Е.Г. О расчёте поверхностного задержания воды в речных бассейнах для целей прогнозов стока. Метеоролбгия и гидрология, 1950, №1.

63. Попов Е.Г. Осреднение характеристик поглощения воды в бассейне. Метеорология и гидрология, 1952, №4.

64. Попов Б.Г. Вопросы теории и практики прогноза речного стока.-М.: Гидрометеоиздат, 1963.

65. Проблемы расчёта и прогнозирования паводков. Тезисы докладов, Вторая Всесоюзная научная конференция 9-10 сентября. Одесса, 1980.

66. Протодьяконов М.М. Определение максимального стока поверхностных вод с малых водосборов. Л.: Гидрометеоиздат, I960.

67. Ресурсы поверхностных вод СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, т.9, вып.1.

68. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, т.2.

69. Сбирный М.Ф. Аналитические основы расчёта скоростей и максимальных расходов паводков. Сборник "Проблемы паводков". М.: Изд. АН СССР, 1959.

70. Светличный А.А. Формирование дождевого стока на горных водосборах Приморья. Канд. диссертация, 1978.

71. Соколовский Д.Л. Гидрологические расчёты при устройстве мостовых переходов. Л.: Гидрометеоиздат, 1945.

72. Соколовский Д.Л. Речной сток. Л.: Гидрометеоиздат, 1968.

73. Соловьева Н.Н. Формула расчёта максимального дождевого стока.-Тр./ЛГМИ, 1961, вып. II.

74. Сурмач Г.П. Изучение водопроницаемости и стока на щебнистых каштановых почвах по методу искусственного дождевания. Почвоведение, 1952, №10.

75. Указание по определению расчётных гидрологических характеристик. СН 435-72. Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

76. Федоров С.Ф. Опыт применения дождевальной установки для изучения инфильтрационной способности почв. Тр./ГГИ, 1950, вып.24.

77. Федоров С.Ф. Экспериментальное изучение инфильтрации на слабоподзолистых почвах. Тр./ГГИ, 1954, вып.46.

78. Харченко С.И. Исследование потерь на добегания талых вод. -Тр./ГГИ, 1956, вып.57.

79. Чан Дык Хай. Расчёт потерь дождевого стока на горных водосборах Приморья. Метеорология, климатология и гидрология, 1979, вып.15.

80. Чан Дык Хай. Модель дождевых паводков и её реализация на примере рек Приморья. Канд.диссертация, 1979,

81. Чеботарев А.И. Общая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, I960.

82. Шпак И.С. Результаты исследований инфильтрационной способности водосборов. Тр./Г1М, 1955, вып.51.

83. Экспериментальные исследования дождевого стока в буковых лесах бассейна р.Мзымта (1967 г.).- Тр./ВНИИЛХ, 1968.

84. Horton R.E. The sole of infiltration in the hydrologic cycle. Trans. Am. Geophys. Union, 1933, vol. 14.

85. Philip J.R. An infiltration equation with physical significance. Soil. Sci. 77, 1954.

86. Philip J.R. The theory of infiltration. Soil. Sci. 83, 84, 85, 1957, 1958.