Теоретические и методические основы оценки ресурсов поверхностных вод в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения европейской части России

Мишон, Виталий Михайлович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Теоретические и методические основы оценки ресурсов поверхностных вод в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения европейской части России
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Теоретические и методические основы оценки ресурсов поверхностных вод в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения европейской части России"

Г'

------

На правах рукописи

МИШОН Виталий Михайлович

ООЗ16723 1

Теоретические и методические основы оценки ресурсов поверхностных вод в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения европейской части России

25 00 27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора географических наук

Воронеж-2007

Работа выполнена на кафедре природопользования Воронежского государственного университета

Официальные оппоненты.

доктор географических наук Бабкин Владимир Иванович, Государственный гидрологический институт

доктор географических наук, профессор Коронкевич Николай Иванович, Институт географии РАН

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кумани Михаил Владимирович, Курский государственный университет

Ведущая организация — Институт водных проблем РАН

Защита состоится 13 ноября 2007 г в 13-30 часов, ауд 408, на заседании диссертационного совета ДМ 212 036 02 при Воронежском государственном педагогическом университете по адресу 394043, Воронеж, ул Ленина, 86

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного педагогического университета

Диссертация в виде научного доклада разослана & октября 2007 г

Отзывы о работе в двух экземплярах, заверенные подписями и печатями, просим направлять в адрес Воронежского государственного педагогического университета

Ученый секретарь диссертационного совета ! И Шмыков

ДМ 212.036 02

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Водные ресурсы в рассматриваемых зонах определяются в основном величиной весеннего поверхностного стока малых рек и временных водотоков, часто называемого местным стоком. Уровень хозяйственного освоения здесь водных ресурсов характеризуется в первую очередь, степенью использования вод местного стока и, во вторую очередь, статическими запасами воды в прудах и водохранилищах Поэтому детальное изучение закономерностей формирования и распределения снежных ресурсов и местного стока, разработка методов их расчета и оценки для зон недостаточного и неустойчивого увлажнения представляют большой научный и практический интерес Однако фундаментальные исследования снежных ресурсов и ресурсов меспюго весеннего стока для важнейшего в хозяйственном отношении крупного индустриально-аграрного региона России, каким является Черноземный центр, отсутствуют

Предлагаемая диссертация, в виде научного доклада, представляет собой попытку восполнить этот пробел. Работа состоит из трех частей В ее первой части дана оценка основного стокообразующего фактора - снежных ресурсов Вторая часть посвящена анализу формирования и методам расчета местного весеннего стока. Третья часть - статическим водным ресурсам - запасам воды в прудах и в водохранилищах и степени регулирования ими местного стока

Цель и задачи исследования. Основной целью диссертации является разработка теоретических и методических основ для количественной оценки распределения снежных ресурсов на основных элементах ландшафта, в поле, лесу, лесных полосах, в овражно-балочной сети, разработка системы поправок к зональной величине местного стока на азональные условия его формирования, разработка нового метода расчета подземного стока в период весеннего половодья, разработка метода совместного картирования динамических и статических водных ресурсов

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи

1) Разработан метод оценки снежных ресурсов в районах с развитой овражно-балочной сетью и островной лесной растительностью,

2) Дано теоретическое обоснование метода гидрологического районирования,

3) Теоретически обоснован и предложен метод расчета подземного питания рек в период весеннего половодья,

4) Предложен метод расчета коэффициента вариации весеннего поверхностного стока,

5) Выявлены физические основы и механизм снегоохранной роли лесомелиоративных мероприятий;

6) Разработана система поправок к зональным картам весеннего поверхностного стока на азональные условия его формирования,

7) Предложена методология совместного картирования динамических

и статических водных ресурсов,

8) Исследована гидрологическая роль рельефа и орографического строения рассмотренного региона,

9) Исследована гидрологическая роль овражно-балочной сети, предложен метод для определения ее площади и емкости,

10) Выявлены и описаны закономерности формирования снежных ресурсов в зависимости от погодных условий и получена количественная оценка их распределения в лесах, лесных полосах и в овражно-балочной сети

11) Разработан метод расчета стока малых рек и временных водотоков

Исходные материалы и методы исследований. В настоящих исследованиях использованы опубликованные материалы многолетних наблюдений опорной сети гидрометеорологических и водно-балансовых станций, наблюдения на парных водосборах проводимые по программе МГД, материалы специальных снегомерных съемок в оврагах и балках, лесах и лесных полосах, материалы аэрофотосъемок схода снежного покрова в бассейне одной из средних рек Среднерусской возвышенности, фондовые материалы различных проектных и научно-исследовательских институтов и организаций. Все использованные материалы вполне надежны и большая часть их опубликована В работах, опубликованных автором, на них имеются ссылки

Для оценки снежных ресурсов и ресурсов местного стока использованы методы балансовый, гидролого-климатический, интерполяционный, статистический

Научная новизна и практическое значение исследований Разработанные методы и результаты исследований являются новыми Получены новые знания о распределении снежных ресурсов по основным элементам географического ландшафта Эти результаты целесообразно использовать в курсах лекций по гидрологии суши и гидрофизике, а также в научной деятельности

Предлагаемый путь составления карт снегозапасов в районах со значительным расчленением рельефа и островной лесной растительностью может быть успешно использован в оперативной работе гидропрогнозистов

Предложенные методы, методики и модели могут быть использованы не только для более надежной оценки ресурсов поверхностных вод Центрального Черноземья, но и для сопредельных территорий

Предмет защиты. Предметом защиты и научной новизной являются разработанные автором- 1) метод расчета стока малых рек и временных водотоков, количественно учитывающий влияние азональных факторов на величину зонального стока, 2) метод расчета подземного стока в период весеннего половодья; 3) метод расчета коэффициента вариации весеннего стока для неизученных рек; 4) метод оценки снежных ресурсов для территорий со значительной густотой овражно-балочной сети и островной лесной растительностью, 5) механизм оценки снегоохранной роли леса и, особенно, лесных

полос 6) методология совместного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод

Основные защищаемые положения. На защиту вынесено восемь групп научных положений и результатов исследований

1 Снежные ресурсы как основной фактор формирования водных ресурсов

2 Метод оценки снежных ресурсов в условиях расчлененного рельефа и островной лесной растительности.

3 Методика гидрологического районирования

4 Подземный сток в период весеннего половодья и метод его расчета.

5 Зональный, азональный и аномальный весенний сток

6 Учет основных азональных и аномальных факторов при расчете местного стока

7 Метод расчета коэффициента вариации весеннего стока

8 Методология совместного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод.

Апробация работы.

Полученные результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на трех Всесоюзных и Всероссийском гидрологических съездах, на съездах Географического общества СССР (секция Гидрологии и Климатологии), на Всесоюзных и Всероссийских конференциях, на Межрегиональных и Региональных конференциях и совещаниях, на Областных научно-практических конференциях и семинарах

Всесоюзные и Всероссийский гидрологические съезды IV - г Ленинград, 1976 г, V - г Ленинград 1988 г, VI - г С -Петербург, 2004 г

Съезды Географического общества СССР IV - г Ленинград, 1975 г, VII - г. Фрунзе, 1980 г

Всесоюзные и Всероссийские конференции и совещания „Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (М 1987 г.), „Комплексное освоение водохранилищ" (М, 1965 г ); „Гидрологические исследования ландшафтов'" (г Новосибирск, 1986 г); „Территориальная организация общества и управления в регионах" (г Воронеж, 2002 г), „Современные проблемы исследований водохранилищ" (г Пермь, 2005 г ), „Современные проблемы водохранилищ и их водосборов" (г Пермь, 2007 г )

Межрегиональные и региональные научно-технические и научно- практические конференции «Антропогенные ландшафты ЦЧО» (г Воронеж, 1972 г ); „Антропогенные ландшафты Центральных Черноземных областей и прилегающих территорий" (г Воронеж, 1975 г), „Экологические основы природопользования в бассейне Дона" (г Ростов на Дону, 1980 г), „Территориальная организация общества и управление в регионах" (г Воронеж, 1990 г.); „Рациональное использование и охрана водных ресурсов Липецкой области" (г Липецк, 1993 г), „Экология бассейна Дона" (г Воронеж 2005 г)

Межвузовские конференции 17 научно-техническая конференция (г. Ровно 1968 г), „Территориальная организация народного хозяйства крупного

экономического района в условиях новых форм хозяйствования" (г Воронеж,

1990 г), „Столетие экспедиции В В Докучаева в Каменной степи" (г. Воронеж, 1992 г )

Областные научно-практические конференции и совещания „Картирование стока рек и временных водотоков" (г Воронеж, 1976 г ), „Борьба с эрозией почв в Воронежской области" (г Воронеж, 1965 г.), „Природные ресурсы Лискинского района Воронежской области и их рациональное использование" (г Лиски, 1977 г), „Воронежское водохранилище" (г Воронеж, 1985 г.), „Природные ресурсы Воронежской области, их воспроизводство, мониторинг и охрана" (г Воронеж, 1995 г)

Межфакулътетские семинары Воронежского Государственного Университета по проблеме „Концепция биогеосферных исследований состояния и динамики природной среды в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на территории ЦЧР" (г Воронеж, 2002,2003 г.г.)

Результаты исследований неоднократно обсуждались на годичных (1967-2007гг) конференциях Воронежского государственного университета и Воронежского государственного аграрного университета (1976 г, 1980 г,

1991 г идр)

Основные результаты научных исследований опубликованы в 12 монографиях (4 коллективных, 3 - в соавторстве), 5 учебных пособиях, рекомендованных Минвузом СССР и РФ для обучения студентов по специальности «Гидрология суши» и в 60-ти научных публикациях

Защищаемые положения

1. Снежные ресурсы как основной фактор формирования водных ресурсов.

В лесостепной и степной зонах снегозапасы представляют собой главный фактор формирования речного стока Сток снегового половодья временных водотоков, не имеющих подземного питания, является единственным источником заполнения прудов и малых водохранилищ водой.

Из всех характеристик снежного покрова важнейшим интегральным стокообразующим показателем является максимальные снегозапасы Определенные для конкретной территории (района, зоны или водосбора реки), они характеризуют снежные ресурсы этой территории

Поэтому в настоящем разделе основное внимание уделено выявлению закономерностей и особенностям формирования снегозапасов на основных элементах ландшафта, оценке их влияния на формирование стока талых вод и разработке более совершенных методов учета снежных ресурсов в бассейнах рек со значительным расчленением рельефа местности и островной лесной растительностью

1.1. Роль рельефа в формировании и распределении снежных ресурсов

Анализ многочисленных материалов наблюдений опорной сети гидрометеорологических станций европейской территории России показывает, что

на величину снегозапасов при прочих равных условиях существенное влияние оказывает высота местности, а также экспозиция склонов (Мишон, 1966).

Увеличение количества осадков с высотой местности обусловлено адиабатическим изменением состояния атмосферы Подъем воздуха на вет-роударных склонах возвышенностей сопровождается понижением его температуры, конденсацией водяных паров и выпадением обильных осадков, в том числе твердых. Зимой влияние высоты местности на количество осадков резче, чем летом, так как летом воздух менее насыщен водяным паром, облака образуются на большой высоте, где амплитуды колебаний линий токов в значительной степени затухают

В пределах Европейской равнины даже относительно небольшие возвышенности (100-140 м), как, например, Среднерусская, Приволжская и др., вызывают некоторое увеличение количества осадков по сравнению с их величиной на окружающей местности Считается, что на их западных и юго-западных склонах, обращенных к влагоносным ветрам, осадков выпадает больше, чем на восточных склонах, находящихся в "ветровой тени" Однако это положение справедливо лишь для летних и годовых осадков Многолетние материалы снегомерных съемок на Среднерусской возвышенности показывают, что на западных склонах при прочих равных условиях снегозапасы меньше, чем на восточных (Мишон, 1966,1988)

Одна из причин более высоких снегозапасов на восточных склонах Среднерусской возвышенности по сравнению с западными - характер ветровой деятельности в зимний период Другой причиной, обусловливающей более высокие снегозапасы на ее восточных склонах, является большая продолжительность залегания снежного покрова Средняя продолжительность залегания снега на восточных склонах этой возвышенности увеличивается от 117 суток в южной, степной части до 129 суток в северной, лесостепной, а на западных склонах - соответственно только от 108 до 121 суток

Распределение снежных запасов зависит также от орографических условий изучаемой территории, которые характеризуются сочетанием трех крупных орографических форм рельефа - Среднерусской возвышенности, Окско-Донской равнины и западных склонов Приволжской возвышенности

Перепад высот на рассматриваемой территории от 90-100 м БС в пределах Окско-Донской равнины до 310 м БС на Среднерусской возвышенности создает значительные азональные отклонения в распределении осадков Влияние рельефа на твердые осадки проявляется, в частности, ярко выраженной зависимостью максимальных снегозапасов от высоты местности и ее экспозиции Построенная по данным 48 метеорологических станций зависимость средних многолетних (1944-1994 гг) наибольших за зиму снегозапасов $тах ОТ высоты местности в пределах Среднерусской возвышенности выражается двумя прямыми, соответствующими различным ее склонам (рис 1). Одна линейная зависимость объединяет группу точек, характеризующих данные метеостанций центрального плоскоместного района и восточных склонов этой возвышенности (бассейны Сосны, Оскола, Девицы и др ), другая - ее западных склонов (бассейны Оки и Сейма)

120 80 40

°60 НЮ 140 I SI) 220 260 И u

Рис 1 Зависимость средних (1944-1994 it) максимальных за зиму сне-гозапасов от высоты местности на восточных (1) и западных (2) склонах Среднерусской возвышенности

Зависимости вполне удовлетворительно аппроксимируются линейным уравнением вида

Srnax = аН — b, (1)

где а - параметр, определяющий значение градиента изменения максимальных скегозапасов по высоте, а = 0,4 мм/и, Н - высота местности, м, b -эмпирический параметр Для восточных склонов Среднерусской возвышенности b - 24 мм, для западных b = О

Довольно четкая зависимость Smax=f(h) отмечается и для ограниченных по территории районов с однообразными физико-географическими и климатическими условиями. Характерными в этом отношении являются районы исследований Нижнедевицкой и Волховской воднобалансовых станций

В пределах равнин и низменностей со средней высотой менее 150 м, где относительные превышения невелики, вертикальной зональности в распределении снегозапасов нет Неравномерность залегания здесь вызвана другими азональными факторами Вопрос о влиянии рельефа на вариацию снегозапасов во времени для равнинных территорий с относительно невысокими возвышенностями не изучен. Материалы многолетних наблюдений на 20 водосборах Нижнедевицкой и Волховской станций показывают, что между коэффициентом вариации максимальных снегозапасов Cvs и высотой местности Н имеется тесная обратная линейная связь, которая четко выражена лишь для районов с высотой местности более 150 м БС

В соответствии с географическим положением, рельефом местности, экспозицией по отношению к метелевым ветрам и продолжительностью залегания снежного покрова, на территории Центрального Черноземья по условиям снегонакопления можно выделить четыре области (Мишон, 1971) Наиболее благоприятные условия для накопления снега имеются на западных склонах Приволжской возвышенности (водосборы рек Ворона, Хопер) Там наблюдается наибольшая (134-143 суток) продолжительность залегания снега она на 15-20 суток больше, чем на Среднерусской возвышенности, и на 10-11 суток больше, чем на Окско-Донской равнине В благоприятных условиях снегонакопления находятся повышенные части бассейна Дона, расположенные в пределах восточных склонов Среднерусской возвышенности (ре-

^ИЫХ мм

ки Сосна, Тим, Любовша и др ) Менее благоприятны условия снегонакопления на водосборах рек западных склонов Среднерусской возвышенности (реки Ока, Сейм, Свапа и др) Максимальные снегозапасы здесь при прочих равных условиях на 20-25 мм меньше, чем в бассейнах первой и второй групп Наконец, наименее благоприятные условия снегонакопления имеют водосборы рек, сток которых формируется только в пределах Окско-Донской равнины (реки Битюг, Икорец, Савала и др.). Максимальные снегозапасы на указанных водосборах на 30-40% меньше, чем на возвышенных частях бассейна Дона

1.2. Снегозапасы на склонах разных экспозиций

На характер распределения снежного покрова оказывают влияние не только рельеф местности и очевидные различия таких угодий, как, например, поле, лес, кустарник, лесные полосы, или изменения высоты растительного покрова (озимь, стерня, залежь и т д), но и экспозиция склонов

Основными физическими причинами, которые обусловливают разницу в снеЕозапасах на склонах различных экспозиций, являются ветровой перенос снега и зимние оттепели

Снегомерные съемки в районах Нижнедевицкой и Волховской водно-балансовых станций показывают, что на распределение снегозапасов полевых склонов различных экспозиций, помимо метеорологических условий зимы существенное влияние оказывают особенности геоморфологического строения и размеры морфологических элементов водосборов, их форма и ориентация по отношению к господствующим ветрам. На основании обобщения материалов многолетних наблюдений на 25 водосборах обеих станций нами получены средние значения коэффициента снегонакопления для различно экспонированных склонов

На водосборах Нижнедевицкой воднобалансовой станции средний многолетний коэффициент снегонакопления на южных склонах изменяется от 0,72 (лог Малютка) до 1,07 (руч Ясенок), на северных - от 1,27 (лог Барсук) до 1,66 (лог Малютка) Еще больше разнятся его значения для западных и восточных склонов Для юго-западных склонов логов Барсук и Татьянин средние значения коэффициента снегонакопления равны 0,98 и 1,82 Столь большое их различие вполне объяснимо, если учесть, что до 80% склонов лога Татьянин - аномально крутые с уклоном 120%о, а склоны лога Барсук-пологие (Мишон, 1971)

1.3. Снегозапасы в овражно-балочной сети

В условиях сильно расчлененной местности ежегодно в гидрографической сети скапливается большое количество снега. Особенно велика роль снега, накопленного в овражно-балочной сети в малоснежные зимы, когда за его счет практически полностью формируется весеннее половодье

С водораздельных пространств, наветренных склонов холмов и приовражных плато снег сдувается в понижения рельефа - овраги, балки, русловую сеть, а также в зоны его перехвата - опушки лесов, лесные полосы и т д Перенос рыхлого свежевьшавшего снега начинается при скорости ветра над снежной поверхностью 2,4м/с, в исключительных случаях - 1,3м/с. Слежав-

пшйся снег требует для своего отрыва значительно большей скорости ветра -до 5 м/с Основная масса снега (до 95%) переносится во время поземок на высоте 10-15 см от поверхности земли

При наличии в бассейнах рек значительных площадей, занятых оврагами и балками, неучет снега, снесенного в них ветром, приводит к большим погрешностям в расчетах и прогнозах весеннего стока Например, в условиях центральной лесостепи и севера степной зоны неучет снега, снесенного в овраги и балки, приводит к уменьшению фактических снегозапасов до 30% и более (Мишон, 1970,1971,1979)

Вследствие множества факторов, воздействующих на снегонакопление в пониженных формах рельефа, расположенные на ограниченной территории с однообразными физико-географическими и климатическими условиями овраги и балки могут накапливать разное количество снега Так, на величину сноса снега в пониженные формы рельефа, помимо ширины овражно-балочной сети и климатических условий, большое влияние оказывают густота гидрографической сети, определяющая размеры площади снегосбора оврагов и балок, крутизна прилегающих склонов и их форма, облесенность и ориентация оврагов и балок по отношению к направлению господствующих ветров зимой

Для оценки снегозапасов в овражно-балочной сети и пространственно-временной изменчивости коэффициента снегонакопления нами были использованы материалы многолетних (1952-1984 гг) сетевых снегосъемок в 90 оврагах и балках Центрального Черноземья. По морфометрическим и геоморфологическим характеристикам, а также ориентации по отношению к направлению господствующих ветров овраги и балки типичны для данного района Средняя ширина оврагов - не менее 30-40 м, балок и логов - от 40-50 до 220-230 м Наблюдениями были охвачены все основные орографические формы рельефа - Среднерусская и Калачская возвышенности, Окско-Донская

балочной сети (1) и лесах (2) Центрального Черноземья

Цифры в кружках - номера гидрологических районов I - Окский, II -Псело-Оскольский, III - Потуданьский, IV - Подгоренский; V - Соснинский, VI - Цнинский, VII - Воронинский, VIII - Воронежский, ГХ - Бииого-Еланский

По результатам указанных снегомерных съемок определены средние многолетние наибольшие за зиму снегозапасы в овражно-балочной сети S06, коэффициент вариации снегозапасов Cvs, коэффициент снегонакопления Коб и коэффициент вариации коэффициента снегонакопления CVk- Как правило, наибольшие снегозапасы в поле и в овражно-балочной сети скапливаются одновременно (Мишон, 1988)

Пространственно-временной анализ показал, что достаточно четкой зональной закономерности в распределении снегозапасов в овражно-балочной сети So6 и коэффициента снегонакопления Коб на территории Центрального Черноземья не наблюдается (рис 2) Для районов с одинаковым эрозионным расчленением (Окско-Донская равнина - бассейны Цны, Битюга и др) значения коэффициента снегонакопления в оврагах и балках колеблются от 1,13 до 3,32, для районов с разным расчленением (Среднерусская возвышенность - р Свала, Окско-Донская равнина - р Савала) коэффициент снегонакопления имеет примерно одинаковые значения- 1,90-1,93. Это объясняется влиянием на величину сноса снега многих факторов, в том числе и таких (размер сне-госборной площади, ширина оврагов и балок и т д ), в распределении которых по территории отсутствует зональная закономерность Вместе с тем, если рассматривать снегозапасы в овражно-балочной сети и значения коэффициента снегонакопления осредненными для достаточно больших площадей (например, для гидрологического района), в их распределении по территории можно отметить тенденцию увеличения с юго-запада на северо-восток. Так, снегозапасы в оврагах и балках увеличиваются от 83 мм на юго-западе Воронежской области до 181 мм на северо-востоке Тамбовской Осредненные значения коэффициента снегонакопления овражно-балочной сети по административным областям изменяются следующим образом Белгородская-1,64, Воронежская- 1,81, Курская - 1,82, Орловская - 1,89, Тамбовская - 2,02, Липецкая-2,14

В оврагах и балках Центрального Черноземья к началу весеннего половодья в среднем за многолетний период накапливается 27,2 % всех снегозапасов, или 4,49 км3 талой воды. Наибольшее накопление снега - 33,5 % (0,81 км3) наблюдается в Липецкой области, где оврагами и балками занято 20,4 % площади Далее по степени снегонакопления следуют Белгородская (32,3 %, или 0,67 км3) и Орловская (30,4%, или 0,76 км3) области, где площади овраж-но-балочной сети составляют 24 и 19,4 % Большое количество снега (24,5 %, или 0,62 км3) аккумулируется в пониженных формах рельефа Курской области (площадь оврагов и балок 16 %). В Тамбовской и Воронежской областях с овражностью 14,4 и 11,9 % в оврагах и балках накапливается 23,6 и 18,7 % снега, или 0,91 и 0,72 км3 талой воды

Между овражностью водосборов и величиной сноса снега в овраги и балки существует достаточно тесная линейная зависимость на 1 % овражно-

сти приходится в среднем около 1,1 мм снегозапасов, накопленных овражно-балочной сетью (Мишон, 1966) Коэффициент снегонакопления для того или иного оврага или балки зависит от снежности зимы, метеорологических условий зимнего периода (частота и продолжительность метелей и поземок), состояния поверхности снежного покрова (ледяная корка, наст и т д ), а также от частоты, интенсивности и продолжительности зимних оттепелей, во время которых снег на полях стаивает быстрее, чем в овражно-балочной сети. Поскольку перечисленные факторы изменяются от года к году, изменяются и значения снегозапасов в овражно-балочной сети Боб и коэффициента снегонакопления К^

1.4. Формирование снегозапасов в лесу и лесных полосах.

Снегозапасы в лесу.

В лесостепной и степной зонах залесенность водосборов малых рек и временных водотоков может быть высокой и значительно отличаться от средних зональных значений Поскольку снегомерные съемки на лесных участках охватывают незначительную часть малых водосборов, представляет интерес определение соотношения запасов воды в снежном покрове в лесу и на окружающей ровной местности и возможность использования данных снегомерных съемок на полевых участках для оценки снегозапасов в лесу

Процесс накопления снега в лесу является сложной функцией многих факторов и прежде всего его таксационных характеристик (породного состава лесонасаждений, полноты, ярусности, возраста, сомкнутости лесного полога), а также метеорологических условий периода снегонакопления

Основные факторы, которые обусловливают разницу в снегозапасах в поле и в лесу, следующие- большее количество выпадающих осадков над лесом, связанное с изменением шероховатости подстилающей поверхности при натекании воздушных масс на лесной массив, различная интенсивность снеготаяния в поле и в лесу во время зимних оттепелей, ветровой перенос снега с поля в лес, разница в испарении с поверхности снега в поле и в лесу, благоприятные условия для конденсации водяных паров в лесу Перечисленные факторы способствуют увеличению снегозапасов в лесу

Среди факторов, оказывающих отрицательное влияние на снегонакопление в лесу, назовем лишь один - задерживание снега кронами деревьев с последующим его испарением

Небольшие перелески и кустарники, продуваемые ветром на всю глубину, аккумулируют перенесенный с полей снег не только на опушках, но и на большей части занимаемой ими площади Их продуваемости способствует и то, что леса в основном лиственные, с оголенной зимой кроной Снегозано-симость таких лесов высокая. Лишь в бассейнах Воронежа, Цны, Хопра, Се-верского Донца имеются относительно крупные лесные массивы, в глубине которых накопление снега происходит только за счет непосредственного выпадения твердых осадков

По данным многолетних наблюдений Нижнедевицкой (1949— 1982 гг) воднобалансовой станции средние многолетние снегозапасы к началу весен-

него половодья на полевых водосборах изменяются от 57 мм (лог Малютка) до 96 мм (руч. Ясенок), в то время как на всех частично залесенных водосборах- от 106 мм (лог Круглый) до 125 мм (лог Ивкин). Ближе всего к средним были снегозапасы 1953 г, когда на всех полевых водосборах они оказались меньшими, чем на любом из частично залесенных водосборов В исключительно малоснежные зимы, как, например, в 1969 г, когда запасы воды в снеге составляли лишь 25% нормы, а на отдельных водосборах - еще меньше (лог Малютка - 20%), на полевых водосборах они изменялись от 16 мм (лог Малютка) до 26 мм (лог Барский), а на частично залесенных - от 29 мм (лог Ивкин) до 48 мм (лог Круглый) Самые высокие снегозапасы (лог Ивкин -300% нормы) зарегистрированы в 1968 г на полевых водосборах они изменялись от 171 мм (лог Малютка) до 222 мм (лог Барсук), на частично залесенных - от 204 мм (лог Круглый) до 241 мм (лога Ивкин и Медвежий)

Из приведенных данных следует, что независимо от циклонического или антициклонического типа атмосферной циркуляции снегозапасы на полевых водосборах всегда меньше, чем на частично залесенных Исключение составляет лишь лог Круглый, где в силу местных особенностей снегозапасы в отдельные годы, в том числе и многоснежном 1968 г, были несколько меньше, чем на полевом логе Барсук

В целом снегозапасы на безлесных водосборах в мало-, средне- и многоснежные зимы соответственно равны 20, 80 и 197 мм, на частично залесенных- 34, 112 и 228 мм Разница в снегозапасах частично залесенных и полевых водосборов по мере увеличения снежности зимы возрастает (от 14 мм в малоснежную зиму до 31 мм - в многоснежную) Однако приведенные абсолютные величины снегозапасов еще не говорят о том, что снегонакопительная роль леса в многоснежную зиму проявляется в большей степени, чем в малоснежную

Дня выяснения этого вопроса рассмотрим коэффициент снегонакопления Кл, представляющий собой отношение снегозапасов в лесу к снегозапа-сам на полевых участках В среднем для группы залесенных водосборов Нижнедевицкой станции коэффициент Кл для малоснежной зимы равен 1,70, средней по снежности - 1,40, многоснежной - 1,15 Иными словами, в малоснежную зиму снегозапасы на залесенных водосборах в среднем на 70% больше, чем на полевых, в среднюю по снежности зиму- на 40%, в многоснежную - только на 15%. При средней залесенности логов 45% запас воды в снежном покрове на 1% лесистости в малоснежную зиму увеличивается на 1,6%, в среднюю по снежности - на 0,9%, многоснежную - на 0,3%

Таким образом, снегонакопительная роль леса в наибольшей степени проявляется в малоснежные зимы, в наименьшей степени - в многоснежные.

Данные снегомерных съемок на водосборах воднобалансовых станций и парных водосборах, охватывающие лишь небольшую часть рассматриваемой территории, недостаточны для всесторонней характеристики пространственно-временного распределения снегозапасов в лесу В связи с этим большой интерес представляют материалы массовых многолетних (19521984 гг) снегомерных съемок в лесу, проведенных по единой стандартной

методике на опорной сети гидрометеорологических станций Для оценки снегозапасов в лесу проанализированы результаты снегосъемок всех 50 гидрометеорологических станций, расположенных в различных физико-географических условиях рассматриваемой территории, которые достаточно полно охватывают характерные лесные участки (Мишон, 1981)

По данным указанных снегосъемок для лесов с различными таксационными характеристиками был определен коэффициент снегонакопления К„ Наибольшие по сравнению с полем снегозапасы наблюдаются в лиственных взрослых лесах средней густоты Коэффициент снегонакопления для таких лесов изменяется в пределах 1,30-1,70 при среднем значении 1,50 Для отдельных густых лиственных лесов он достигает 1,90 Задерживающее влияние густого хвойного взрослого леса близко к задерживающему влиянию лиственного молодого леса средней густоты Кл изменяется от 1,20 до 1,60 при среднем значении соответственно 1,43 и 1,40 Далее по степени снегонакопления идут яблоневые взрослые сады средней густоты, сосновый молодой лес и редкой густоты сад значения Кл для них соответственно равны 1 37, 1,30 и 1,30. Наименьшим значением коэффициента снегонакопления, равным 1,20, характеризуются смешанные леса редкой и средней густоты

Анализ фактических данных показывает, что строгой зональной закономерности в распределении снегозапасов в лесу S„ и в изменении коэффициента снегонакопления Кл в целом на рассматриваемой территории не наблюдается (см рис 3) Это вполне естественно, поскольку и снегозапасы, и коэффициент снегонакопления в определенной степени зависят от таксационных характеристик леса, в распределении которых по территории также отсутствует какая-либо закономерность Если рассматривать снегозапасы в лесу и значения коэффициента снегонакопления осредненными для достаточно больших площадей, можно отметить их увеличение с юго-запада на северо-восток Так, снегозапасы в лесу возрастают от 81 мм на юго-западе Белгородской области до 127 мм на северо-востоке Тамбовской области.

Из анализа данных снегосъемок следует, что амплитуда колебания коэффициента снегонакопления Кл по территории невелика и за редким исключением не превышает 1,10-2,40 Почти в 75% случаев значения этого коэффициента не выходят за пределы 1,30-2,00, что позволяет использовать при расчете аккумуляции снега в лесу его среднее значение, равное 1,60 Снегозапасы в лесных полосах На формирование снежного покрова лесные полосы оказывают более существенное влияние, чем аналогичный по площади и породному составу лесной массив, так как они воздействуют не только на площадь, занимаемую самой полосой, но и на рядом расположенные полевые участки Являясь наиболее долгодействуюшим и мощным снегозадерживающим средством, полезащитные насаждения существенно изменяют состояние натекающего на них воздушного потока, создают особые условия для отложения и таяния снега на полях, что в конечном счете, положительно сказывается на плодородии сельскохозяйственных угодий

Накопление снега в лесных полосах и на примыкающих к ним полях

зависит от конструкции насаждений, их высоты, ширины, длины, направления по отношению к господствующим ветрам, характера и размера снегос-борной площади, расстояния между полосами, а также от метеорологических условий зимы скорости ветра, количества и распределения во времени осадков и других факторов.

Лесные полосы в Каменной степи представлены системами двух посадок - старых (взрослых) и молодых Система старых посадок расположена в юго-западной части Каменной степи на водосборах Селекцентровской, Хо-рольской и Безымянной балок Она состоит из ветроломных, водорегулирующих и прибалочных лесных полос, посаженных в 1893-1903 гг экспедицией профессора В В Докучаева Основные полосы системы ориентированы в меридиональном направлении, вспомогательные - в широтном Средняя лесистость этой части составляет около 20% К системе молодых насаждений условно можно отнести посадки, созданные главным образом в 1950-1965 гг. Ориентация лесополос здесь такая же, как и в старой системе Облесенность этой части 4%. Система располагается на водосборах балок Высокая, Травопольная и Степная Два первых из них находятся на севере, третий - на юго-западной окраине Каменно-степного оазиса

Итак, по месту положения (центральное или окраинное), возрасту посадок (старые или молодые) и защищенности (интегрального показателя П3, зависящего от длины, высоты, площади и конструкции лесополос) водосборы Каменной Степи могут быть разделены на две группы по три водосбора в каждой. Первая группа водосборов (центральных со старыми лесными полосами) имеет среднюю защищенность 135% Лесные полосы находятся в полном ветроумеряющем взаимодействии К этой группе можно отнести также водосбор Хорольской балки (П3 = 71%), так как он расположен в центре системы и с наветренной стороны его окаймляет относительно молодая лесная полоса, благодаря чему защищенность быстро прогрессирует За последние 1 20 лет она увеличилась примерно на 25% Средняя защищенность водосборов второй группы 46% Лесные полосы здесь не находятся в полном ветроумеряющем взаимодействии, и, следовательно, водосборы относятся к системе со слабым взаимодействием лесных полос

С увеличением показателя защищенности снегозапасы на водосборе увеличиваются Происходит это вследствие уменьшения скорости ветра и снижения турбулентного обмена воздуха в приземном слое, что в итоге приводит к сокращению испарения со снежного покрова

Четко выраженной связи между шириной лесополос и величиной аккумулированных в них срегозапасов не обнаруживается, так как снегонакопление зависит не столько от ширины и структуры полос, сколько от структуры всей системы и положения отдельных полос в ней Однако в целом все же прослеживается тенденция уменьшения снегонакопления с ростом ширины лесных полос

Так, на водосборе Степной балки с полосами шириной 20 м снегозапасы равны 300 мм, на водосборе Травопольной балки при ширине полос 26 м они составляют 220 мм. В среднем в лесных полосах шириной 20-30 м, со-

ставляющих слабо взаимодействующую систему, они равны 277 мм, в полосах шириной 37-47 м, входящих в полностью взаимодействующую систему, 114 мм При этом на водосборах с большей защищенностью и даже с большей средней шириной лесных полос снегозапасы меньше

1.5. Снегоохранная роль леса и лесных полос

Вопрос о сохранении снежных ресурсов лесом и лесными полосами практически не изучен Между тем их роль в этом процессе довольно значительна Как уже указывалось, количество снега, накапливающегося в лесу к началу весеннего снеготаяния в 1,5-2 раза превышает снегозапасы в поле Однако рассмотренными выше факторами, обусловливающими различие в снегозапасах сопоставляемых ландшафтных форм, объяснить такую большую разницу в снегозапасах нельзя Более благоприятные условия конденсации водяных паров в лесу по сравнению с полем дают небольшую добавку к снегозапасам Невелик и ветровой снос снега в леса С другой стороны, уменьшение запасов снега в поле после метелей и поземок в ряде случаев значительно превышает его количество, аккумулируемое в результате общего ветрового сноса лесными опушками и пониженными формами рельефа

Балансовые расчеты показывают, что кроме описанных ранее факторов существует еще какой-то, благодаря которому (только ему одному) снегозапасы в лесу, по крайней мере, на 20-30 % больше, чем в поле Сказанное наводит на мысль о присущей лесу и лесным полосам еще одной функции -снегоохранной, заключающейся в существенном ветроумерении и, как следствие этого, сокращении по сравнению с полем потерь снега на испарение при метелях и поземках

Хорошо известно, что испарение с плоской поверхности снежного покрова невелико и за весь зимний сезон в лесостепной и степной зонах не превышает 20-25 мм О малой величине испарения снега при отсутствии метелей и поземок свидетельствуют наблюдения Каменностепной гидрометеорологической обсерватории Например, ни в один из дней января 1980 г Испарение снега за дневные часы не превышала 0,2 мм (ночью наблюдалась конденсация водяных паров), в феврале - 0,12 мм, и только в начале марта она достигла 0,28 мм По иному протекает процесс испарения, когда снег раздроблен, диспергирован в атмосфере или разделен на отдельные снежинки, окруженные воздушной средой В этом случае испарение идет интенсивно, так как мелкие ледяные кристаллы испаряются очень быстро

Ускоренное испарение поднятого и перемещаемого метелью и поземками снега происходит по двум причинам Во-первых, поверхность летящей частицы открыта со всех сторон, тогда как поверхность снежинки, лежащей на снежном покрове, только с одной Во-вторых, летящие снежинки перемещаются относительно воздушной среды за счет пульсации скорости ветра и относительного движения частиц в воздушном потоке Обдувание снежинки ветром ускоряет их испарение Метельный поток создает благоприятные условия для диспергирования твердой фазы Турбулентный массообмен приводит к непрерывному удалению с поверхности летящей снежинки насыщен-

ных паров с заменой их более сухим воздухом. При метелях съем пара с поверхности снега с учетом летящих снежинок оказывается на 1 - 2 порядка больше, чем при безветрии

При метелевом переносе снега значительная его часть испаряется Поскольку скорость ветра, частота и сила метелей в лесу и на полях, обрамленных лесными полосами, меньше, чем в открытом поле, потери снега на испарение в лесу также меньше, чем в поле

Сокращение метелевого испарения лесом и лесными полосами происходит не только в результате их ветроумерения и снижения ими турбулентности воздушного потока, но и за счет уменьшения испарения при ограничении дальности перемещения снежинок В Докучаевском оазисе Каменной Степи дальность переноса снежинок не превышает 630 м (размеры межполюсных клеток 450 х 630 м), что почти в три раза меньше предельной дальности переноса снега, при достижении которой снежинка полностью испаряется Близкие результаты имеем и для других систем лесополос

2. Метод оценки снежных ресурсов в районах с расчлененным рельефом и островной лесной растительностью.

2.1. Методика составления карт снегозапасов

Известно, что в районах с значительным эрозионным расчленением рельефа и островной лесной растительностью, в частности в лесостепной и степной зонах, ни один из существующих способов снегомерных работ на сети гидрометеорологических станций, взятый в отдельности, не обеспечивает достаточной точности определения снегозапасов, особенно на водосборах малых рек и временных водотоков [Комаров, 1955, Паршин, 1953]

С развитием и совершенствованием снегомерных работ совершенствовалась и методика построения карт снегозапасов Не вдаваясь в подробный анализ путей повышения точности снегомерных работ, отметим, что в настоящее время мы располагаем массовыми многолетними (с 1943 по 1965г) материалами снегомерных съемок на полевых участках по треугольнику и многолетними (с 1963 по 1984 г) материалами ландшафтно-маршрутных снегосъемок К тому же на опорной сети гидрометеорологических станций накоплен обширный материал снегомерных съемок в овражно-балочной сети и под пологом леса, позволяющий в сочетании с указанными снегосъемками в поле разработать более усовершенствованную методику составления карт снегозапасов

Применяемые на практике карты снегозапасов в зависимости от принципов, лежащих в основе их построения, и характера использованных материалов наблюдений за снежным покровом можно разделить на четыре типа.

1 Карты, в основе построения которых лежат данные наблюдений по постоянным рейкам, 2 Карты, построенные на основе материалов снегомерных съемок по треугольнику, 3 Карты, основанные на данных снегомерных съемок на полевых участках и учете продолжительности метелей и 4 Карты, основанные на результатах снегомерных съемок на полевых участках, в ов-

рагах, балках, под пологом леса и учете площади овражно-балочной сети и леса К ним относится «Карта максимальных запасов воды в снежном покрове центральных черноземных областей» В. М Мишона (1966)

Общий запас воды в снеге на водосборе или в районе гидрометеорологической станции Б

5 = ад +52/2 + . +5„/„ = £ 5',/, (2)

где п - число характерных участков, 8, - запас воды в снежном покрове на различных элементах ландшафта и угодий (в поле, лесу, лесных полосах, оврагах, балках и т д), £ - вес каждого угодья по отношению к общей площади водосбора или района станции, выраженный в долях единицы Имея в виду, что £ = 1 - ■ преобразуем уравнение, в результате чего по-

лучим

8 = 8, [1-НЬ+ - 1)], (3)

Обозначим отношение снегозапасов в оврагах и балках к снегозацасам в поле Бг/Э] через Коб, отношение снегозапасов в лесу к снегозанасам в поле 83/8) - через Кл , отношение снегозапасов в лесных полосах к снегозапасам в поле 84/81 - через Клп и т. д Тогда уравнение (3) примет следующий вид.

8 = 81[1+6СКвв-1) + 6(К.-1) + й(К-,-1)+ +е.(К„-1)], (4)

где Кщб - коэффициент накопления снега овражно-балочной сетью, Кл -лесом, Клп - лесными полосами и т д , £2, fз, £4, - площади в долях единицы, занятые соответственно полем, овражно-балочной сетью, лесом, лесными полосами и т д

Удельный вес снегозапасов, аккумулированных вдоль транспортных магистралей и других видов препятствий, невелик и, по оценке И С Гришина [1966], в бассейне Дона составляет всего лишь несколько процентов Поэтому возможность получения на основе уравнения (4) репрезентативных величин зависит прежде всего от следующих обстоятельств 1) точности определения снегозапасов на четырех наиболее характерных элементах ландшафта и угодий в поле Б,, овражно-балочной сети под пологом леса 83 и в лесных полосах 84, 2) наличия надежных сведений о площадях, занятых полевыми участками ^ овражно-балочной сетью Г2, лесом fз и лесными полосами £( С учетом сказанного выражение (4) можно представить как

8=8, [1 + (К* - 1) {2+ (Кл -1) (Клп - 1) и], (5)

Для решения уравнения (5) используем средние районные коэффициенты снегонакопления овражно-балочной сетью Коб и лесом Кл, карту площади овражно-балочной сети и карту лесистости (Мишон, 1966, Мишон, Михайлов, 1978) Найденные таким путем величины, несомненно, дают более реальное представление о снегозапасах на водосборе или в районе метеорологической станции, чем полученные по описанным выше первым трем типам карт

Как уже было сказано, на величину снегозапасов при прочих равных условиях существенное влияние оказывает высота местности Поэтому при построении карт максимальных запасов воды в снежном покрове необходимо

учитывать увеличение снегозапасов с высотой местности, для чего следует использовать зависимости 8мак = ДЦ) и проводить изолинии снегозапасов на соответствующей гипсографической основе.

Все изложенное позволило составить карту средних максимальных за зиму запасов воды в снежном покрове Центрального Черноземья (рис. 3), которая существенно отличается от имеющихся подобных карт и представляется более обоснованной не только по принципу построения, но и по объему использованных фактических данных.

Для составления карты были привлечены данные снегомерных съемок в районе 95 гидрометеорологических станций, а также в 90 пунктах в овраж-но-балочной сети и в 50 пунктах под пологом леса. Кроме того, для увязки изолиний снегозапасов с данными соседних районов использованы снего-съемки в районе 20 гидрометеорологических станций и постов, расположенных за пределами рассматриваемой территории.

3. Теоретические основы гидрологического районирования

В основе гидрологического районирования лежит закон географической зональности, сущность которого заключается в допущении плавного широтного изменения климатических и ландшафтных факторов [Соколов, 1961; Соколов, Чеботарев, 1970]. Однако при гидрологическом районировании относительно небольших природных регионов учета только климатических и зональных факторов недостаточно. Например, вся территория Центрального Черноземья, согласно районированию П. С. Кузина [1960], располагается в одной степной гидрологической зоне и в двух районах - Днепров-ско-Донском и Средне-Волжском/

Рис. 3. Схематическая карта средних максимальных за зиму запасов воды (мм) в снежном покрове Центрального Черноземья

Гидрологическое районирование этой же территории, проведенное нами (Мишон, 1969), основано на взаимосвязи поверхностного, подземного и годового стока рек

Годовой сток рек является результатом суммирования двух генетически разнородных видов стока - подземного и поверхностного В свою очередь, поверхностный сток формируется за счет стока талых снеговых вод и стока летне-осенних дождевых и зимних паводков В условиях Центрального Черноземья дождевой сток в летний период наблюдается редко и, как правило, мал Поверхностный сток осенних и особенно зимних паводков в отдельные годы (1938, 1953, 1955 и т д) может достигать более существенных значений, однако в большинстве случаев он также невелик В целом сток дождевых летне-осенних и зимних паводков в пределах рассматриваемой территории не превышает 5-3 % от общего поверхностного стока Следовательно, основная составляющая поверхностного стока в условиях Центрального Черноземья - весенний поверхностный сток Все отмеченное выше и сравнительно постоянное подземное питание, которое получает река из соответствующего водоносного горизонта, является генетической предпосылкой для существования в каждом конкретном речном бассейне достаточно четко выраженной зависимости годового стока реки от весеннего поверхностного

Анализ графиков связи годового и весеннего поверхностного стока рек показывает, что для юго-восточных (степных) районов, где подземный сток сравнительно мал, а доля весеннего поверхностного стока в годовом велика (реки Осередь, Подгорная, Кумылга и др), она большая (коэффициент корреляции г = 0,90-0,95) Дня северной и северо-западной лесостепной частей рассматриваемой территории, где подземный сток больше, а доля весеннего стока в годовом несколько меньше (реки Свапа, Цна, Кариан и др.), связь сопоставляемых характеристик менее тесная (г = 0,85 - 0,90) Для районов распространения карстовых явлений (реки Оскол, Зуша и др) теснота связи указанных видов стока еще меньше (г =0,75 - 0,80).

Аналитическая связь ежегодных значений годового и весеннего поверхностного стока в общем виде может быть выражена уравнением

Н = АЬ+В, (6)

где Н - годовой сток, мм, Ь - весенний поверхностный сток, мм, А и В -параметры

Физико-географический параметр А зависит в основном от соотношения для данного района значений поверхностного дождевого стока и стока зимних паводков, с одной стороны, и потерь стока на испарение - с другой В частном случае, когда обе величины одинаковы, А=1 Когда сток дождевых и зимних паводков выше потерь на испарение, что наблюдается па севере и северо-западе лесостепной зоны, А>1, в противоположном случае А<1 По исследуемой территории этот параметр изменяется в незначительных пределах - от 1 (реки Подгорная, Осередь и др) до 1,2 (реки Нугрь, Свапа, Сосна и

др)-

Параметр В (мм) в уравнении (6), прежде всего, определяется подзем-

ным питанием реки в рассматриваемом замыкающем створе Поэтому он зависит от гидрогеологических особенностей бассейна - водообильности основных водоносных горизонтов, питающих реку, а также от глубины вреза русла и, следовательно, числа водоносных горизонтов, дренируемых рекой

Для районов, где реки получают подземное питание из наиболее водо-обильных и мощных горизонтов, параметр В имеет наибольшее значение (6570 мм) Для районов, где мощность и водообильность основных водоносных горизонтов незначительна, параметр В, характеризующий подземный сток, не превышает 15-20 мм Вследствие различия климатических и почвенно-геологических условий в разных частях района с одними и темп же основными водоносными горизонтами подземное питание рек и, следовательно, параметр В могут быть также различными. Например, для северо-западной части рассматриваемой территории - районе распространения четвертичных и сеноман-альбских водоносных горизонтов, простирающихся узкой полосой с северо-запада на юго-восток Центрального Черноземья, В = 50 мм (р Сва-па), для крайнего юго-востока В=14 мм (р. Подгорная)

Совместный анализ значений параметра В, гидрогеологических условии, рельефа, почв и других показателей физико-географического ландшафта позволил обосновать в Центральном Черноземье 9 гидрологических районов с примерно одинаковым внутрирайонным значением подземного стока Окский, Псело-Оскольский, Потуданьский, Подгоренский и Соснинский гидрологические районы расположены на Среднерусской и Калачской возвышенностях, Цнинский, Воронежский и Бигпого-Еланский - на территории Окско-Донской равнины, Воронинский занимает часть западных склонов Приволжской возвышенности (рис 2) (Мишон, 1969) Их основные характеристики даны в табл 1

Таблица 1 - Основные морфометрические, климатические и гидрологические

характеристики гидрологических районов Центрального Черноземья (Мишон, 1968, 1969, 1979 и др )_

Характеристика Гидрологические районы

I II III IV V VI VII VIII IX

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Морфометрические характеристики

Площадь, тыс. км2 22,0 31,0 17,0 14,6 41,4 17,0 15,0 13,0 21,5

Средняя высота, м БС 207 198 170 175 190 163 182 155 162

Средний уклон, %о 37,5 53,0 48,0 37,0 62,0 16,0 17,5 11,6 14,0

Густота речной сети, км/км2 0,39 0,21 0,16 0,10 0,28 0,23 0,29 0,26 0,28

Лесистость, % 9,0 7,7 11,2 13,1 10,2 11,5 6,8 8,9 12,5

Площадь оврагов и балок, % 18,7 17,9 20,5 14,8 20,7 13,3 7,9 13,9 14,3

Густота балочной сети, км /км2 0,90 0,93 0,85 0,45 1,05 0,61 0,53 0,42 0,35

Характеристика Гидрологические районы

I II III IV V VI VII VIII IX

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Средние многолетние климатические характеристики

Снегозапасы, км"1 2,02 2,55 1,20 0,91 4,05 1,84 1,59 1,16 1,91

В том числе-

в поле 1,22 1,61 0,65 0,55 2,16 1Д9 1,18 0,73 1,15

в лесу 0,23 0,30 0,21 0,14 0,54 0,34 0,15 0,13 0,31

в оврагах и балках 0,58 0,64 0,34 0,22 1,35 0,32 0,28 0,30 0,45

Среднерайонные коэффициенты снегонакопления в овражно-балочной сети

(Ко6) и лесах (Кл)

Ков 1,80 1,62 1,68 1,86 2,05 1,43 2,47 2,13 1,93

Кл 1,45 1,71 1,81 1,30 11,67 1,80 1,49 1,45 1,81

Коэффициент вариации снегозапасов

в поле 0,53 0,56 0,56 0,55 0,47 0,41 0,43 0,52 0,53

в лесу 0,53 0,67 0,58 0,61 0,41 0,44 0,50 0,42 0,42

в оврагах и балках 0,58 0,74 0,65 0,73 0,50 0,38 0,46 0,67 0,57

Средние многолетние гидрологические характеристики

Сток, км3

годовой 2,95 3,72 1,23 0,78 5,46 1,81 1,70 1,22 1,52

весенний 1,85 2,11 0,84 0,69 3,27 1,31 1,17 0,78 0,34

летнее-осенний 0,65 0,72 0,20 0,07 1,28 0,26 0,22 0,20 1,П

зимний 0,38 0,47 0,14 0,1 0,70 0,14 0,11 0,11 0,14

Средние значения критериев районирования

Ад, 1,10 1,05 1,05 1,05 1,10 1,00 1,05 1,00 1,05

Во 53 44 25 12 65 33 36 31 20

Средние многолетние значения параметров Кр,Кв,кК (тыс м3/км2)и ^ (км2)

84 68 49 47 79 77 78 60 62

К 68 55 43 42 62 66 66 53 52

А К 16 13 6 5 17 11 12 7 10

пр 5 20 300 500 10 40 15 100 400

Средние многолетние ресурсы поверхностного и подземного стока в фазу ве-

сеннего половодья, мм

Поверхностный 68 55 43 42 62 66 66 53 52

Подземный 16 13 6 5 17 11 12 7 10

4. Метод расчета подземного стока в период весеннего половодья

Известно, что ни весенний поверхностный, ни тем более весенний подземный сток рек прямому измерению инструментальным путем не поддаются Для их определения приходится прибегать к косвенному приему - расчленению гидрографа по типам питания В настоящее время это единственный путь, позволяющий количественно оценить поверхностную и подземную составляющую суммарного весеннего стока Сам факт разнообразия, причем

диаметрально противоположных методов расчленения гидрографа свидетельствует о недостаточной изученности формирования подземного стока во время осеннего половодья

Современное развитие теоретических основ гидрологии позволяет наряду с совершенствованием традиционного метода расчленения гидрографов разрабатывать принципиально новые методы расчета подземной составляющей весеннего стока

Начальным этапом предлагаемого метода расчета является гидрологическое районирование территории (Мишон, 1988)

В пределах каждого района существует довольно тесная прямолинейная связь между объемом весеннего стока рек ^Ур и площадью водосбора Р В общем виде эта связь выражается уравнением = Кр * Р, где Кр- физико-географический параметр, являющийся суммарным стокобразующим показателем сложного взаимодействия всего комплекса природных условий гидрологического района, формирующих весенний сток рек

Прямолинейная зависимость объема весеннего стока от площади водосбора установлена также и для временных водотоков, русла которых не дренируют водоносные горизонты Для таких водотоков имеем Wв = Кв* Р, где Кв - физико-географический параметр, являющийся суммарным стокобразующим показателем временных водотоков В отличие от параметра Кр им не учитывается дренирование подземных вод

Каждому гидрологическому району присуща определенная соответствующая его климатическим, почвенным и гидрологическим условиям предельная площадь водосбора с отсутствием подземного питания Рщ, меньше которой существуют лишь временные водотоки, а больше - реки, получающие помимо поверхностного еще и подземное питание В соответствие с этой площадью для каждого гидрологического района существует определенный предельный объем весеннего стока '№пр Все водотоки (исключая с аномальными условиями формирования стока), для которых объем весеннего стока W<Wпp, являются временно действующими, а при - постоян-

ными реками

Принципиальная схема определения подземного питания в период весеннего половодья с учетом высказанных теоретических положений представлена на рис 4

Рис 4 Принципиальная схема для определения подземного питания рек в период весеннего половодья

Временные осЗшоми

Здесь линия АО отражает увеличение весеннего стока временных водотоков с ростом площади водосбора Линия АС показывает, каким должен быть сток рек, если бы их русла не дренировали подземеные воды Наконец линия АВ характеризует зависимость весеннего суммарного стока рек от площади водосбора Следует отметить, что для рек зависимость - ДР) начинается не с нуля в системе координат (Б, \У), а из точки А в системе координат (Рг, \У') Начало координат этой системы сдвинуто относительно системы (Р, МО на Рпр и \УПр

Согласно рис 4 получаем формулу для расчета подземеного стока рек ^п в фазу весеннего половодья

Wп = <Kp-Kв)(F-Fпp) (7)

Для конкретного гидрологического района параметры Кр и Кв - величины постоянные, поэтому разность АК = Кр - Кв является также постоянной Тогда формулу (7) запишем в виде

Ч¥п=ДК(Р-Р„р) (8)

В этих формулах параметры Кр, Кв и ДК в м3/км2, площадь Б и Рпр в км2, следовательно, , в м3

Стокообразующий параметр Кр зависит от снегозапасов, накопленных на водосборе к началу половодья Б, осадков, выпадающих в период половодья X, потерь талой воды на испарение инфильтрацию и поверхностную аккумуляцию Р и от объема подземного питания уп,т е Кр = 8 + х-Р + уп

В зоне избыточного увлажнения, где предельные площади с отсутствием подземного питания малы, параметр Кр имеет наибольшее значение (для временных водотоков ВНИГЛ в средние по водности половодья Кр = 130 ООО м3/км2), и, напротив, в зоне недостаточного увлажнения, где площади Рщ, велики, параметр К„ небольшой, например, в регионе Западно-Казахстанской воднобалансовой станции Кр = 10600 м3/км2) В Центральном Черноземье Кр изменяется в пределах 47000-84000 м3/км2

Числовые значения Кр устанавливаются по районному графиту зависимости = й;р) по тангенсу угла наклона прямой к оси абсцисс

В отличие от Кр параметр Кв не включает в себя подземное питание, те К„ = Б+х-Р

В рассматриваемом регионе Кв изменяется в пределах 42000-68000 м3/км2(табл 1)

Предельная площадь с отсутствием подземного питания Рпр устанавливается по крупномасштабным топографическим картам

Рассчитанные по формуле (8) значения среднего многолетнего подземного стока значительно больше, чем определенные по методу Б И Куде-лина близки к методу КП Воскресенского

Предложенный метод (Мишон, 1988) позволяет на единой методологи-

ческой основе рассчитывать подземное питание не только отдельных рек, но и гидрологического района в целом (табл 1)

5. Зональный, азональный и аномальный весенний сток Для расчета нормы речного стока в неисследованных створах средних и крупных рек строят зональные карты стока Достаточно крупные речные бассейны как бы интегрируют климатические и другие физико-географические факторы стока и нивелируют различные их местные отклонения, поэтому речной сток таких водосборов имеет выраженный зональный характер распределения [Воскресенский, 1962, Соколов, Чеботарев, 1970]

Азональные отклонения местных физико-географических факторов от средних условий прежде всего обусловливают значительную пестроту или контрастность в распределении стока малых водосборов, находящихся не только в пределах одного гидрологического района, но в ряде случаев расположенных даже по соседству По данным К П Воскресенского [1962], под влиянием местных (азональных) факторов отклонения стока малых рек от зонального значения в одном и том же географическом районе могут доходить до 100% и более

Природа нередко существенных отклонений местного стока от зонального весеннего поверхностного стока рек вытекает из уравнения водного баланса

11=(8+х)-(Рф+Ра+Ри) (9)

где Ь - местный сток; Б - максимальные запасы воды а снежном покрове к началу весеннего снеготаяния, х - осадки от начала снеготаяния до конца половодья, Рф - потери талых вод на просачивание в почву, Ра -аккумуляция талых вод на поверхности водосбора в различного рода понижениях и углублениях рельефа, Ри - испарение с поверхности тающего снежного покрова

Анализ уравнения (9) показывает, что под влиянием местных особенностей поверхностный сток малых водосборов может существенно отличаться от климатической его величины в данном районе и от стока соседних водосборов

Важной задачей является определение критических или предельно малых площадей водосборов рек, для которых по зональным картам весеннего стока можно с удовлетворительной степенью точности вычислить норму стока. Для определения критической площади Бк использованы материалы наблюдений Нижнедевицкой, Придеснянской, Волховской, Дубовской и Западно-Казахстанской воднобалансовых станций Для каждого водосбора находили отклонение фактического стока Ь0 от зональной нормы Ь3, определенной по карте изолиний (Мишон, 1970), и полученные отношения наносили на график связи Ь0/Ь3 = А^), где Б - площадь водосбора

К П Воскресенский [1956, 1962] теоретически объяснил и фактическими материалами наблюдений подтвердил, что в разных природных зонах различия в стоке больших и малых рек неодинаковы как по значению, так и по знаку В частности, в бассейне Дона, где вследствие неглубокого эрозионного вреза русел малые водотоки не полностью дренируют подземные воды, их годовой сток, как правило, меньше зонального

Весенний сток малых рек и временных водотоков, как это видно из рис 5, в любой географической зоне может быть как больше, так и меньше зонального В отличие от годового стока его значение и знак отклонения определяются прежде всего условиями снегонакопления, инфильтрации талых вод в почву и их поверхностным задержанием При наиболее благоприятных условиях суммарное воздействие всех азональных факторов способствует существенному превышению весеннего стока над зональным Напротив, при неблагоприятных условиях формирования весенний сток малых водотоков меньше зонального (Мишон, 1974)

Рис 5 Отклонение от зональных значений нормы местного весеннего стока в зависимости от площади водосбора в зоне избыточного увлажнения (а), неустойчивого (б) и недостаточного (в)

Критическая или предельно малая площадь водосбора Рк, при превышении которой влияние местных аномальных факторов нивелируется, различна в разных природных зонах В районах избыточного и достаточного увлажнения, где преобладающее влияние на сток оказывают климатические факторы, критическая площадь водосбора по данным А П Бочкова [1954] составляет около 100 км2 и менее В засушливых районах, где абсолютное зна-

чение стока мало и местные факторы оказывают на него более значительное влияние, размеры предельно малых площадей, как это видно из рис 5 увеличиваются до 150 км2 в зоне неустойчивого увлажнения и до 300 км2 в зоне недостаточного увлажнения (Мишон, 1970, 1975, 1988)

При F > FK распределение стока по территории полностью подчиняется закону географической зональности и мало зависит от местных азональных факторов. Напротив, при F < FK в формировании стока значительный вес приобретают местные условия, причем в тем большей степени, чем меньше площадь водосбора

6. Методика расчета местного стока в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения

Весенний сток для рек с аномальными условиями формирования половодья, как и азональный сток малых рек и временных водотоков, может быть определен по зональным картам при обязательном условии введения в расчет соответствующих поправок, количественно учитывающих степень изменения зонального стока под влиянием местных азональных факторов Оценку того или иного местного фактора можно получить путем сравнения значений фактического стока реки со стоком зональным При этом весь комплекс условий формирования стока на исследуемом водосборе должен отличаться от зонального наличием лишь одного местного фактора Тогда различие в величинах стока можно отнести за счет влияния этого фактора

Нами (Мишон, 1974,1988) разработан способ введения поправок путем умножения значения зонального стока на безразмерные поправочные коэффициенты, учитывающие отклонение рельефа, лесистости, почвенного покрова, геологического строения и других факторов подстилающей поверхности от средних широтных показателей По этому спосрбу норму слоя местного стока ho (мм) можно получить так (Мишон, 1974) ^

где Ь3 - норма слоя весеннего стока, определенная по зональной карте, мм, ДК - поправочный коэффициент, в котором суммарно учитывается изменение зонального стока под влиянием азональных и аномальных условий стокообразования, б - слой талых вод, задержанных в прудах и водохранилищах

В общем случае, представляющем сложный вариант, поправочный коэффициент ЛК является функцией многих факторов

АК = 1'[(а-4р-4(Г-г} ], (П)

где [а ~а\{р ~ /?)(/-/) - отклонения местных орографических факторов стока а, в том числе средней высоты и среднего уклона бассейна, густоты овражно-балочной сети и глубины эрозионного вреза русла, от средних зо-

собой отклонения факторов растительности /?, почвенного покрова у, а также закарстованности ц, озерности Л итд от средних зональных значений а, /?, у,77, Л итд Мера этих отклонений, выражаемая разностью меж-

Ho=h3* ДК-б,

(10)

нальных значений а, разности

представляют

ду фактическими и среднезональными значениями показателей стока, в конечном итоге обусловливает степень азональности или аномальности местного стока

Решение уравнения (11) в явном виде для большинства малых водосборов представляет серьезные трудности Поэтому целесообразно решать уравнение (11) по частям путем отыскания локальных зависимостей от ведущих факторов- рельефа, лесистости, механического состава почв, закарстованно-сти и т д

Для учета азональных и аномальных условий формирования нормы местного стока устанавливаются поправочные коэффициенты Кр, Кл, Кк и т д на различия в рельефе, лесистости, почвенном покрове, закарстованности малых и средних аномальных водосборов по сравнению с зональными условиями Тогдв уравнение (11) можно записать в следующем виде (Мишон, 1974)

Ьо = Ь, Кр К„ К„ Кк - б (12)

Количество ведущих стокоформирующих факторов, существенно отклоняющихся от соответствующих зональных значений, как правило, невелико В связи с этим число поправок к зональной карте также небольшое Рекомендуется вводить одну-две поправки, реже - три и более

7. Учет основных азональных н аномальных факторов при расчете местного стока 7.1. Рельеф

Орографическое строение территории наравне с климатическими условиями оказывает существенное влияние на формирование весеннего стока Высота местности, уклон водосбора, экспозиция и длина склонов, находясь во взаимодействии с климатом, определяют величину осадков и слоя стока половодья О немаловажной роли рельефа в вертикальной зональности распределения стока рек говорит довольно значительный градиент изменения стока половодья по высоте Для условий Среднерусской и Приволжской возвышенностей на каждые 10 м отклонения средней высоты бассейна от средней высоты окружающего района весенний сток изменяется на 10 мм, или на 20-25% по сравнению с зональным его значением [Мишон, 1967] Таким образом, высота местности представляет собой один из основных азональных факторов формирования весеннего стока

Связь нормы стока с средней высотой водосборов Ь0 = Щ1сР) рек Приволжской и Среднерусской возвышенностей выражается тремя прямыми, каждая из которых отражает степень влияния рельефа на речной сток

Одна отражает связь стока с высотой водосбора на западных склонах Приволжской возвышенности (верховья Вороны, Хопра и др) Эти склоны находятся в наиболее благоприятных условиях снегонакопления

Максимальные снегозапасы на 20-40 мм выше, чем в других районах Вторая характеризует связь стока с высотой водосборов рек восточных склонов Среднерусской возвышенности (Сосна, Оскол, Девица и др) В

отношении условий снегонакопления эти склоны занимают промежуточное положение между склонами Приволжской и западными склонами Среднерусской возвышенностей Соответственно этому и норма весеннего стока при других равных условиях здесь на 10-15 мм ниже, чем на западных склонах Приволжской возвышенности, но на 10-15 мм выше, чем на западных склонах Среднерусской возвышенности [Мишон, 1967, 1970]

Третья указывает па зависимость = Ш^р) для западных склонов Среднерусской возвышенности (водосборы Оки, Сейма, Свапы и др) По сравнению с другими возвышенными частями рассматриваемой территории эти склоны находятся в наименее благоприятных условиях накопления сне-гозапасов В соответствии с этим норма весеннего стока здесь также ниже

Более универсальным показателем влияния рельефа на речной сток является средний уклон бассейна 1, величина которого в свою очередь тесно связана с высотой водосбора Н (Мишон, 1974) Отсюда следует, что уклон водосбора косвенно учитывает влияние рельефа на осадки С Другой стороны, от величины уклона зависит скорость стекания талых вод по поверхности водосбора и емкость различного рода бессточных углублений

Установленные нами зависимости Ь0 = для разных природных районов (Казахстан, Поволжье, Сальские степи, ЦЧО и т д ) имеют одинаковый характер и вполне удовлетворительно выражаются параболами вида Ьо= а I" с параметрами а и п, зависящими от природных условий рассмотренного района Из уравнения следует, что наибольшее влияние на местный сток оказывают уклоны от 10 до 30% Учитывая это обстоятельство, поправочный коэффициент на различие в рельефе местности Кре„ целесообразно вводить в уравнение (12) при существенной разности (десятки промилле) в уклонах малого бассейна и окружающего района. В остальных случаях коэффициент Кр практически может быть принят равным 1,0 (Мишон, 1974)

7.2. Овражно-балочная сеть

Влияние овражно-балочной сети на местный сток исследовано слабо Отсутствует и общепринятая методика определения основных количественных показателей овражно-балочной сети Поэтому имеющиеся в литературе данные о площадях, занятых оврагами и балками в тех или иных районах, весьма противоречивы

Проведенные нами исследования (с применением новой методики) показывают, что в ряде областей рассматриваемого региона овражно-балочная сеть развита на более значительных площадях

Овражно-балочная сеть оказывает регулирующее влияние на местный сток, прежде всего вследствие ее способности аккумулировать снег, снесенный ветром с приводораздельных пространств Для количественной оценки степени влияния оврагов и балок на местный сток использован метод водного баланса

У = (5„/„ + 5+ 5в/0) - (Р„/„ + +7]Р0/0) (13)

Здесь У - весенний сток, запасы воды в снеге на поле, в лесу

и овражно-балочной сети; /„,/„,/„- площадь в долях единицы этих ландшафтов по отношению к общей площади водосбора, Рп,Ря,Ра- потери стока на полевых, лесных и овражно-балочных участках

Коэффициент 77 >1 показывает, что в оврагах и балках происходят потери не только той воды, которая образовалась в результате накопленного в них снега, ко и той, которая образовалась на полях, лесу и затем за счет склонового стока попала в овражно-балочную сеть

Если накопление снега в овражно-балочной сети превышает его суммарные потери, то ее влияние на весенний сток положительно. При других соотношениях снегонакопления и потерь роль ее отрицательна или нейтральна

7.3. Лес и лесозащитные полосы

Лес как часть географического ландшафта неоднозначно влияет на весенний сток В И. Рутковский [1956] на основе полевых работ в центральной лесостепи (почвы - тяжелые суглинки) и южной части ее лесной зоны (почвы - покровные суглинки), установил, что леса уменьшают весенний сток Аналогичного вывода придерживаются А И. Субботин [1966], В М Мишон [1974,1975] и др Однако П. Ф. Идзон, Г С Пименова [1975], А В Лебедев [1964] и др. считают, что с ростом лесистости бассейна весенний сток увеличивается.

В зонах неустойчивого и недостаточного увлажнения лес как зональный фактор влияет на весенний сток отрицательно [Мишон, 1974, 1975] (рис 6) ч

ПдММ

водосборов от лесистости 1 - в зоне неустойчивого увлажнения; 2 - в зоне недостаточного увлажнения

Представленные на рис 6 кривые уменьшения весеннего стока с увеличением лесистости водосборов позволяют получить значения поправочного коэффициента К„ на изменение местного стока в зависимости от площади лесного массива (Мишон, 1974)

Роль лесных полос в формировании весеннего стока более существенна, чем роль аналогичного по площади и породному составу лесного массива, так как они воздействуют не только на площадь, занимаемую самой полосой, но и на вышерасположенные склоны В Каменной степи лесные полосы, занимающие 5% площади водосбора, способствуют уменьшению стока на столько же, как лесной массив, занимающий примерно 15% площади водосбора, а лесополосы площадью 10-15%, сокращают сток на столько же, как лесной массив площадью 50-60% от площади водосбора (табл 2)

Таблица 2 - Поправочные коэффициенты Кл п в формуле (12) при различной площади лесных полос (Мишон, 1974)___

Площадь лесополос, % 0 5 10 15 20

кяп 1,0 0,75 0,53 0,31 0,18

7.4, Почвенный покров

Почвенный покров водосборов наряду с лесистостью, рельефом, карстом и другими факторами подстилающей поверхности играет существенную роль в формировании дождевого и снегового стока По образному выражению М И Львовича [1963], почва «трансформирует метеорологические явления в гидрологические» От степени этой трансформации зависит соотношение между поверхностным и подземным стоком рек

К решению вопроса о влиянии почвогрунтов на весенний сток подойдем следующим путем (Мишон, 1974) Мы уже отмечали, что годовой сток рек является результатом суммирования двух генетически разнородных видов стока — поверхностного и подземного. Поскольку основной составляющей годового поверхностного стока является весенний поверхностный сток, степень влияния почвогрунтов на сток половодья можно определить из уравнения

H = h + h„, (14)

где Н - годовой, h - весенний поверхностный, h„ - подземный сток, мм

Бассейны, сложенные легко проницаемыми почвами (песчаными и супесчаными), при прочих равных условиях имеют подземный сток больше и поверхностный сток меньше, чем водосборы с плотными малопроницаемыми породами (глинистыми и тяжелосуглинистыми). Следовательно, можно полагать, что в среднем за достаточно длительный период времени в данном физико-географическом районе в подземном питании рек принимают участие грунтовые воды, которые в основном формируются за счет потерь талых вод на инфильтрацию Доля весеннего поверхностного стока в годовом больше для тех водосборов, где потери талых вод на фильтрацию меньше Поэтому отношение нормы весеннего стока к норме годового стока Ф = h/H в опреде-

ленной степени характеризует влияние почвенного покрова на филырацию и может быть принято за косвенную количественную характеристику фильтрационной способности почв (Мишон, 1974,1975]

Исходя из сказанного косвенную характеристику фильтрационной способности почвогрунтов Ф определяли для четырех групп водосборов рек с различными почвенными разностями К первой группе отнесены водосборы, слагаемые тяжелосуглинистыми почвами, ко второй - легко- и среднесу-глинистыми почвами, к третьей - разные по механическому составу, к четвертой - водосборы, имеющие песчаные и супесчаные почвы

Было установлено, что среднее значение косвенной характеристики фильтрационной способности почв Фср для рек, бассейны которых сложены в основном песчаными и супесчаными почвами, равно 0,56, для бассейнов с легко- и среднесугдинистыми почвами - 0,59, для бассейнов с разными по механическому составу почвами - 0,62 и для бассейнов с тяжелосуглинистыми почвами - 0,73 Среднее значение показателя Фср получено как среднее арифметическое для всех принятых к расчету водосборов данной группы. Предлагаемая косвенная характеристика поглотительной способности почв генетически обоснована и доступна для массовых гидрологических расчетов, что позволяет использовать ее для оценки влияния почвы на местный сток (Мишон, 1974,1975)

Обозначим через Ф0 косвенную характеристику фильтрационной способности почв исследуемого водосбора, через Ф3 - ту же характеристику зональных почв Если принять за единицу потери поверхностного стока на водосборах, слагаемых зональными почвами, то на основании полученных данных легко рассчитать относительную характеристику фильтрационной способности Фо/Фз при различных комбинациях в почвенном покрове исследуемых водосборов и зональных почв (табл 3)

Таблица 3 - Относительная характеристика фильтрационной способности

почв Ф0/Ф3 в зависимости от механического состава почвы на водосборе и зональных почв___

Почвы на водосборе Зональные почвы

тяжелосуглинистые разные по составу легко-и среднесуг-линистые песчаные и супесчаные

тяжелосуглинистые 1,00 1,17 1,24 1,30

разные по составу 0,84 1,00 1,05 1,11

легко- и среднесуг-

линистые 0,81 0,95 1,00 1,05

песчаные и супесча-

ные 0,77 0,90 0,95 1,00

Представленная в таблице 3 относительная характеристика фильтрационной способности почв Фо/Ф3 по существу является поправочным коэффициентом К„ на различие местных и зональных почв Этот коэффициент вводится в уравнение (12) для расчета нормы стока

7.5. Карст

Карстовые формы рельефа характеризуются повышенной фильтрационной способностью, что в конечном итоге отрицательно сказывается на формировании весеннего поверхностного стока Качественно вопрос о гидрологической роли карста освещен широко {Бабкин, 1969, Балков, 1970, Михно, 1972) Однако до последнего времени конкретных рекомендаций по количественному учету влияния закарстованности на снижение нормы стока половодья и перевода его в подземный нет

Для расчета нормы весеннего стока закарстованных бассейнов использован метод географического сопоставления фактического стока с зональным При построении графика поправок на карст в качестве аргумента принята площадь карстующихся пород в качестве функции - разность между фактической и зональной величинами стока Поправочный график Кк = представляет собой прямую линию исходящую из начала координат При построении графика в качестве опорных использовано 6 бассейнов с карстую-щимися породами Рать-Озерки (& = 62 км2), Рать-Беседено (500 км2), Псел-Обоянь (320), Красивая Меча -Сергеевское (2500), Северский донец -Дальние Пески (663), Ведуга-Акулово (90 км2) Величина поправки Кк зависит не только от площади карстующихся пород, но и от водности весны Причем при одной и той же площади 1ГК поправка возрастает с увеличением водности половодья

8. Методология совместного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод

Для характеристики водных ресурсов в водном хозяйстве обычно используются два понятия- динамические (м3/с, км3/год), или возобновляемые водные ресурсы и статические (м3, кмЗ) запасы воды в озерах, прудах и водохранилищах [Соколов, 1986] Главное их отличие заключается в генезисе формирования и в различном значении для хозяйства

В свою очередь, статические запасы слагаются из двух видов запасов воды в озерах и запасов, аккумулированных в прудах и водохранилищах В настоящее время в Центральном Черноземье имеется более 8000 прудов с суммарном объемом 1008 млн м3 и 658 водохранилищ объемом 2088 млн м3 (Мишон, 2003, 2004) Только в одной Воронежской области статические запасы воды в таких водоемах равны 929,2 млн м3 Величина эта весьма значительна, особенно если учесть, что в области в средний по водности год формируется всего 3,75 км динамических водных ресурсов

Для однозначной оценки статических запасов воды в водохранилищах В С Вугпинским (1991) обосновано понятие нормативных и располагаемых водных ресурсов Под нормативными водными ресурсами конкретного водохранилища понимается объем воды при отметке НПУ, т е полный объем водоема, под располагаемыми - объем воды в данный момент времени По мере ввода в эксплуатацию новых водоемов статические нормативные водные ресурсы увеличиваются

В гидрологическом отношении принципиальное различие между дина-

мическими и статическими водными ресурсами заключается в следующем распределение по территории первых подчиняется закону географической зональности, а вторых - нет

Для решения указанного противоречия предлагается следующий путь.

1 С соблюдением всех необходимых требований строится зональная карта распределения динамических ресурсов весеннего поверхностного стока для каждой административной области

2 По указанным картам для каждого из 110 административных районов Центрального Черноземья определялись удельные динамические ресурсы поверхностных вод в тыс м3/км2 и соответствующим условным знаком эта величина отображалась на карто-схеме.

3 Для каждого района определялись удельные статические водные ресурсы в тыс м3/км2 и соответствующим условным обозначением наносились на рассматриваемый район

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы получены следующие выводы

1 В условиях значительного эрозионного расчленения местности, снегомерные съемки на полевых участках без учета снега, аккумулированного в понижениях рельефа и в лесу, не обеспечивают достаточную достоверность

полученных данных Установлено, что в этом случае они занижены до 18-30 %

2 Для повышения точности учета снегозапасов на водосборах рек предложен новый метод картирования снегозапасов учитывающий их не только на полевых участках, но и в овражно-балочной сети и в лесах, а также площадь занятая этими элементами ландшафта.

3. Детально исследована гидрологическая роль рельефа (высоты местности, экспозиции склонов, уклонов водосборов, площади овражно-балочной сети)

4. Доказано, что в отличии от обще принятого мнения, в распределении осадков на склонах Среднерусской возвышенности снежные ресурсы на восточных ее склонах больше, чем на западных

5 На основе разработанной методики выявлены особенности формирование снежных ресурсов в овражно-балочной сети, лесах и лесных полосах Для всех административных областей Центрального Черноземья получены количественные характеристики (в км3 и процентах) снегозапасов, со-стредоточенных в поле, овражно-балочной сети, лесах и лесных полосах

6 На основе взаимосвязи поверхностного, подземного и годового стока разработан метод гидрологического районирования Центрального Черноземья Дано описание выделенных девяти гидрологических районов с указанием основных гидрологических, климатических и морфологических характеристик

7 Разработан метод расчета подземного стока в период весеннего половодья, основанный на предложенной автором принципиальной схеме определения подземного питания, базой для которой послужили теоретические разработки приведенные в диссертации

8 Разработан метод расчета коэффициента вариации весеннего стока рек в условиях лесостепной и степной зон Европейской территории России

9 Оценена гидрологическая роль и разработана методика определения площади и емкости овражно-балочной сети

10 Разработана система поправок к зональном условиям формирования местного стока на влияние азональных факторов, рельеф, лес, лесные полосы, почвенный покров, расчлененность территории

11 Разработана методика расчета местного стока в районах недостаточного и неустойчивого увлажнения

12 Оценены статические водные ресурсы прудов и водохранилищ Центрального Черноземья Показан их вклад в суммарные ресурсы поверхностных вод и в регулирование местного стока

13 Разработана методика совместного картирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод В масштабе 1 500 ООО составлены карты суммарных (статических и динамических) водных ресурсов для областей Центрального Черноземья

Основные публикации по теме диссертации:

По теме диссертации опубликовано более 100 работ, в том числе 12 монографий, из них 4 коллективные и 3 монографии с соавторами В четырех учебных пособиях и одном учебнике с грифом Минвуза СССР и Миннауки РФ использованы материалы диссертации

Основные работы, опубликованные автором по теме диссертации:

1. Монографии.

1 Мишон В М - Снежные ресурсы и местный сток закономерности формирования и методы расчета / В М Мишон // Воронеж Изд-во Воронеж Гос Ун-та. 1988 г - 192 с

2 Мишон В М - Река Воронеж и ее бассейн ресурсы и водно-экологические проблемы / В М Мишон // Воронеж Изд-во Воронеж Гос Ун-та, 2000 г - 296 с

3 Мишон В М - Матырское водохранилище и его бассейн водные ресурсы, использование и охрана / В М Мишон, В.Н Двуреченский, Н В Пешкова// Липецк Липецкое книжное изд-во, 2002 т ,11 с.

4 Мишон В М - Пруды Центрального Черноземья фонд, регулирование местного стока, водные ресурсы / В М Мишон // Воронеж Тр. НИИ Геологии ВГУ, сер «Биогеосфера» -Вып 1 Изд-во Воронеж Гос Ун-та, 2003 г. -90 с

5 Мишон В М - Водохранилища Центрального Черноземья- водные ресурсы, гидролого-экологические проблемы / В М. Мишон // Воронеж. Тр. НИИ Геологии ВГУ, сер «Биогеосфера» - Вып 2 Изд-во Воронеж Гос Унта, 2004 г - 137 с

6 Мишон В M - Бассейн Верхнего Дона водные ресурсы, гидрология, гидрография / В M Мишон, M В Болгов, H И Сенцова // Воронеж Тр НИИ Геологии ВГУ, Вып 26 Изд-во Воронеж Гос Ун-та, 2005 г - 139 с

*7 Болгов M В - Современные проблемы оценки водных ресурсов и водообеспечения / M В Болгов В M Мишон, Н.И Сенцова И M, „Наука", 2005 г - С 175-292

8 Мишон В M - Гидрологическая и экологическая безопасность Воронежского водохранилища / В M Мишон // Воронеж. Изд-во Герал, 2007 г -236 с

9 Вопросы стока рек / Под ред А Г Курдова // Воронеж Изд-во Воронеж Гос Ун-та,1969 г -С 58-65

10 Карты стока рек и временных водотоков (на примере центральночерноземных областей) / Под ред А Г Курдова // Воронеж Изд-во Воронеж Гос Ун-та, 1975 г - С 38-52,76-99

11 Картирование вероятностного стока рек. I Под ред А Г Курдова // Воронеж Изд-во Воронеж Гос Ун-та, 1987 г -С 44-46,80-98,153-156

12 Расчеты стока рек и временных водотоков (вопросы теории и практики) / Под ред А Г Курдова // Воронеж Изд-во Воронеж Гос Ун-та, 1979 г - С 49-54, 78-79, 87-89

2. Результаты исследований частично использованы в учебных пособиях.

13 Мишон В M - Гидрофизика / В M Мишон // Воронеж Изд-во Воронеж Гос Ун-та, 1979 г -308 с

14 Мишон В M - Практическая гидрофизика / В M Мишон // JI Гид-рометеоиздат, 1983 г -176 с

15 Мишон В M - Поверхностные воды Земли ресурсы, использование и охрана / В M Мишон // Воронеж Изд-во Воронеж Гос Ун-та, 1996 г -220 с

16 Мишон В M - Основы геофизики - Воронеж Изд-во ВГУ, 1993 Г -

240 с

17 Мишон В M - Практическая геофизика / В M Мишон // Воронеж Изд-во Воронеж Гос Ун-та, 1996 г -248 с

3. Основные научные публикации.

18 Мишон В M - О потерях весеннего стока рек Среднерусской возвышенности / В M Мишон // Научн зап Воронеж Отд Геогр об-ва СССР Воронеж, 1965 г - С 107-110

*19 Мишон В M - К методике составления карт снегозапасов / В M Мишон // Метеорология и гидрология, 1966 г, №10 - С 43-48

20 Мишон В M - Синхронность колебаний и выбор расчетного периода для определения нормы весеннего поверхностного стока рек Черноземного центра/В M Мишон//Научн зап Воронеж Отд Геогр об-ва СССР Воронеж, 1966 г - С 86-91

21 Мишон В M - О методике расчета коэффициента вариации весеннего стока в условиях лесостепной и степной зон Европейской части СССР /

В М Мишон // Сб работ по гидрологии - Л, 1967 г, №7 - С 85-91

22 Мишон ВМ - Объем весеннего поверхностного стока рек Центрально-Черноземного района / В М Мишон // Научн зал Воронеж. Отд Геогр об-ва СССР Воронеж, 1967 г - С 88-91

23 Мишон В М - К методике расчета коэффициента вариации местного стока в условиях лесостепной и степной зон Европейской части СССР / В М. Мишон // VII Межвузовская научно-техническая конференция, г Ровно, 1968 г, 0,2 п л

24 Мишон В М - Закономерности залегания максимальных снегозапа-сов в условиях овражно-балочного рельефа и лесной островной растительности / В М Мишон // Сб работ Курской ГМО, Л Гидрометеоиздат, 1968 г, Вып 5 - С 53-67

25 Мишон В М - Влияние характера залегания снежного покрова на формирование стока талых вод / В М Мишон // Сб работ Курской ГМО, Л. Гидрометеоиздат, 1968 г, Вып 5 -С 103-112

26 Мишон В М - Весенний поверхностный сток рек и временных водотоков Центрально-Черноземных областей / В М Мишон // Научные исследования по водным проблемам за 1963 г - М „Наука", 1968 г, 0,1 пл

27 Мишон В М - Продолжительность весеннего половодья рек Центрально-Черноземных областей / В М Мишон // Научн зап Воронеж Отд Геогр об-ва СССР Воронеж 1968 г - С 75-79

28 Мишон В М - Генетические предпосылки взаимосвязи поверхностного, подземного и годового стока рек различных природных районов / В М Мишон // Вопросы стока рек Воронеж Изд-воВГУ, 1969 г - С 58-66

29 Мишон В М - Расчет коэффициента вариации весеннего поверхностного стока в условиях лесостепной и степной зон ETC / В М Мишон // Изучение водных ресурсов -М Наука", 1969 г-С 52-54

30 Мишон В М - К методике исследования устойчивости весеннего поверхностного стока в связи с хозяйственной деятельностью на водосборе / В М Мишон, Г Р Юнусов // Изучение и использование водных ресурсов. -М „Наука", 1970 г, 0,2 п л

31 31 Мишон ВМ - Изменчивость весеннего поверхностного стока рек Центрально-Черноземных областей / В М Мишон // Изучение и использование водных ресурсов - М „Наука", 1970 г, 0,2 п л

32 Мишон В М - Ресурсы поверхностного весеннего стока рек Центрально-Черноземных областей / В М Мишон // Изучение и использование водных ресурсов -М „Наука", 1970 г, 0,1 пл.

33 Мишон В М - Весенний поверхностный сток, его изменчивость и распределение по территории Центрально-Черноземных областей / В М Мишон//Сб работ по гидрологии -Л, 1970г,№9-С 71-82

34 Мишон В М - Снегозапасы в оврагах, балках и лесах Центрального Черноземья / В М Мишон // Научн зап Воронеж Отд Геогр об-ва СССР Воронеж, 1970 г - С 101-104

35 Мишон В.М - Норма и изменчивость весеннего поверхностно стока рек Центрально-Черноземных областей / В М Мишон // Сб работ Курской

ГМО, Л Гидрометеоиздат, 1971 г, Вып 5 - С 76-89

36 Мишон В М - Исследование вариации весеннего стока малых рек / В М Мишон // Изучение и использование водных ресурсов - М „Наука", 1972 г, 0,2 п л

37 Мишон В М - Оценка влияния хозяйственных мероприятий на весенний сток крупных водосборов / В М Мишон // Антропогенные ландшафты Центральных Черноземных областей и прилегающих территорией Воронеж Изд-во Воронеж Гос. Ун-та, 1972 г - С 116-117

38 Мишон В М - Особенности паводочного стока на малых реках Липецкой области / В.М Мишон // Рациональные использование и охрана водных ресурсов Липецкой области Липецк, 1973 г - С 88-91

39 Мишон В М - Антропогенные лесные комплексы и их влияние на местный сток / В М Мишон // Мат 2-й регион, конф «Антропогенные ландшафты Центральных Черноземных областей и прилегающих территорией» Воронеж, 1975 г - С 127-129

40 Мишон В М. - Карта весеннего стока / В М Мишон // Карта стока рек и временных водотоков Воронеж- Изд-во ВГУ, 1975 г - С 38-52

41 Мишон В.М - Карты весеннего стока с поправками // Карты стока рек и временных водотоков Воронеж Изд-во ВГУ 1975 г -С 76-99

42 Мишон В М. - Ресурсы местного стока Липецкой области У В М Мишон // Изучение и охрана водных ресурсов - М „Наука", 1976 г, 0,2 п л

43. Мишон В М - Карты стока рек и временных водотоков (на примере ЦЧО) / В М Мишон // Изучение и охрана водных ресурсов - М „Наука", 1976 г, 0 2 п л

44 Курдов А Г - Карты стока рек и временных водотоков ЦентральноЧерноземных областей / А Г Курдов, Я К Ковалев, В В Протопопов, В М Мишон, М П Колпачева // Тр IV Всесоюзного гидрологического съезда, том 2 Л, 1976 г, С 234-243

45 Мишон В М - Почвенный фактор и его количественная оценка в формировании местного стока / В М. Мишон, В Н Жердев, В К Рязанцев // Научн тр Воронеж СХИ, Воронеж, 1977 г, т 90 - С 121-130

*46. Мишон В М - Гидрологическая роль овражно-балочной сети / В М Мишон, Ю А Михайлов // Водные ресурсы, 1978 г, №5 - С 79-86

47. Мишон В М. - К методике расчета местного стока в районах недостаточного и неустойчивого увлажнения / В М Мишон II Тр ГГИ, 1974 г, Вып 217-С. 156-174.

48 Мишон В М. - Карты редкой повторяемости весеннего половодья / ВМ Мишон // Изучение и охрана водных ресурсов - М «Наука», 1975 г, 0,2 п л

49 Мишон В М - К вопросу о весеннем поверхностном стоке малых водотоков в условиях недостаточного и неустойчивого увлажнения БТС и его зависимость от местных условий / ВМ, Мишон // Изучение и охрана водных ресурсов - М «Наука», 1975 г, 0,2 п л

50 Курдов А Г - Новые карты характеристик стока рек и временных водотоков / А Г Курдов, В М Мишон, М П Колпачева, Я К Ковалев И Ма-

териалы IV съезда Геогр об-ва СССР Сер Гидрология и климатология Л 1975 г,-С 33-37

51. Мишон В М - Рациональное использование овражно-балочной сети при водохозяйственном строительстве / В М Мишон, Н А Булгаков, Ю А Михайлов // Сб научн тр Южного НИИ гидротехники и мелиорации Вып 1 Новочеркасск 1978 г - С. 59-71

52 Мишон В М - Расчеты весеннего стока / В М Мишон // Расчеты стока рек и временных водотоков Воронеж Изд-во ВГУ, 1979 г - С 136-144

53 Мишон В.М. - Расчетные (зональные) карты высокого стока рек и временных водотоков / В М Мишон // Расчеты стока рек и временных водотоков Воронеж Изд-во ВГУ, 1979 г -С 87-89

54 Мишон В М - Формулы для расчета нормы высокого среднерайонного стока рек и временных водотоков (весенний сток) / В М Мишон // Расчеты стока рек и временных водотоков. Воронеж Изд-во ВГУ, 1979 г - С 49-54

55 Мишон В М - Рекомендации по применению аналитического метода расчета (весенний сток) / В М Мишон // Расчеты стока рек и временных водотоков Воронеж Изд-во ВГУ 1979 г - С 78-79

56 Мишон В М - Расчетные (зональные) карты весеннего стока рек и временных водотоков / В.М. Мишон // Расчеты стока рек и временных водотоков Воронеж Изд-во ВГУ, 1979 г - С 87-88

57 Мишон В М - Картографирование весеннего стока аномальных рек и временных водотоков для целей рационального использования водных ресурсов / В М Мишон // Тез докл. VII съезда Геогр об-ва СССР Секция 4, Л 1980 г - С 95-97

58 Мишон В М. - Об изменениях весеннего стока рек ЦЧП под влиянием хозяйственной деятельности / В М Мишон // Охрана природы ЦЧП Вып 11, Воронеж, 1981 г - С 9-14

59 Мишон В М - Основные закономерности залегания максимальных снегозапасов в лесах Черноземного центра / В М Мишон II Водные мелиорации земель в Центрально-Черноземной зоне Научн тр Воронеж СХИ, том 115,1981 г - С 158-167.

60 Мишон В.М - Влияние лесных антропогенных комплексов на речной сток / В М. Мишон, Л.А Калюжный // Гидрологические исследования ландшафтов Новосибирск, «Наука», 1986 г-С 71-75

61 Мишон В М - Метод расчета смыва почвы со склонов / В М. Мишон, В К Рязанцев В Н.Жердев // Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях, 1987 г, М, Изд-во МГУ, - С 95-96

62 Мишон В М - Обзорные карты весеннего вероятностного стока рек / В М Мишон // Картирование вероятностного стока рек Воронеж Изд-во ВГУ, 1987 г - С 80-86

63 Мишон В М - Расчетные (зональные) карты весеннего вероятностного стока рек/В.М Мишон//Картирование вероятностного стока рек Воронеж Изд-во ВГУ, 1987 г -С. 86-98

64 Мишон В М. - Подземный сток в период весеннего половодья и метод его определения / В.М. Мишон // Тр V Всесоюзного гидрологического съезда, том 2,1988 г, Гидрометеоиздат, Л, - С 413-419

65 Мишон В М. - Местный сток Воронежской области и вопросы его охраны в связи с хозяйственной деятельностью / Мишон В М // Мониторинг и охрана окружающей среды ЦЧР Воронеж, 1989 г. - С. 37-39

**66 Мишон В М. - Гидрологические аспекты в структуре антропогенных ландшафтов / Мишон В М, А Г Курдов, Ю А Нестеров // Вестник ВГУ Сер 2, Воронеж №2,1996 г. -С. 30-32

**67 Мишон В.М - Река Воронеж от первых упоминаний в летописях до наших дней / Мишон В.М. // Вестн Воронежск Ун-та Сер география и геоэкология Воронеж 2000 г, №4 - С 169-172

**68 Мишон В М, Дворниченко И.П., Кандыбко Г В - Где начинался в древности и начинается сейчас Дон // Вестник ВГУ Сер География и геоэкология Воронеж 2000 г, №4-С. 169-172

69 Мишон В.М - Прудовой фонд, структура и размещение в Центральном Черноземье / Мишон В.М, М И Степанова // Территориальная организация общества и управление в регионах Воронеж 2000 г Изд-во Воронежск Гос Пед Ун-та. - С 230-232

**70 Болтов М.В - Современное состояние и перспективы использования водных ресурсов бассейна Верхнего Дона / М В Болтов, Мишон В М, Н И Сен-цова // Вестник ВГУ Сер География и Геоэкология - Воронеж 2002 г, №1- С 7475

**71 Мишон В М. - Функционально-генетическая классификация прудов Центрального Черноземья / Мишон В М // Вестник ВГУ, 2003 г, №2, С 23-32

72 Мишон В М - Гидрологическое обоснование водохозяйственных мероприятий в бассейне Верхнего Дона / Мишон В М, М В Болтов, Н И. Сенцова// Экология бассейна Дона. Воронеж 2005 г - С. 74-75.

73 Мишон В М. - Оптимизация управления водными ресурсами Центрального Черноземья / Мишон ВМ, В И. Федотов// Тр 6 Всероссийского гидрологического съезда. Секция 3 СПб. 2007 (в печати)

Примечание * статьи опубликованы в издании рекомендованном ВАКом ** тоже до 2006 г

Подписано в печать 13 09 07 Формат 60*84 '/¡6 Усл.печ л 2,5 Тираж 100 экз Заказ 1880

Отпечатано с готового оригинала-макета в типографии Издательско-полиграфического центра Воронежского государственного университета 394000, Воронеж, ул Пушкинская, 3

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Мишон, Виталий Михайлович, Воронеж

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

71 11-11/18

На правах рукописи

МШНОН Виталий Михайлович

25.00.27. - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени

доктора географических наук

Воронеж - 2007

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

Защищаемые положения: 10

1 Снежные ресурсы как основной фактор 10 формирования водных ресурсов.

1.1. Роль рельефа в формировании и распределении 10 снежных ресурсов

1.2 Снегозапасы на склонах разных экспозиций 14

1.3 Снегозапасы в овражно-балочной сети 14

1.4 Формирование снегозапасов в лесу и лесных 18 полосах.

1.4.1 Снегозапасы в лесу. 18

1.4.2 Снегозапасы в лесных полосах 22

1.5 Снегоохранная роль леса и лесных полос 24

2 Метод оценки снежных ресурсов в районах с 26 расчлененным рельефом и островной лесной растительностью

2.1 Методика составления карт снегозапасов 26

3 Теоретические основы гидрологического 29 районирования

4 Метод расчета подземного стока в период 34 весеннего половодья

5 Зональный, азональный и аномальный весенний 38 сток

6 Методика расчета местного стока в зонах 41 недостаточного и неустойчивого увлажнения

7 Учет основных азональных и аномальных 43 факторов при расчете местного стока

7.1. Рельеф 43

7.2. Овражно-балочная сеть 45

7.3. Лес и лесозащитные полосы 46

7.4. Почвенный покров 48

7.5. Карст 51

8 Методология совместного картографирования 52 динамических и статических ресурсов поверхностных вод

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55

ЛИТЕРАТУРА 57

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Водные ресурсы в рассматриваемых зонах определяются в основном величиной весеннего поверхностного стока малых рек и временных водотоков, часто называемого местным стоком. Уровень хозяйственного освоения здесь водных ресурсов характеризуется в первую очередь, степенью использования вод местного стока и, во вторую очередь, статическими запасами воды в прудах и водохранилищах. Поэтому детальное изучение закономерностей формирования и распределения снежных ресурсов и местного стока, разработка методов их расчета и оценки для зон недостаточного и неустойчивого увлажнения представляют большой научный и практический интерес. Однако фундаментальные исследования снежных ресурсов и ресурсов местного весеннего стока для важнейшего в хозяйственном отношении крупного индустриально-аграрного региона России, каким является Черноземный центр, отсутствуют.

Предлагаемая диссертация, в виде научного доклада, представляет собой попытку восполнить этот пробел. Работа состоит из трех частей. В ее первой части дана оценка основного стокообразующего фактора - снежных ресурсов. Вторая часть посвящена анализу формирования и методам расчета местного весеннего стока. Третья часть - статическим водным ресурсам - запасам воды в прудах и в водохранилищах и степени регулирования ими местного стока.

Цель и задачи исследования. Основной целью диссертации является разработка теоретических и методических основ для количественной оценки распределения снежных ресурсов на основных элементах ландшафта: в поле, лесу, лесных полосах, в овражно-балочной сети; разработка системы поправок к зональной величине местного стока на азональные условия его формирования; разработка нового метода расчета подземного стока в период весеннего половодья; разработка метода совместного картирования динамических и статических водных ресурсов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) Разработан метод оценки снежных ресурсов в районах с развитой ов-ражно-балочной сетью и островной лесной растительностью;

2) Дано теоретическое обоснование метода гидрологического районирования;

3) Теоретически обоснован и предложен метод расчета подземного питания рек в период весеннего половодья;

4) Предложен метод расчета коэффициента вариации весеннего поверхностного стока;

5) Выявлены физические основы и механизм снегоохранной роли лесомелиоративных мероприятий;

6) Разработана система поправок к зональным картам весеннего поверхностного стока на азональные условия его формирования;

7) Предложена методология совместного картирования динамических и статических водных ресурсов;

8) Исследована гидрологическая роль рельефа и орографического строения рассмотренного региона;

9) Исследована гидрологическая роль овражно-балочной сети, предложен метод для определения ее площади и емкости;

11) Разработан метод расчета стока малых рек и временных водотоков.

ных и научно-исследовательских институтов и организаций. Все использованные материалы вполне надежны и большая часть их опубликована. В работах, опубликованных автором, на них имеются ссылки.

Для оценки снежных ресурсов и ресурсов местного стока использованы методы: балансовый, гидролого-климатический, интерполяционный, статистический.

Научная новизна и практическое значение исследований. Разработанные методы и результаты исследований являются новыми. Получены новые знания о распределении снежных ресурсов по основным элементам географического ландшафта. Эти результаты целесообразно использовать в курсах лекций по гидрологии суши и гидрофизике, а также в научной деятельности.

Предмет защиты. Предметом защиты и научной новизной являются разработанные автором: 1) метод расчета стока малых рек и временных водотоков, количественно учитывающий влияние азональных факторов на величину зонального стока; 2) метод расчета подземного стока в период весеннего половодья; 3) метод расчета коэффициента вариации весеннего стока для неизученных рек; 4) метод оценки снежных ресурсов для территорий со значительной густотой овражно-балочной сети и островной лесной растительностью; 5) механизм оценки снегоохранной роли леса и, особенно, лесных полос. 6) методология совместного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод.

Основные защищаемые положения. На защиту вынесено восемь групп научных положений и результатов исследований:

1. Снежные ресурсы как основной фактор формирования водных ресур-

СОВ.

2. Метод оценки снежных ресурсов в условиях расчлененного рельефа и островной лесной растительности.

3. Методика гидрологического районирования.

4. Подземный сток в период весеннего половодья и метод его расчета.

5. Зональный, азональный и аномальный весенний сток.

6. Учет основных азональных и аномальных факторов при расчете местного стока.

7. Метод расчета коэффициента вариации весеннего стока.

8. Методология совместного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод.

Апробация работы.

Всесоюзные и Всероссийский гидрологические съезды: IV - г. Ленинград, 1976 г.; V - г. Ленинград. 1988 г.; VI - г. С.-Петербург, 2004 г.

Съезды Географического общества СССР: IV - г. Ленинград, 1975 г.; VII - г. Фрунзе, 1980 г.

Всесоюзные и Всероссийские конференции и совещания: „Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (М.. 1987 г.); „Комплексное освоение водохранилищ" (М, 1965 г.); „Гидрологические исследования ландшафтов'" (г. Новосибирск, 1986 г.); „Территориальная организация общества и управления в регионах" (г. Воронеж, 2002 г.); „Современные проблемы исследований водохранилищ" (г. Пермь, 2005 г.); „Современные проблемы водохранилищ и их водосборов" (г. Пермь, 2007 г.).

Межрегиональные и региональные научно-технические и научно- прак-

тические конференции: «Антропогенные ландшафты ЦЧО» (г. Воронеж, 1972 г.); „Антропогенные ландшафты Центральных Черноземных областей и прилегающих территорий" (г. Воронеж, 1975 г.); „Экологические основы природопользования в бассейне Дона" (г. Ростов на Дону, 1980 г.); „Территориальная организация общества и управление в регионах" (г. Воронеж, 1990 г.); „Рациональное использование и охрана водных ресурсов Липецкой области" (г. Липецк, 1993 г.); „Экология бассейна Дона" (г. Воронеж. 2005 г.).

Межвузовские конференции: 17 научно-техническая конференция (г. Ровно. 1968 г.); „Территориальная организация народного хозяйства крупного экономического района в условиях новых форм хозяйствования" (г. Воронеж, 1990 г.); „Столетие экспедиции В.В.Докучаева в Каменной степи" (г. Воронеж, 1992 г.).

Областные научно-практические конференции и совещания. „Картирование стока рек и временных водотоков" (г. Воронеж, 1976 г.); „Борьба с эрозией почв в Воронежской области" (г. Воронеж, 1965 г.); „Природные ресурсы Лис-кинского района Воронежской области и их рациональное использование" (г. Лиски, 1977 г.); „Воронежское водохранилище" (г. Воронеж, 1985 г.); „Природные ресурсы Воронежской области, их воспроизводство, мониторинг и охрана" (г. Воронеж, 1995 г.).

Межфакулътетские семинары Воронежского Государственного Университета по проблеме: „Концепция биогеосферных исследований состояния и динамики природной среды в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на территории ЦЧР" (г. Воронеж, 2002; 2003 г.г.).

Результаты исследований неоднократно обсуждались на годичных (1967-2007г.г.) конференциях Воронежского государственного университета и Воронежского государственного аграрного университета (1976 г.; 1980 г.; 1991 г. и ДР-)-

Основные результаты научных исследований опубликованы в 12 монографиях (4 коллективных, 3 - в соавторстве), 5 учебных пособиях, рекомендованных Минвузом СССР. и РФ для обучения студентов по специальности

«Гидрология суши» и в 60-ти научных публикациях.

Защищаемые положения

1. Снежные ресурсы как основной фактор формирования водных ресурсов.

В лесостепной и степной зонах снегозапасы представляют собой главный фактор формирования речного стока. Сток снегового половодья временных водотоков, не имеющих подземного питания, является единственным источником заполнения прудов и малых водохранилищ водой.

Из всех характеристик снежного покрова важнейшим интегральным сто-кообразующим показателем является максимальные снегозапасы. Определенные для конкретной территории (района, зоны или водосбора реки), они характеризуют снежные ресурсы этой территории.

1.1. Роль рельефа в формировании и распределении снежных ресурсов.

Анализ многочисленных материалов наблюдений опорной сети гидрометеорологических станций европейской территории России показывает, что на величину снегозапасов при прочих равных условиях существенное влияние оказывает высота местности, а также экспозиция склонов (Мишон, 1966).

Увеличение количества осадков с высотой местности обусловлено адиабатическим изменением состояния атмосферы. Подъем воздуха на ветроудар-ных склонах возвышенностей сопровождается понижением его температуры, конденсацией водяных паров и выпадением обильных осадков, в том числе твердых. Зимой влияние высоты местности на количество осадков резче, чем летом, так как летом воздух менее насыщен водяным паром, облака образуются на большой высоте, где амплитуды колебаний линий токов в значительной сте-

пени затухают.

В пределах Европейской равнины даже относительно небольшие возвышенности (100-140 м), как, например, Среднерусская, Приволжская и др., вызывают некоторое увеличение количества осадков по сравнению с их величиной на окружающей местности. Считается, что на их западных и юго-западных склонах, обращенных к влагоносным ветрам, осадков выпадает больше, чем на восточных склонах, находящихся в "ветровой тени". Однако это положение справедливо лишь для летних и годовых осадков. Многолетние материалы снегомерных съемок на Среднерусской возвышенности показывают, что на западных склонах при прочих равных условиях снегозапасы меньше, чем на восточных (Мишон, 1966, 1988).

Одна из причин более высоких снегозапасов на восточных склонах Среднерусской возвышенности по сравнению с западными - характер ветровой деятельности в зимний период. Другой причиной, обусловливающей более высокие снегозапасы на ее восточных склонах, является большая продолжительность залегания снежного покрова. Средняя продолжительность залегания снега на восточных склонах этой возвышенности увеличивается от 117 суток в южной, степной части до 129 суток в северной, лесостепной, а на западных склонах - соответственно только от 108 до 121 суток.

местности в пределах Среднерусской возвышенности выражается двумя прямыми, соответствующими различным ее склонам (рис. 1). Одна линейная зависимость объединяет группу точек, характеризующих данные метеостанций центрального плоскоместного района и восточных склонов этой возвышенности (бассейны Сосны, Оскола, Девицы и др.), другая - ее западных склонов (бассейны Оки и Сейма).

Рис. 1. Зависимость средних (1944-1994 гг.) максимальных за зиму снего-запасов от высоты местности на восточных (1) и западных (2) склонах Среднерусской возвышенности

Зависимости вполне удовлетворительно аппроксимируются линейным уравнением вида

8тах = аН - Ь, (1)

где а - параметр, определяющий значение градиента изменения максимальных снегозапасов по высоте, а = 0,4 мм/м; Н - высота местности, м; Ь - эмпирический параметр. Для восточных склонов Среднерусской возвышенности Ь - 24 мм, для западных Ь = 0.

Довольно четкая зависимость Бтах^н) отмечается и для ограниченных по территории районов с однообразными физико-географическими и климатическими условиями. Характерными в этом отношении являются районы исследований Нижнедевицкой и Волховской воднобалансовых станций.

В пределах равнин и низменностей со средней высотой менее 150 м, где относительные превышения невелики, вертикальной зональности в распределении снегозапасов нет. Неравномерность залегания здесь вызвана другими азональными факторами. Вопрос о влиянии рельефа на вариацию снегозапасов зо времени для равнинных территорий с относительно невысокими возвышенностями не изучен. Материалы многолетних наблюдений на 20 водосборах Ниж-недевицкой и Волховской станций показывают, что между коэффициентом вариации максимальных снегозапасов Cvs и высотой местности Н имеется тесная обратная линейная связь,

Информация о работе

Мишон, Виталий Михайлович
доктора географических наук
Воронеж, 2007
ВАК 25.00.27

Диссертация

Теоретические и методические основы оценки ресурсов поверхностных вод в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения европейской части России - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы