Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Закономерности озерного регулирования речного стока

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Закономерности озерного регулирования речного стока"

ю

СП

т 22 и

5 . . "а правах рукописи

а. ■ £=

ВЕДОМ РИММА

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОЗЕРНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА

Специальность 11.00.07 -Гидрология суши,, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург

1995

Работа выполнена в Эстонском институте метеорологии и гидрологии (г.Таллинн)

Научный руководитель - генеральный директор Эстонского института метеорологии и гидрологии, доктор сельскохозяйственных наук, профессор II. Карин г

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор догановский A.M.; кандидат географических наук, ст.н.с. Доброумов В.М.

Ведущая организация - Таллинский технический университет

Зацита состоится МО Р 1995г. в час.

на заседании диссертационного совета Д 024.03.01 Государственного гидрологического института по адресу: 199053, Санкт-Петербург, 2-я линия, дом 23. Факс: (812) 213-10-28

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного гидрологического института.

Автореферат разослан " ¿¿upc-Jtfi 1995г.

Ученый секретарь ~ f ^

диссертационного совета, к.г.н. ' Яемешко H.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью научного обобщения существующих знаний по гидрологии озер и стоку зарегулированных озерами рек применительно к условиям Эстонии, интересами инженерной практики к расчетам речного стока Эстонии, а также его моделирования, которое требует надежной информации о самых рапных параметрах водосборов в расчетных створах: оэерности, заболоченности, закарстованности, характере подстилающих почво-грунтов, высотного положения и т.д. Существующие методики расчетов стока, разработанные и весьма успешно используемые для крупных регионов бывшего СССР, не дают удовлетворительных результатов для отдельных небольших регионов, например, таких как территория Эстонской республики (2?Е от площади бывшего СССР), характеризующихся сложными условиями подстилающей поверхности: широким распространением карстовых явлений, заболоченностью (21°!; территории), озерностью (4.2™) и разнообразием четвертичных отложений. Гидрологические .характеристики имеют большое значение при оценке и прогнозе экологического состояния внутренних водоемов.

Цель данной работы. Основная цель данной работы исследование пространственных и временных закономерностей изменения регулирующей способности озер, выявление зональных и локальных факторов, влияющих на регулирующую способность озер; разработка методики оценки стока неизученных озерных рек Эстонии и амплитуды колебания уровня воды неизученных озер Эстонии: оценка влияния факторов подстилающей поверхности, характерных для территории Эстонии (оэернЬсть, карст, заболоченность, рыхлые почво-грунты) на сток озерных рек.

Объектами исследований являются: проточные, сточные и бессто.чные озера Эстонии, Кольского п-ва, Карелии и Северо-Запада (орографические, морфометрические, геологические и гидрологические их характеристики), ■ зарегулированные озерами реки; регулирующая способность озер, количественно определяемая коэффициентом полезной емкости ; реки как пример "нулевого проточного" озера; факторы подстилающей поверхности водосбора: карст, заболоченность, оэерность, подстилающие почво-грунты и породы, переменный подпор в истоке из озера и речном русле.

Исходные материалы и личный вклад соискателя в решение

проблемы. Исходной информацией послужили материалы многолетних

а

метеорологических и гидрологических наблюдений Эстонского Института Метеорологии и Гидрологии, а также Управлений гидрометслужб бывшего СССР, опубликованные работы по озерам Эстонии институтов Ботаники и Зоологии АН Эстонии, Эстмелиопроекта и Тартусского Университета.

Метод районирования коэффициента.полезной емкости взера и полученная на его основе методика расчета стока неизученных озёрных рек и амплитуды колебания уровня воды неизученных озер являются личной_разработкой автора. Работа выполнялась в рамках нескольких национальных тем:

- Возможности применения сокращенных способов измерения расходов воды на реках Эстонии;

- Водный баланс малых заболоченных водосборов;

- Многолетний и текущий водный баланс Эстонии;

- Вынос пресных вод, тепла и энергии эстонскими реками в Балтийское море. '

Научная- новизна диссертации: предложены новые для озер параметры - нормированный по амплитуде колебания уровня

коэффициент полезной емкости ^уЗ ед и удельный показатель площади водоеме» - функциональная сояэь которых является критерием однородности территории по величине потерь стока на испарение' н эвапотранспирацню; разработана методика районирования коэффициента полезной емкости ^ с учетом факторов подстилающей поверхности, на основе которой получена количественная оценка влияния на сток озерных рек наиболее характерных для Эстонии факторов подстилающей поверхности: озерности, заболоченности, карста, рыхлых песчано-гравелмстых отложений.

Практическая ценность работы: полученные зависимости между стоком, амплитудой колебания уровня воды и относительными размерами озера, учитывающие различные факторы подстилающей Поверхности, применяются при оценке амплитуды колебания уровня малоизученных и неизученных водоемов; возможность определения коэффициента полезной емкости любого неизученного водоема позволяет произнести расчет основных гидрологических характеристик вытекающей реки по СНиПу346-66; при моделировании гидрологических процессов на территории Эстонии; в процессе обучения студентов гидрометеорологическим дисциплинам.

Результаты установленных закономерностей, оценок и разработанный метод анализа влияния факторов подстилающей понерхностп и расчетоп стока из озер и являются предметом защити.

Апробация работы. Результаты исследований по теме

диссертации обсуждались на семинаре ЭМГИ (март 1994г.), Ученом совете Г)М! II (март 1945г.), на объединенном научном семинаре ГГИ (апрель 1905г.). отдельные результаты представлялись на конференции п Вильнюсе (май 1985), на международном симпозиуме

- 6 -

BIOGEOMON (октябрь 1993г., Прага).

Публикации. Основные ' результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 5 работах.

Структура и объем диссертации. Работа излохена на 85 страницах машинописного текста и 120 страницах приложения, содержит 17 рисунков и 5 таблиц в тексте, а также 39 рисунков и 14 таблиц в приложении. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения,' выводов и приложения. Перечень используемой литературы включает 60 наименовангЛ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, показано ее научное и практическое значение, излагаются цели, задачи работы и принцип подхода к их решению.

В первой главе приведен предшествующий опыт использования коэффициента полезной емкости водоемов ■ , как количественного выражения регулирующей их способности, в работах Сумарокова B.C. Андреянова В.Г., Баранова В.А. и в СНиП.346-66. В этих работах основные гидрологические характеристики вытекающей из озера реки хорошо увязываются с величиной коэффициента полезной емкости озера, но отсутствуют рекомендации или методика по оценке самого ^уб Для малоизученного или неизученного озера. Восполнение недостающего звена - один из результатов данной работы.

Коэффициент полезной емкости озера & вычисляется по формуле: А

S

Ао* Кср • 1000 (1+Кср)•Мо.То

где Ао - средняя за период осреднения амплитуда колебания уровня озера,м;

Мо - средний за период осреднения модуль стока из озера, л/с км2;

То - продолжительность расчетного периода (год, месяц), млн. сек;

Кср - средний за период осреднения показатель площади водоема, равный

Кср = F03 /(Fb дсб - F03), (2)

где Foa - площадь озера, соответствующая среднему за расчетный период уровню воды водоема, км2;

Рвдс.б - площадь водосбора озера в створе истока из него.

Зависимость от Кср, единственного легко определяемого

для любого неизученного озера морфометрического параметра, построенная по изученным озерам Кольского п-ва, Карелии, С-3 ETC бывшего СССР, Среднего Урала и Камчатки, отражает влияние как зональных (в целом в более теплых районах озера имеют больший коэффициент ' ' так 11 азональных факторов

(поде '"«лающих почво-грунтов и пород).

Поскольку амплитуда колебания уровня воды в озере - фактор наиболее комплексный, "подверженный влиянию целого ряда зональных, азональных и случайных факторов (таких, как переменный подпор), то сравнение коэффициентов полезной емкости озер разных регионов, нормализованных по амплитуде колебания уровня, т.е. приведенных к одинаковой величине амплитуды - 1м, позволяет количественно оценить разницу в величинах потерь стока на испарение и эаапотранспирацию между этими районами, выраженную в единицах измерения стока в зависимости от величины самого стока и показателя площади водоема.

Пространственная изменчивость поверхностного стока в одном районе не может быть обусловлена только разнообразием подстилающих грунтов и пород - определяющее влияние на пестроту стока оказывает пространственное распределение осадков внутри данного района. Зависимость ^у5ед=С(Куд), являясь

нормализованной не только по амплитуде, но и по стоку, т.к.

Куд = Кср/Мо, (3)

позволяет выделить однородный по потерям на испарение и эвапотранспирацию расчетный район. для которого параметры зависимости =ИКср) будут определяться только факторами

подстилающей поверхности. Отклонение точки от кривой зависимости (Куд), имеющей функциональную связь,

свидетельствует об отклонении величин испарения с озера и его водосбора, которому принадлежит точка, более чем на 10-14% от средней по району величине.

Временные колебания величин и ^уйед для района и

единичного озера рассмотрены за период с 1962 по 1969 годы на примере шести озер: Чудско-Нсковского и Выртсъярв, Самро, Сямозера, Ведлозера и Череменецкого. В условиях отсутствия переменного подпора в истоке из озера или возможности срезок подпорных уровней для отдельного озера существует четкая зависимость =Г(Кср,Ао), которая может быть пересчитана и представлена в виде Мо=Г(Кср,Ао). Последняя представляет собой своеобразную модификацию зависимости <}=ПН), имеющую третью переменную - амплитуду колебания уровня озера, появляющуюся у озер с показателем площади водоема Кср>0.05, вероятно, в связи с нарастающим, а затем и преобладающим влиянием потерь стока на испарение с водной поверхности.. С уменьшением расчетного периода: год, месяц, - вид зависимости М=Г(К,А) для отдельного озера также приобретает большее сходство с кривой расходоп.

По второй глапе дается подробное описание методики

районирования коэффициента полезной емкости озер для территории Эстонии, проведенной с использованием данных по малоизученным в гидрологическом отношении озерам Эстонии, т.к. данных .по изученным озерам недостаточно. В результате анализа данных по 290 малоизученным и неизученным озерам Эстонии, собранных автором в научной и справочной литературе, систематизированных по целому ряду параметров и характеристик, таких как принадлежность к орографическому району, высота над уровнем моря, генезис, морфометрия (плоцадь озера и водосбора, средняя и максимальная глубина), подстилающие ложе и окружающие грунты, принадлежность к речному бассейну, наличие подпорных явлений в истоке из озера и т.д., было отобрано 12 озер с наиболее достоверными данными , по многолетнему стоку из них и амплитуде колебания уровня, а также определены наиболее характерные (фоновые) для Эстонии подстилающие почпо-грунты.

Далее методика заключает в себя следующие этапы:

1. построение районной фоновой кривой ^уб=Г(Кср) с учетом факторов завышения и занижения стока и амплитуды колебания уровня воды);

2. пересчет кривой ^уй=ПКср) в номограмму Мо =Г(Ао,Кср); определение значения ^уЗо для Кср=0, как коэффициента

полезной емкости участка речного русла, занятого существующий озером в предположении его отсутствия, для фонового фактора подстилающей поверхности по формуле:

Ар-Гр-1000

У5о = ------------у (4)

Мр'ГвД'То

где ~ коэФФиЧие|,т полезной емкости речного русла на

участке, занятом озером;

Ар.Мр - соответственно амплитуда (м) и сток (л/с км2) п расчетном створе реки; То - продолжительность расчетного периода, млн.сек; Рвд - площадь водосбора в расчетном створе, км2; Fp - площадь поверхности реки iKM2) на участке, занятом озером, равная

Fp = L03 Wp, (5)

где Los - длина озера, км;

Wp - средняя ширина реки на участке. занятом существующим озером, км; 4. расчет Ao=f(Mo) для К=0 во всем интервале изменения Мо по рассматриваемому району.

Используя описанную методику, получены фоновые номограммы для Эстонии, Кольского п-ва, Карелии и С-3 ETC бывшего СССР.

Влияние факторов подстилающей поверхности (карста, рыхлых грунтов, заболоченности, подпорэ в истоке из озера) оценено как отклонение от установленного регионального фона-.

- песчаные грунты озер с неразвитой речной сетью (озера прибрежного и остаточного типов, конечных морен и термокарстовне) и карстовые явления зоны поглощения стока занижают расчетную региональную норму на 25-30% :

- песчаные грунты озер с развитой речной сетью (озера погребенных долин, флювиогляциальных потоков) увеличивают сток относительно регионального фона на 60-65%;

- степень завышения региональной нормы стока в зоне разгрузки карстовых вод осталась неоценённой. но ее нижней границей может служить величина завышения стока, характерная для озер погребенных долин и флювиогляциальных потоков;

- переменнып подпор и карстовые явления зоны поглощения стока

снижают фоновую норму стока в среднем на 25-30%.

Для озер прибрежного и остаточного типои, конечных морен и ■рмокарстоных, а также заболоченных озер этих типов с площадями ■досборов меньше 5 км2 получена зависимость снижения стока из lepa от величины показателя площади Кср.

Общая точность метода 'составляет п среднем 10% при оценке !личины стока по известной амплитуде и 12% при оценке ампли-гды по известной величине стока.

Третья глава посвящена поиску зависимостей, по которым >жно определить амплитуду колебании уровня воды эстонских ¡ер, имея данные об их средней глубине, типу происхождения, здстилающих грунтах и породах, принадлежности к орографическому 1и ландшафтному району, характере колебания грунтовых вод.

Тенденция увеличения средних и максимальных 'глубин озер с лсотой местности прослеживается до отметок 110-120 м, т.е. на эрритории всей низменной части Эстонии, включая самую низкую з возвышенностей - Пандиверскую. Объясняется такая тенденция иеной типов озер по происхождению с увеличением высоты с положения: от плоских прибрежных и пойменных блюдец до самых пубо^их в условиях Эстонии озер погребенных долин и конечных эрен, расположенных в подавляющем большинстве на

озвышенностях.

На высоте склонов основных эстонских возвышенностей: 20-150 м, - резко сокращается как количество озер (из ассиатриваемых 300 их 12), так и их размеры, что связано со ложностью образования отрицательных форм рельефа на склонах, ыше, на" платообразных вершинах возвышенностей, услопия для бразоаания озер вновь более подходящие и их становится больше, х глубины также увеличиваются.

Общей зависимости амплитуды колебании уровня от пысоты их положения и средней глубины не наблюдается. Записимость амплитуды колебания уровня от средней глубины озера обнаругчвается при разделении озер но типам их происхождения н выделении внутри каждого типа опер . с одинаковыми подстилающими грунтами. Для озер погребенных. долин, расположенных на возвышенностях и имеющих рыхлые песчано-гравелистые грунты в качестве подстилающих, прослеживается обратная зависимость амплитуды колебания уровня иод от средней глубины озера. Это объясняется тем, что чем глубже озеро, расположенное в песчано-гранелистых отложениях", тем больше его врез в водообильные слои, тем стабильнее грунтовый сток из этих слоев, тем меньше амплитуда колебания уровня воды в водоприемнике. Заметное повышение стабильности грунтового питания отмечается у озер со средней глубиной более 4 метров.

Для прибрежных и остаточных озер с подстилающими ичпест-няковыми породами зависимость амплитуды колебании уроння поды от средней глубины имеет прлмопропорциональную зависимость, что является следствием высокой трешиноплтости поверхности известняков, и увеличение глубины чаши озера по.чполяе! увеличить амплитуду колебания уровня его поды.

В смешанных подстилающих грунтах, содержащих и глинисты! фракции, В1/Д зависимости предстппляег результат наложения "дну: вышеописанных с результирующим наклоном, определяемы! преобладающим содержанием того или иного грунта или породы.

Сравнение с аналогичными зависимостями по грунтовым водам амплитуды колебания уровня грунтовых под от глубины и залегания, - дало интересный рсчультнт. Зависимости известняковых породах и песчано-гранелистых ■ручтях совпали озерными и тех же грунтах.

Для известняка зависимость может быть представлена уравнением (г=0.83):

А = 0. 505h + 0.29, . (6)

где А - амплитуда колебания уровня озера или грунтовых вод, м; h - средняя глубина озера или зеркала грунтовых вод от поверхности, м. Для песчано-гравелистых отложений зависимость (г=0.92) обратно пропорциональная:

А = 1.88 - О.ЗЬ, (7)

где h принимает значения от 0 до 4 м, и

А = l.l - O.llh (8)

при h свыше 4 м. Обе зависимости действуют на всей территории Эстонии. Для смешаных грунтов и пород полученные две зависимости А = f(h), действующие в разных частях Эстонии, имеют весьма приближенный характер (г=0.б3 и 0.60).

В заключении перечислены основные результаты проведенных исследований, приведенные в конце каждой главы.

ВЫВОДЫ

На основании полученных результатов сделаны следующие выводы.

1. Территориальная и временная изменчивость коэффициента полезной емкости озер позволяет производить раздельную оценку зональных и азональных ее составляющих для озер любых размеров, происхождения и географического положения.

2. Зависимость нормированного коэффициента единичной емкости

ед, соответствующего 1-метровой призме слива, от нормированного по величине стока показателя площади водоема

(Кср/Мо) является критерием однородности по зональной неличине потерь стока на испарение с водной поверхности и водосбора как по территорий (для расчетного района), так и во времени (для конкретного расчетного озера)..

Зависимость f(Кср) , построенная по двум или

нескольким районам, позволяет определить нормированною разницу в потерях стока на испарение с поверхности озера и его водосбора между этими районами.

3. Коэффициент полезной емкости озер япляетсн универсальным

гидрологическим параметром, который может быть пол • м.-н в основу определения понятия сточного озера, независимо от его размеров, географического положения и происхождения. Для бессточных озер этот параметр не определяется.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ведом P.M. Озеро как стокомер.//Сб.тезисов "Проблемы и пути рационального использования природных ресурсов и охрана природы"// Вильнюс, 1986.

2. Vedom R. The hydrological and hydrochemica1 features of the water regimes of swamped and drainaged small watersheds// BIOGEOMON and WORKSHOP on Integrated Monitoring/ Czech Geological Survey/ Prague. - 1993.

3. Vedom R; Global regularity of lake adjustment// Annales Geophysicae/ Suppl.vol./ Hamburg. - 1995.

4. Vedom R. Estonian lakes: origin and water regime.//Estonian Marine Academy/ Tallinn. - 1995.

5. Vedom R. Estonian lakes: water level altitude depcncmnce on the ground water table fluctuation.// SOLUTIONS'95

1 nt e rn , Congr . XXVI / Intern. Assoc .Hydrogen I , / Mlurtn. - 1405.