CC BY
100
УДК 556.5.072, 556.16.048 Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2014. Вып. 4
Т. А. Виноградова, Г. В. Пряхина, Г. И. Мосолова
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛЕВОЙ ГИДРОЛОГИИ И ОРГАНИЗАЦИИ КОМПЛЕКСНЫХ ЭКСПЕДИЦИОННЫХ РАБОТ НА ГОРНЫХ ВОДОСБОРАХ
Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9
В статье рассмотрены методические основы полевой гидрологии. Под «полевой гидрологией» понимаются специальные исследования, организуемые и проводимые в полустационарных и экспедиционных условиях. Представлены основные виды исследований, которые могут выполняться в полевых условиях. Отмечено, что полевые исследования процессов формирования стока на водосборе с дальнейшим использованием полученных данных при моделировании должны включать весь комплекс гидрометеорологических наблюдений, ландшафтные описания, исследование водно-физических свойств почв. Данные методические подходы были апробированы в ходе полевых работ, проводимых факультетом географии в рамках комплексных экспедиций 2010-2013 гг. в Алтае-Саянском регионе. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: водосбор, полевая гидрология, комплексные исследования, моделирование стока, водно-физические характеристики почво-грунтов.
METHODOLOGICAL ASPECTS OF FIELD HYDROLOGY AND ORGANIZATION OF INTERDISCIPLINARY EXPEDITIONS ON MOUNTAIN CATCHMENTS
T. A. Vinogradova, G. V. Priakhina, G. I. Mosolova
St. Petersburg State University, 7/9, Universitetskaya nab., Saint-Petersburg, 199034, Russian Federation
The paper is focused on the methodological aspects of field hydrology. Field hydrology is defined as special studies that are organized and conducted in semiportable and expeditionary conditions. Main types of the field hydrological studies are discussed. It was shown that field research on runoff formation processes for further use of results in hydrological modelling should include set of hydrometeorological observations, landscape descriptions and studies of physical soil properties. Those methodological approaches were tested in course of the field work conducted by faculty of Geography in the frame of interdisciplinary expeditions in 2010-2013 in Altai-Sayans region. Refs 4.
Keywords: catchment, field hydrology, interdisciplinary expeditions, runoff modeling, physical soil properties.
Полевые науки имеют дело с изучением природных процессов в местах их проявлений. Именно поэтому полевая гидрология является той эмпирической основой, на которой строится фундаментальная, а следовательно, опосредованно и прикладная гидрология. Возникает вопрос: а какой должна быть структура полевой гидрологии и что определяет эту структуру? Ответ однозначен — сама природа и наше умение чувствовать её, ощущать её проявления, научиться понимать её, классифицировать и описывать, в том числе с помощь математических моделей.
С полевой гидрологией обычно связывают профессиональную деятельность гидрологов, которая совершается за стенами научно-исследовательских и учебных институтов непосредственно при общении с природой. Целью таких гидрологических исследований является проведение измерений, а также наблюдения и систематизация данных о гидрологических объектах, явлениях и процессах, наблюдаемых в природе. Полевая гидрология такого типа является основным источником наших представлений и всей первичной информации о гидрологическом мире во всех его
подробностях. Существуют три источника получения гидрометеорологических данных.
Основной источник — это государственная стационарная сеть стандартных метеорологических и гидрологических станций и постов. Второй источник информации — это малая государственная сеть воднобалансовых (стоковых) и болотных станций, а также так называемых «парных» водосборов (лесных и полевых, расположенных поблизости друг от друга). Принципиально иным источником научной гидрологической информации являются специальные экспедиционные исследования, обычно преследующие одну из двух целей:
• наблюдать в естественных природных условиях за некоторыми тонкостями и оттенками плохо изученных сторон гидрологических процессов, что часто оказывается необходимым для адекватного построения некоторых элементов математических моделей формирования стока или опасных гидрологических явлений;
• обследовать районы бедствия после прохождения особо крупных катастрофических явлений, что постепенно увеличит полноту знаний о последних.
Часто возникает потребность в проведении полевых работ в сугубо утилитарных целях, например:
• получить полезную или, более того, необходимую информацию о конкретных объектах для обеспечения нужд строительного проектирования, детально ознакомиться с особенностями территории, где предстоят большие строительные или иные работы;
• организовать специфические наблюдения на этих объектах за развитием опасных гидрологических процессов и явлений в целях их прогнозирования и заблаго-временности предупреждения;
• провести специальные наблюдения для получения или уточнения параметров и характеристик используемых моделей.
Полезно обратить внимание на тот факт, что полевая гидрология является не только единственным источником всех необходимой для науки и практики информации, но она также даёт возможность оценить правильность и эффективность методологий, разрабатываемых фундаментальной гидрологией. Таким образом, под «полевой гидрологией» будем понимать специальные исследования, организуемые и проводимые в полустационарных и экспедиционных условиях.
Полевая гидрология является неотъемлемой частью гидрологии, ее естественным началом. Можно высказать следующее принципиально важное утверждение: любой профессионально подготовленный инженер-гидролог знает, что когда дело касается конкретного проектирования, а затем и строительства объектов, имеющих несомненную прямую связь с гидрологией, ни в коем случае нельзя ограничиваться только использованием разного рода сведений, полученных из опубликованных или иных материалов и документов. Обязательным условием, которое, к сожалению, всё же нередко нарушается, является ознакомление с местоположением объекта (или объектов) проектирования и вообще с гидрологическими и другими природными особенностями территории, связанной с его (их) функционированием. Более того, все положенные работы следует начинать с рекогносцировочного, а затем и специализированного обследования окружающей местности. Данное условие становится жизненно важным в случае, если объект проектирования находится в зоне развертывания опасных гидрологических явлений.
При организации полевых исследований важно понимать, что успешность и целесообразность подобных работ заключается в обязательном сочетании теории, наблюдения, эксперимента, моделирования. Рассмотрим основные виды исследований, которые могут выполняться в полевых условиях в зависимости от поставленной цели исследования [1].
Визуальные наблюдения. Они необычайно важны, особенно тогда, когда проводятся теми же людьми, которые будут использовать в расчетах или математически моделировать. Созерцание развертывания процессов гидрологического цикла постепенно формирует представление об изучаемых явлениях. Например, многие гидрологи пытаются описать с помощью различных вариантов дифференциальных уравнений сохранения массы и импульса некое сплошное или струйчатое стекание воды по склонам. Какие визуальные наблюдения положены в основу такой акции? Может быть, стекание воды по асфальту? На самом деле поверхность бассейна представляет собой систему стоковых элементов — ограниченных микроводоразделами участков водосбора, обращенных своей открытой «водосливной» частью к склоновой ручейковой сети. Для стоковых элементов отток из них нелинейно связан с объемом воды, аккумулированной его емкостью. Математическое описание процесса стекания принимает совершенно иной характер. Стоковые элементы легко наблюдаются в природе, но еще почти не являлись объектом экспериментальных исследований.
Стандартные наблюдения на специфических объектах. Это, видимо, самый распространенный вид полевых гидрологических исследований. В качестве специфических объектов могут выступать площадки, лизиметры и особенно малые водосборы, иногда репрезентативные, иногда с экзотическими ландшафтами, иногда экспериментальные, находящиеся в специально измененном состоянии (например, с уничтоженной растительностью).
Специальные исследования. Они расшифровывают некоторые принципиальные аспекты гидрологических процессов. В этом случае очень важно соблюдать определенную последовательность действий: постановка вопроса, планирование и проведение наблюдений или эксперимента, интерпретация результатов наблюдений или эксперимента, проведение расчетов на математической модели, подтверждение или опровержение поставленного вопроса или теории. Можно привести пример вопросов, ответы на которые могут дать специальные исследования.
• Как влияет уклон на скорость добегания, на испарение, на теплообмен, на интенсивность эрозии?
• Как интерпретировать результаты исследований изотопного состава вод в различных фазах водного режима реки?
• Какова доля участия различных слоев почвы в суммарном испарении?
• Становится ли тающий снег «суше» или «мокрее» в результате испарения?
Полевые эксперименты. В качестве реализованного примера активного гидрологического эксперимента в природе можем назвать искусственное воспроизведение естественных грязекаменных потоков в естественном селевом очаге. Серия таких экспериментов была проведена в 1972-1976 гг. в бассейне р. Чемолган (хребет Заилийского Алатау близ Алма-Аты). Максимальные размеры попусков воды из специально сооруженного в горах водохранилища характеризуются следующими цифрами: 41 000 м3 и 28 м3/с, а полученных грязекаменных потоков — 136 000 м3
и 430 м3/с. Плотность потока достигала 2300 кг/м3. Проведение подобного эксперимента не только раскрыло глаза на многие стороны формирования этого всегда неожиданного, а поэтому почти ненаблюдаемого природного явления, но и позволило построить математические модели селевых процессов.
Полевые исследования процессов формирования стока с дальнейшим использованием полученных данных при моделировании должны планироваться для некоторого водосбора, выбор которого определяется следующими соображениями:
• репрезентативность;
• однородность поверхности;
• постоянство условий формирования стока;
• четкая выраженность водораздельной линии (в случае выявления даже незначительных неопределенностей от водосбора следует немедленно отказаться);
• возможность надежного измерения стока (в месте будущего гидрометрического створа желательно отыскать естественный, хотя бы и небольшой, перепад отметок дна).
Репрезентативными принято называть водосборы малых рек, типичные для того или иного гидрологического режима. В качестве репрезентативных естественнее всего использовать элементарные водосборы или небольшую группу последних, составляющих малый бассейн более высокого порядка, чем единичный. Оптимальные размеры репрезентативных бассейнов, несколько зависящие от характера рельефа, таковы: 0, 1-1,00 км2. В исключительных случаях эти границы могут быть изменены, но не более чем на порядок в ту или иную сторону. Элементарные водосборы как объекты наблюдений и исследований для решения фундаментальных задач гидрологии имеют целый ряд преимуществ:
• обычно они более или менее однородны по стокоформирующим свойствам, что в конечном счете дает возможность приписать полученные оценки параметров модели определенному ландшафту;
• один осадкомерный пункт, расположенный в пределах элементарного водосбора или рядом с ним, дает необходимую и достаточную метеорологическую информацию;
• температуру и влажность почвы можно достаточно надежно оценивать по данным двух-трех измерительных пунктов;
• сток с элементарного водосбора может быть измерен с высокой точностью;
• искажение режима стока на элементарном водосборе вследствие руслового регулирования минимально.
Результаты наблюдений на малых водосборах с различными климатическими, рельефными, ландшафтными и прочими условиями позволят получить ряд параметров моделирующей системы для дальнейшего использования их при расчетах на более крупных водосборах.
Основы организации комплексных полевых работ на горных водосборах по изучению процессов формирования стока
Особенность формирования стока в горных условиях заключается в наличии значительного уклона поверхности водосбора и широкого диапазона высот. Разнообразие ландшафтов в структуре высотной поясности горных водосборов опреде-
ляет различные условия формирования стока даже в пределах небольших по площадям водосборов. Например, р. Восточный Мугур, протекающая в пределах горного массива Монгун-Тайга, расположенного на стыке Алтая и Саян, имеет длину 3 км и площадь водосбора 14,5 км2. Однако в пределах водосбора находятся ледник, злаковые тундры, степи, лесные участки. Для равнинных водосборов подобных размеров в ненарушенном состоянии такое разнообразие — редкость. Хотелось бы обратить внимание на принципиальное влияние уклона на стоковые процессы в горах, что очень важно при совместном математическом описании переноса тепла и влаги. Оно основано на некоторых важных, хотя и тривиальных, фактах:
• действительная площадь соприкосновения подстилающей поверхности с атмосферой всегда больше своей горизонтальной проекции;
• движение водного потока в почве и рыхло обломочной горной породе осуществляется вертикально, в то время как поток тепловой энергии направлен перпендикулярно поверхности склона.
Кроме того, горные водосборы отличаются пестротой распределения осадков, что влечет за собой мозаичность почвенно-растительного покрова и неоднородность испарения и стока. В связи с этим при исследовании формирования стока с горных территорий с использованием математических моделей часто ощущается недостаток не только гидрометеорологической информации из-за редкой сети постов, но и информации о водосборе, которая в виде параметров СФК (стокоформирующий комплекс) вводится в модель. Эти обстоятельства могут быть учтены путем организации комплексных полевых исследований, включающих кроме гидрометеорологических наблюдений и ландшафтные описания, исследование водно-физических свойств почв. Ниже приведены основные этапы полевых исследований. Представленная методика была апробирована в ходе полевых работ, проводимых факультетом географии в рамках комплексных экспедиций 2010-2913 гг. в Алтае-Саянском регионе.
I. Предварительный анализ картографического материала и литературных данных по району исследований.
Предварительный (камеральный) этап проводится до начала полевых работ. Целью его является анализ имеющихся литературных данных о геологическом строении, характеристиках рельефа; анализ картографических материалов, почвенных, ландшафтных карт, космических снимков территории, гидрометеорологической изученности, наличия гидрологических и метеорологических постов и станций. Полученная информация позволит предварительно выбрать репрезентативные водосборы, наметить маршруты для ландшафтно-гидрологического обследования.
II. Полевые работы, в зависимости от поставленных задач, могут быть двух видов: наблюдения на репрезентативных водосборах и маршрутные ландшафтно-гидрологические обследования.
В состав работ на репрезентативном водосборе входят:
Рекогносцировочное специализированное обследование местности.
Рекогносцировочные обследования обусловлены необходимостью уточнения предварительно выбранных репрезентативных водосборов, в пределах которых назначается местоположение метеоплощадок, намечаются почвенные профили.
Проведение гидрометеорологических наблюдений и исследований с учетом специфики горных территорий.
Ландшафтные описания. Исследования водно-физических свойств почвы.
Маршрутные ландшафтно-гидрологические обследования проводятся в виде маршрутного исследования территории. Включают в себя визуальные наблюдения и простейшие измерения, ландшафтное и гидрографическое описание местности, что позволит в дальнейшем обобщить полученные данные для большей территории.
Проведение гидрометеорологических наблюдений и исследований в горах
Данные гидрометеорологических наблюдений в экспедиционных условиях могут быть использованы в процессе моделирования в качестве тестовых для водосборов, не имеющих стандартной гидрологической сети наблюдений. Кроме того, при сложной орографии горных территорий и редкой сети метеорологических станций одним из основных этапов работ является определение вертикальных и широтных градиентов метеорологических величин для отдельных экспозиций склонов и высотных интервалов. В летний период температура воздуха с высотой уменьшается в среднем на 0,5-0,9°С на 100 м. Однако градиенты могут значительно различаться в пределах одной горной системы. По данным З. А. Мищенко [2], на южном склоне Большого Кавказа в интервале высот 0,5-2 км градиент равен 0,6-0,7, а в слое 2-3 км — 0,45°С на 100 м. На Северном склоне в интервале высот 0,5-1,5 км температура растет на 0,5°С на 100 м, в интервале 1,5-3 км она уменьшается на 0,4-0,45°С на 100 м.
На распределение осадков влияет расположение склонов относительно влаго-несущих потоков, поэтому плювиографический градиент определяется с учетом экспозиции склонов по высотным интервалам. Высотный градиент для исследуемого водосбора оценивается следующим образом: а) с помощью расчетов коэффициента корреляции пары пунктов, один из которых является пунктом, где проводятся постоянные наблюдения, а второй — пунктом, организованным в период полевых исследований; б) путем группировки пунктов наблюдений в зависимости от высоты и экспозиции горных хребтов. Существенными факторами при выборе пунктов метеорологических наблюдений являются: размер полигона, его морфология, характер распределения растительности.
В связи с различным изменением температуры воздуха, атмосферных осадков в зависимости от экспозиции склонов, наветренных и подветренных участков, пункты наблюдений необходимо располагать следующим образом: у подножья, в середине и в верхней трети склонов разной экспозиции. В водосборном бассейне пункты располагаются у истока, в средней части и вблизи устья. Если есть возможность установить несколько автоматических метеостанций, то их следует размещать в различных ландшафтных условиях. Например: в зоне горно-таежных лесов в пределах долины, зоне альпийских лугов в пределах долины и т. д. по направлению влаго-несущих потоков.
Если речь идет о расположении только одной метеорологической площадки (автоматической метеостанции), она должна быть расположена в центральной части репрезентативного водосбора. В этом случае дополнительно рекомендуется проводить маршрутные съемки метеорологических показателей по характерным точкам.
В перечень наблюдаемых на метеорологической площадке (автоматической метеостанции) величин в обязательном порядке должны входить основные метеорологические характеристики: атмосферное давление, температура воздуха, парциаль-
ное давление водяного пара, суточная сумма осадков, скорость и направление ветра, а также температура и влажность почвы на различных глубинах.
Отличительной особенностью горных водосборов является присутствие значительных уклонов поверхности, что определяет, с одной стороны, высокие скорости течения в реках, а с другой — интенсивный рост уровня и расходов воды в период выпадения осадков. Кроме того, на изменчивость последних влияет поступление талых ледниковых вод в период абляции. В связи с этим методика измерения уровней и расходов воды на горных реках будет отличаться от методики для равнинных рек. Водомерные посты должны оборудоваться установкой самописца уровня воды для непрерывного наблюдения и контрольными водомерными постами для проверки связи уровней воды в реке и показаниями самописцев. На горных реках измерения расхода воды целесообразно проводить методом смешения или методом ионного паводка. Общими условиями для применимости метода смешения являются достаточно высокая турбулентность потока, обеспечивающая практически полное перемешивание вводимого в поток раствора с водой самого потока, отсутствие на участке между пусковым и измерительным створами мертвых пространств, разветвлений и глубоких ям.
Ландшафтные описания. Исследования водно-физических свойств почвы
Гидрологические расчеты и исследования процессов формирования стока посредством математического моделирования тесно связаны с ландшафтными исследованиями. Точки ландшафтных описаний и почвенные разрезы выбираются в местах, наиболее типичных для изучаемой территории, в отношении как рельефа, так и растительности с учетом особенностей формирования стока. Особая роль отводится описанию растительности и почвенного покрова. Описание растительных ассоциаций проводится по стандартной схеме. Описание почвенного профиля включает в себя определение характеристик почвенных горизонтов (цвет, механический состав, структура, сложение, плотность, влажность, новообразования). Объемная влажность почвы и температура почвы определяются портативным прибором Decagon 5TE, принцип работы которого основан на зависимости влажности почвы от диэлектрической проницаемости, инфильтрационные свойства поверхности — портативным дисковым инфильтрометром [3, 4].
Выводы
Специальные исследования, организуемые и проводимые в полустационарных и экспедиционных условиях, дают возможность оценить правильность и эффективность методологий, разрабатываемых фундаментальной гидрологией. При изучении процессов формирования стока с использованием комплексных моделей формирования стока часто необходимо проведение комплексных полевых исследований, особенно на горных водосборах. Это обусловлено недостатком не только гидрометеорологической информации (из-за редкой сети постов), но и информации о водосборе, которая в виде параметров стокоформирующих комплексов вводится в модель.
Полученные в полевых условиях результаты наблюдений (такие как коэффициент фильтрации почво-грунтов, значения сезонной затененности, альбедо
поверхности и др.) для различных климатических, ландшафтных и прочих условий позволят получить ряд обобщенных параметров моделирующей системы для дальнейшего использования их при расчетах на неизученных водосборах.
Представленные методические основы организации комплексных полевых работ на горных водосборах по изучению процессов формирования стока прошли апробацию в ходе полевых работ, проводимых факультетом географии в рамках комплексных экспедиций 2010-2013 гг. в Алтае-Саянском регионе. Полученные полевые данные позволили повысить точность результатов моделирования. Например, модельные эксперименты, проведенные для бассейна Амыл, показали, что детализация структуры водосбора (проведенная с учетом результатов полевых исследований) существенно влияет на качество моделирования. Так, среднее за период расчета значение критерия качества возросло с 0,65 до 0,70.
Работа была выполнена в рамках проекта РФФИ 13-05-00807-а 11-05-10056-к 1 2-05-1 0058-к.
Литературы
1. Виноградов Ю. Б., Виноградова Т. А. Современные проблемы гидрологии. М.: Изд. Центр «Академия», 2008. 320 с.
2. Мищенко З. А. Агроклиматология. Киев: Изд-во КНТ, 2009. 512 с.
3. White I., Zegelin S. J. Electric and dielectric methods for monitoring soil-water content /eds Wilson L. G., Everett L. G., Cullen S. J. Handbook of Vadose Zone Characterization and Monitoring. Lewis Publishers. 1995. 752 p.
4. Dane J. H., Topp G. C. Methods of Soil Analysis. Part 4 // Physical Methods Book Series. 2002. Vol. 5. P. 888-896.
Статья поступила в редакцию 28 июня 2014 г.
Контактная информация
Виноградова Татьяна Александровна — кандидат географических наук, доцент; [email protected]
Пряхина Галина Валентиновна — кандидат географических наук, доцент; [email protected] Мосолова Галина Ивановна — кандидат географических наук, доцент; [email protected]
Vinogradova T. A. — Candidte of Geographic Sciences, Associate Professor; [email protected] Priakchina Galina V. — Candidte of Geographic Sciences, Associate Professor; [email protected] Mosolova Galina I. — Candidte of Geographic Sciences, Associate Professor; [email protected]
