CC BY
179
№ 316
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Ноябрь
2008
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 556.5(1/9)
И.П. Вершинина ХАРАКТЕРИСТИКА ГОДОВОГО СТОКА РЕК КУЗБАССА
Приведена характеристика годового стока и его внутригодового распределения для рек Кузбасса с учётом данных за последние двадцать лет. Предложено районирование территории по условиям формирования речного стока. Построены карты изолиний стока и коэффициента изменчивости. Дана оценка применимости карт в различных створах любых рек Кузбасса при недостаточности или полном отсутствии системных гидрометрических наблюдений.
На VI Всероссийском гидрологическом съезде 2004 г. (Санкт-Петербург) был представлен СП 33-101-2003, который не сопровождался расчетными гидрологическими картами и номограммами [1]. При отсутствии или недостаточности гидрологической информации специалисты обращаются к картам изолиний гидрологических величин, опубликованным более чем 20 лет тому назад [2]. Одной из целей данной работы являлось получение уточнённых карт изолиний стока и коэффициента изменчивости для рек Кузбасса с использованием новых данных за последние два десятилетия.
В административном отношении рассматриваемая территория относится к Кемеровской области. В ее пределах насчитывается 21366 рек общей протяженностью 76479 км, которые относятся к бассейну реки Оби. Крупными реками области являются Томь, Кия, Яя, Чулым и Чумыш. Общий объем стока поверхностных вод Кузбасса равняется 40,3 км3 в год. Основная его масса - 37,4 км3 - формируется в пределах территории области, а 2,9 км3 - за счет притока из соседних областей и краев [3].
Реки горной части Кузбасса (средняя высота водосбора рек более 500 м) берут свое начало на склонах Кузнецкого Алатау и Горной Шории. Представляют собой типичные горные с быстрым течением и большой прозрачностью водотоки, с порожистым и сложенным валунами руслом. Они текут с юга на север. Долины их - узкие скальные ущелья, преимущественно ящикообразные, местами V-образные. Ширина долин в верховьях 0,2-0,6 км, в низовьях - до 9 км. Для многих долин характерно наличие пойм. Русла рек устойчивые, слабоизвилистые [4]. На территории Кузнецкой котловины, в низинном районе, высота водосбора рек менее 500 м, реки приобретают типичный равнинный облик. Течение спокойное, большая извилистость русла, наличие островов, осередков. Поймы малых и средних рек нередко заболочены.
Сток рек зависит от физико-географических факторов (климата, орографии, экспозиции склонов, ориентации бассейнов относительно направления воздушных масс, средней высоты водосборов). По данным сети наблюдений Росгидромета годовые нормы осадков на севере Кузбасса наименьшие - 476 мм/год (г. Кемерово), а на склонах Кузнецкого Алатау наибольшие - 1176 мм/год (п. Центральный Рудник) [5]. Метеостанции расположены чаще всего в долинах рек на более низких высотах, чем высоты водосборов горных
рек и склонов, где происходит формирование стока, и не фиксируют реальную величину стокообразующих осадков. Доказательством служат величины слоя годового стока: минимальная - 82 мм/год на реках равнинной северной части территории (р. Лебяжья - п. Безме-ново), а максимальная - 1408 мм/год на реках, берущих начало на западных склонах Кузнецкого Алатау (р. Н. Терсь - п. Пезас). В горных районах сток рек превышает годовую сумму измеренных там осадков. Помимо поверхностного стока, осадки расходуются на испарение, пополнение запасов подземных вод, а твердые задерживаются ледниками и снежниками, которых насчитывается в Кузбассе 91, общей площадью 6,75 км2 [6].
По классификации П.С. Кузина реки исследуемой территории относятся к рекам с весенним и весеннелетним половодьем и паводками в теплое время года [7]. Сроки наступления весеннего половодья на реках Томь, Чулым, Кия, Яя и их притоках варьируют в значительных пределах. Вскрытие рек ото льда продвигается с юга на север. Обычно начало половодья приходится на вторую декаду апреля на севере и в конце третьей декады апреля - начале мая на северо-востоке. Окончание половодья в среднем наблюдается в июне -начале июля. Основным источником питания рек в период половодья являются талые воды, а за счет выпадения жидких атмосферных осадков увеличиваются его объем и продолжительность. Во время снеготаяния большое количество воды аккумулируется в бессточных емкостях на поверхности бассейна (озера, верховые болота, локальные понижения на поверхности водосборов, приустьевые участки рек). Накапливание воды происходит и в недрах земли. Подземные водоносные горизонты залегают в закарстованных, трещиноватых породах в Горной Шории и на склонах Кузнецкого Алатау, а в равнинной части территории - в рыхлых осадочных породах. За счет сработки этих запасов и выпадающих в период половодья осадков поддерживается высокая водность рек в течение длительного времени, поэтому половодье имеет большие объемы и продолжительность. На продолжительность половодья также влияют подпорные явления со стороны рек-водоприемников. Сток половодья составляет 6590% годового.
После прохождения половодья на всех реках территории устанавливается летне-осенняя межень продолжительностью с середины июня - начала июля до конца октября - начала ноября, межень нарушается дож-
девыми паводками. В эту фазу гидрологического режима питание рек происходит за счет атмосферных осадков и подземного стока. Величина подземного притока незначительна и составляет 2-10% годового стока. Доля дождевой составляющей снижается с юга на север и варьирует в пределах 30-5%. Наименьшие расходы за период летне-осенней межени наблюдаются в августе - сентябре [8].
Зимняя межень, начало которой определяется по дате появления устойчивых ледовых образований на реках, устанавливается в середине или конце ноября -начале декабря и продолжается до начала подъема половодья. Водный режим рек в период зимней межени находится в тесной связи с режимом грунтовых вод и ледовым
режимом на реках. Наименьшие расходы воды наблюдаются в конце зимней межени, поэтому зимний сезон считается для гидроэнергетики лимитирующим. На зимний сток приходится от 3 до 10% годового объема.
Для характеристики внутригодового распределения стока в районах, имеющих относительно однородные условия его формирования, рассмотрим внутригодовое распределение стока репрезентативных рек [9]. Выбранные реки имеют с другими реками однородного района коэффициент парной корреляции годового стока выше 0,6. Распределение стока по сезонам года количественно характеризуется долей стока данного сезона в общем объеме стока за год. Расчет внутригодового распределения стока проводился методом компоновки (таблица).
Внутригодовое распределение стока по сезонам, % от годового стока заданной обеспеченности
Группа водности Весна Лето -осень Зима Весна Лето -осень Зима Весна Лето -осень Зима Весна Лето -осень Зима
р. Лебяжья - п. Безменово (район 1а) р. Тяжин - п. Старый Тяжин (район - 1б) р. Кондома -пгт. Кондомское (район - II) р. Уса -г. Междуреченск (район - III)
25% 90 7 3 83 14 3 70 26 4 67 28 5
50% 91 6 3 79 17 4 74 23 3 67 28 5
75% 93 5 2 83 12 5 79 18 3 65 29 6
Для большинства рек исследуемой территории максимальный сток в период весеннего половодья приходится на апрель, однако на некоторых реках, например Тельбес, Кабырза, Мрас-Су, Уса наблюдается в мае. Практически на всех реках заметно увеличение стока в сентябре - октябре, что связано с выпадением дождей. В разные по водности годы наблюдается незначительное (1-3%) перераспределение стока между сезонами. Внутригодовое распределение стока транзитных рек (Томь, Чулым, Кия, Иня), который формируется в разных ландшафтных зонах, отличается от распределения стока средних и малых рек.
За период наблюдений на реках Кузбасса были отмечены многоводные (1937, 1941, 1960, 1966, 1969, 1985, 1988) и маловодные годы (1967, 1968, 1981). Для
характеристики водности рек используется разностная интегральная кривая, показывающая изменение во времени нарастающей суммы отклонений гидрологической характеристики от её среднего значения (рис. 1), нормализованной по коэффициенту вариации Су. Длительность маловодных и многоводных периодов на реках Кемеровской области различна, например за время наблюдений с 1957 по 2000 г. на р. Лебяжья (п. Безменово) можно выделить многоводный (19571978 гг.), маловодный (1979-1988 гг.) и снова многоводный (1989-2000 гг.) периоды.
Величина годового стока и его временные колебания зависят ни только от широтной зональности, но и от высотной поясности в горной части области (Сала-ир, Горная Шория, Кузнецкий Алатау).
вит(КМ)/Су
■р.Уса-г.Междуреченск ш р.Тяжин-п.Старый Тяжин А р. Лебяжья-п. Безменово X р.Кондома - пгт. Кондомское
Рис. 1. Разностные интегральные кривые стока репрезентативных по районам рек: 1а - р. Лебяжья (п. Безменово);
1б - р. Тяжин (п. Старый Тяжин); II - р. Кондома (пгт. Кондомское) и III - р. Уса (г. Междуреченск)
На основании расчета средней многолетней величи- рии, реки Кузбасса сгруппировали следующим образом:
ны модуля стока, внутригодового распределения стока, с !а - реки равнинной части с истоком в Кузнецкой котло-
учетом физико-географических особенностей террито- вине и !б - реки, берущие начало с восточных склонов
Кузнецкого Алатау (модуль стока до 10 л/(с-км)); II -реки склонов Горной Шории и Абаканского хребта (модуль стока до 25 л/(с-км2)); III - реки, берущие начало на западных склонах Кузнецкого Алатау (модуль стока до 40 л/(с-км2) и более. Ниже представлены карты изолиний среднего многолетнего модуля стока (рис. 2) и коэффициента его вариации (рис. 3) для территории Кузбасса, включающей Кузнецкую котловину, окаймленную с запада Салаирским кряжем, с юга Горной Шорией и с востока - Кузнецким Алатау.
Карта изолиний (рис. 2) построена на основе данных о среднемноголетнем годовом стоке рек в более чем 40 гидрометрических пунктах с периодом наблюдений до 2000 г. включительно с площадью водосбора до 10000 км2 на равнине и до 2000 км2 в горах [10]. Методика определения среднего многолетнего модуля
годового стока по карте для неизученных или слабо-изученных рек проста и состоит из следующих шагов:
1) оконтурить территорию бассейна реки до нужного пункта;
2) вычислить искомую величину как средневзвешенное по выделенной площади;
3) для получения величины расхода воды пользоваться формулой перехода от модуля стока к расходу воды.
Величина среднего многолетнего годового модуля стока q, л/(с-км2) уменьшается с юга на север от 20 до 5 л/(с-км2) и с востока на запад - от 40 до 3 л/(с-км2). Снятые с карты значения модуля стока для неизученных рек с площадью водосбора 200-1000 км2 требуют введения поправочного коэффициента 0,90, а с площадью 1000-3000 км2 - 1.
Рис. 2. Изолинии среднего многолетнего модуля годового стока рек Кузбасса, л/(с-км )
Рис. 3. Изолинии коэффициента вариации годового стока рек (Су) Кузбасса
Для сопоставления многолетних колебаний стока по территории ординаты разностной интегральной кривой нормализуют по коэффициенту вариации Су (рис. 3), характеризующему многолетнюю изменчивость стока. Ошибка определения значений Су, использованных при построении карты изолиний, не превышает 10-15%.
По Кузбассу коэффициенты вариации меняются неравномерно, увеличиваясь с юга на север до г. Белово от 0,20 до 0,55, а затем уменьшаясь до 0,30. Прослеживается увеличение коэффициента вариации с востока на запад в центральной части области от 0,20 до 0,55. Объясняется такая закономерность географическим
положением территории, наличием на западе засушливой области (Ленинск-Кузнецкий, Гурьевский, Белов-ский и Прокопьевский районы) и характером распределения атмосферных осадков. Определение значений коэффициента вариации можно проводить по формуле
(1)
Су = 0,56 • М~0,28 • (Е +1000)-0,02 ,
где Су - коэффициент вариации; М - норма годового стока, л/(с-км2); Е - площадь водосбора, км2.
Ошибка определения коэффициента изменчивости по формуле (1) не превышает 7%. Коэффициент асимметрии при расчетах среднегодовых расходов заданной
вероятности превышения (обеспеченности) для рек Ини, Чулыма следует принимать равным Су, а для рек бассейна Томи - 2Су.
Темпы развития западно-сибирских регионов в последнее время возрастают. Возникает необходимость в дальнейшем освоении и использовании природных ресурсов в
слабоизученных в гидрологическом отношении районах. При проведении различного рода изысканий под хозяйственные проекты, использующие или влияющие на водные ресурсы и требующие знания количественных характеристик стока, можно использовать предложенные карты для любого створа, расположенного на территории Кузбасса.
ЛИТЕРАТУРА
1. Определение основных расчетных гидрологических характеристик СП 33-101-2003. М.: Государственный комитет РФ по строительству и
жилищно-коммунальному комплексу (Госстрой России), 2004. 73 с.
2. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик: Атлас расчетных гидрологических карт и номограмм. Приложение 1.
Лист 1, 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 448 с.
3. Водные ресурсы. Режим доступа: http://www.kuzbass.ws/main.php?act=text&theme=vodn_resurs&file=text/vodn_resurs/1.html
4. Гвоздецкий Н.А., Михайлов Н.И. Физическая география СССР. Азиатская часть. М.: Высшая школа, 1987. С. 276-281.
5. Справочник по климату СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. Вып. 20, ч. IV. С. 146-147.
6. Водные ресурсы. Режим доступа: http://www.kuzbass.ws/main.php?act=text&theme=vodn_resurs&file=text/vodn_resurs/2.html
7. Кузин П.С., Бабкин В.И. Географические закономерности гидрологического режима рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. С. 120.
8. Ресурсы поверхностных вод СССР (за 1963-1970 гг.) / Главное управление гидрометеорологической службы при Совете министров СССР.
Л.: Гидрометеоиздат,1975. Т. 15, вып. 1: Верхняя и средняя Обь. С. 9-16.
9. Земцова В.А. Ресурсы поверхностного стока в бассейне Оби: основные закономерности и проблемы управления: Автореф. дис. ... д-ра гео-
граф. наук. Барнаул, 2004. 35 с.
10. Основные гидрологические характеристики (за 1971-1975 гг. и весь период наблюдений). Л.: Гидрометеоиздат, 1979. Т. 15, вып. 1: Верхняя и Средняя Обь.
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 9 сентября 2008 г.
