ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ТАЛОГО СТОКА В ВЕРХОВЬЯХ Р. ЕСИЛЬ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология №4 2020

УДК 502

М.Ц. Лю1 А.О. Домран1 Н.У. Кужагельдина1 А.А. Болатова1 Н.Т. Сершбай1

ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ТАЛОГО СТОКА В ВЕРХОВЬЯХ Р. ЕСИЛЬ

Ключевые слова: потери стока, осеннее увлажнение, запасы воды в снежном покрове или снегозапасы, слой стока весеннего половодья

В статье приведена краткая характеристика бассейна и описаны условия формирования весеннего стока р. Есиль - с. Турген. Проанализированы зависимости весеннего стока р. Есиль -с. Турген от величины снегозапасов, от величины осеннего увлажнения и от других факторов. Рассчитаны общие потери влаги в предпаводочный период. Выявлена закономерность изменения величины потерь стока от, имеющихся на момент прогноза, фактических метеорологических параметров. Даны рекомендации по расчету потерь при прогнозировании стока весеннего половодья р. Есиль - с. Турген для двух вариантов, первый - когда прогноз составляется в начале февраля и второй - в начале марта.

Бассейн реки Есиль относится к районам резко выраженного недостаточного увлажнения. Поверхностный сток в пределах бассейна формируется исключительно за счет талых снеговых вод. В связи с этим, основным фактором формирования весеннего стока на рассматриваемой территории является снежный покров. Однако в ряде случаев величина весеннего стока в большей степени определяется другими факторами, в частности, потерями талых вод на фильтрацию в почву, зависящими от состояния почвы к началу снеготаяния (ее увлажнения и промерзания), и отчасти интенсивности снеготаяния. Величина потерь при этом изменяется от года к году в значительно больших пределах по сравнению с величиной снегозапасов. Этим и объясняется существенная роль потерь в формировании весеннего стока реки Есиль.

1РГП "Казгидромет", г. Алматы, Казахстан. 154

Потери талых вод на водосборах равнинных рек Казахстана слагаются из потерь на испарение со снега за время его таяния и с воды за время ее стекания по склонам и в русле, из потерь талых и дождевых вод на инфильтрацию в почву и поверхностную аккумуляцию. Величина потерь талых вод является решающим фактором в формировании весеннего стока. Общие потери составляют 70...90 % от влагозапасов в снеге на начало его таяния [3]. Вкратце рассмотрим каждый вид перечисленных выше потерь.

Потери воды на испарение за время снеготаяния, как показывают экспериментальные данные и расчёты [4], относительно невелики. Невелико также испарение с водной поверхности русловой сети ввиду относительной малости испаряющей площади. Потери на испарение с воды ручьев и рек за время половодья зависят от условий погоды и продолжительности стока в руслах. Поскольку сток половодья реки Есиль происходит в течение непродолжительного весеннего периода, потери на испарение относительно невелики. Данные наблюдений показывают, если принять продолжительность половодья в среднем 1 месяц, а водную поверхность русел равной 5 % площади водосбора, то и в этом случае потери на испарение составят только 3...5 мм [3].

В связи с этим колебания испарения от года к году в большинстве случаев не могут оказать решающего влияния на колебания весеннего стока, который в каждом году определяется тремя главными факторами: количеством снега, аккумулированного в течение зимы в речном бассейне, количеством осадков выпавших в период формирования половодья, и во-допоглотительной способностью речного бассейна [6].

Величина потерь на поверхностную аккумуляцию обусловлена задержанием талых вод на водосборе в микропонижениях местности, и определяется главным образом рельефом. Чем более плоский рельеф, тем более затруднен сток и больше поверхностное задержание. Исследования Е.Г. Попова [2] показывают, что поверхностное задержание не остается постоянным и зависит от количества поступающей на водосбор воды. При незначительном уклоне к реке и слабом развитии гидрографической сети поверхность бассейна р. Есиль в весеннее время почти сплошь покрыта скоплениями стоячей воды, в последующем расходующейся на испарение. Сток с этой части водосбора достигает р. Есиль лишь в многоводные годы. Размеры бессточных площадей водосборов не остаются постоянными во времени и зависят от водности года. Наиболее значительную роль в общей сумме потерь стока на водосборе играют потери талых и дождевых вод на просачивание в почву.

155

Основными факторами, обуславливающими потери стока талых вод на инфильтрацию, являются механический состав почво -грунтов, их влажность, глубина промерзания и степень смерзания (цементации) к началу снеготаяния. В пределах рассматриваемой территории преимущественное распространение имеют глинистые почво -грунты, в сухом состоянии легко растрескивающиеся. При отсутствии значите льно-го увлажнения в предзимний период водопоглощающая способность почво-грунтов, покрытых сетью глубоких трещин, чрезвычайно велика. Увлажнение почво-грунтов с осени значительно понижает их фильтрационную способность, что частично связано с заплыванием трещин, а главным образом с образованием в зимний период почти водонепроницаемого слоя мерзлого грунта [5].

Потери талых вод зависят и от интенсивности снеготаяния. Влияние характера снеготаяния на величину потерь стока особенно значительно в весны, характеризующиеся формированием стока в условиях талых почво-грунтов. При наличии почвы, с осени сильно увлажненной, а в течении зимы глубоко промерзшей, характер процесса снеготаяния сказывается заметно меньше на размерах потерь талых вод на фильтрацию.

Прежде, чем оценить потери талых вод необходимо выявить основные факторы, влияющие на величину потерь. Для этого были проанализированы зависимости весеннего стока р. Есиль - с. Турген от величины снегозапасов, от величины осеннего увлажнения и от других факторов.

Для анализа использованы данные за 2001...2018 гг.: слой стока весеннего половодья р. Есиль - с. Турген; осредненные значения снегоза-пасов по данным трёх метеостанций - Аршалы, Осакаровка, Ерейментау; осредненные значения суммы осадков за сентябрь-октябрь и ноябрь-март по МС Аршалы, Родниковское, Осакаровка, Астана, Ерейментау; средние температуры воздуха за зимний период по МС Аршалы, Родниковское, Астана и Осакаровка; данные о температуре почвы на глубине 40 см, измеренные на МС Астана (табл. 1).

По полученным данным выявлено отсутствие какой-либо прямой зависимости стока р. Есиль - с. Турген от величины запасов воды в снежном покрове за рассматриваемый период. Коэффициент корреляции рассматриваемых величин равен г = 0,08, что подтверждает отсутствие связи.

Связь стока со снегозапасами на рассматриваемой территории проявляется в основном в том, что очень многоводные половодья обычно на-

156

блюдаются после многоснежных зим. Так, например, в 2001 г. при величине снегозапасов 67 мм - слой стока составил 47,2 мм. В то же время при величине снегозапасов 62 мм в 2009 г. слой стока составил всего лишь 11,4 мм.

Таблица 1

Характеристики слоя стока весеннего половодья р. Есиль -с. Турген и основных факторов, влияющих на величину пополоводья

л

Ч о

1-ч

О

ч о а

а

00

о н

о «

о

ч О

л 5

Ч 3

о Я

« §

о

оз Ч

М <и

Я а

сп а

Л

ч

о «

н о ^ а

а о а (-н

¿С:

о

и

<и

2 «

о о

I

Л

3 а

^ £ ^ о

¿У «

л

и

{Г & Й ^ а «

и

ч

<и

3

о О

И о

3 ^

л

ср .

Еу

а ю & 5 О с о „

<и сз Н

И

ч

<и

¿С

Н &

2001 47,2 67 49,0 93,2 -9,0 -9,0

2002 57,4 7 65,6 103 -7,4 -7,4

2003 12,2 41 23,3 86,1 -11,4 -11,4

2004 40,3 25 38,9 64,4 -10,3 -10,3

2005 33,9 27 43,0 73,6 -10,8 -10,8

2006 2,2 40 13,2 67,4 -9,4 -9,4

2007 31,5 40 39,5 116 -9,3 -9,3

2008 28,9 34 40,6 83,4 -11,0 -11,0

2009 11,4 62 43,7 83,0 -10,9 -10,9

2010 38,7 50 30,5 127 -12,7 -12,7

2011 12,9 30 15,3 90,4 -12,2 -12,2

2012 17,6 31 30,6 69,2 -13,3 -13,3

2013 34,1 45 40,1 148 -8,5 -8,5

2014 57,8 47 38,5 112 -10,0 -10,0

2015 134 45 77,6 111 -9,7 -9,7

2016 55 39 46,3 113 -8,3 -8,3

2017 96,1 27 53,8 126 -10,7 -10,7

2018 61,1 36 55,0 93,4 -11,1 -11,1

Таким образом, влагосодержанием в снеге определяется лишь верхний возможный предел стока талых вод, величина которого при данных влагозапасах в действительности весьма сильно колеблется по годам [1]. Можно смело утверждать, что на рассматриваемой территории величина поверхностного стока зависит не столько от величины влагозапасов к началу таяния снега, сколько от других факторов, влияющих на размеры потерь талых вод.

Косвенной характеристикой влажности почвы, обнаруживающей заметную связь с весенним стоком, является количество осадков перед

157

началом снегонакопления - за сентябрь-октябрь предшествующего года или осеннее увлажнение.

Для анализа зависимости величины стока весеннего половодья р. Есиль - с. Турген от величины осеннего увлажнения, были выбраны и посчитаны суммы осадков за сентябрь-октябрь по МС Аршалы, Родниковское, Осакаровка, Астана, Ерейментау за 2001 ...2018 гг. (табл. 1).

Значение коэффициента корреляции слоя стока за половодье с ос-редненной суммой осадков за сентябрь-октябрь получилось равным г = 0,84, что говорит о наличии устойчивой и достаточно тесной связи этих двух величин. График зависимости слоя стока весеннего половодья с осенним увлажнением представлен на рис. 1.

Слой стока

весеннего

половодья, мм

160 -

140 -

120 -

100 ■

80 -

60 -

40 -

20 ■

0

^—

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0

Сумма осадков за сентябрь...октябрь, мм

Рис. 1. Зависимость слоя стока весеннего половодья с осенним увлажнением за период 2001... 2018 гг.

Рассмотрим теперь, как влияют на величину стока весеннего половодья такие параметры, как количество осадков, средняя температура воздуха и почвы за зимний период, высота снежного покрова, наличие ледяной корки, количество дней с метелями и сильным ветром.

Значение коэффициента корреляции слоя стока за половодье с ос-редненной суммой осадков за ноябрь-март месяцы получилось равным г = 0,46, что говорит об очень слабой связи этих двух величин. Отсутствие связи слоя стока весеннего половодья с суммой осадков за зимний период можно объяснить в первую очередь потерями влаги на испарение и просачивание в слабо увлажнённый с осени грунт, а также с неравномерностью распределения снежного покрова на рассматриваемой территории, вызванной ветровым переносом. Но, несмотря на это полностью исключать

158

влияние этого параметра на величину стока не следует. В дальнейшем сумма зимних осадков может рассматриваться как дополнительный критерий для анализа в совокупности с остальными, ниже рассмотренными факторами.

Значение коэффициента корреляции слоя стока за половодье со средней температурой воздуха за ноябрь-март месяцы получилось равным г = 0,28, а с температурой почвы на глубине 40 см - 0,27.

Влияние других факторов, таких как высота снежного покрова, наличие ледяной корки, количество дней с метелями и сильным ветром на сток весеннего половодья еще менее выражено. Но все же они должны быть учтены в общем анализе предпаводковой ситуации.

Общие потери влаги в предпаводочный период в бассейне р. Есиль - с. Турген можно приближенно принять равными разности между слоем весеннего стока (без учета выпавших за период половодья осадков) и накопленных за зиму на водосборе осадков. Конечно, эта оценка будет грубой, т.к. сумму осадков выпавших в виде снега в пред-паводочный период точно рассчитать невозможно из-за редкой сети метеорологических станций, но все равно это будет полезным для общего представления о размерах потерь влаги в бассейне р. Есиль -с. Турген по данным за последние годы (2001.2018 гг.). В табл. 2 представлены результаты расчета общих потерь влаги на водосборе р. Есиль - с. Турген в предпаводочный период.

Градация по водности произведена с использованием трехпарамет-рического гамма-распределения. Так, средняя водность соответствует обеспеченности 40.60 %, умеренно высокая (у/выс.) водность соответствует обеспеченности 20.40 %, высокая водность - обеспеченности 20 % и менее, умеренно низкая (у/низкая) водность соответствует обеспеченности 60. 80 %, низкая водность - 80 % и более.

В среднем потери стока за период 2001.2018 гг. составили 62 % от величины стока половодья. При подсчете средних потерь не учитывался 2015 год, который был экстремально многоводным и сток в этот год на 20 % превышал потери. Самые большие потери стока наблюдались в годы с малоснежными зимами и с сухим предзимним периодом, величина их достигает 97 % (2006 год).

Целью данного исследования является возможность использования данных о величине предполагаемых потерь талых вод для прогнозирования стока весеннего половодья, поэтому необходимо выявить закономер-

159

ность изменения величины потерь стока от имеющихся на момент прогноза фактических метеорологических параметров.

Таблица 2

Потери талого стока на водосборе р. Есиль - с. Турген в

предпаводочный период

Градация половодья по водности - о е а л а Сумма осадков за ноябрь...март, мм а з-§ § 1 § а Потери стока

Годы ок ьд =63 о ол л о 3 2 8 о в . ° Ч 2 р ме Су еп мм %

2001 у/выс. 47,2 93,2 27,4 46,0 49

2002 у/выс. 57,4 103,3 96,3 45,9 44

2003 низкая 12,2 86,1 26,1 73,9 86

2004 средняя 40,3 64,4 52,9 24,1 37

2005 средняя 33,9 73,6 38,5 39,7 54

2006 низкая 2,2 67,4 26,6 65,2 97

2007 средняя 31,5 115,9 56,5 84,4 73

2008 средняя 28,9 83,4 27,5 54,5 65

2009 низкая 11,4 83,0 57,6 71,6 86

2010 средняя 38,7 127,1 14,4 88,4 70

2011 низкая 12,9 90,4 11,9 77,5 86

2012 у/низкая 17,6 69,2 33,8 51,6 75

2013 средняя 34,1 148,2 62,9 114,1 77

2014 у/выс. 57,8 112,2 52,8 54,4 48

2015 высокая 134 111,3 136,8 -22,7 0

2016 у/выс. 55 112,7 45,0 57,7 51

2017 высокая 96,1 126,1 59,9 30,0 24

2018 у/выс. 61,1 93,4 95,0 32,3 35

Как уже отмечалось ранее, основным фактором, влияющем на величину потерь талого стока р. Есиль - с. Турген, является осеннее увлажнение, именно этот параметр и будет основополагающим при анализе. Распределив имеющиеся данные в ранжированном порядке (табл. 3) по величине суммы осадков за сентябрь-октябрь месяцы, определим какие же величины основных метеопараметров за ноябрь-январь и ноябрь-февраль будут соответствовать уже посчитанным ранее потерям.

Из табл. 3 видно, что величина потерь увеличивается с уменьшением суммы осадков в предзимний период. Некоторая закономерность прослеживается и с суммой зимних осадков, а вот зимние температуры могут варьировать в широком диапазоне при одинаковых первых двух факторах. Поэтому для оценки общих потерь при прогнозировании стока

160

весеннего половодья можно использовать только данные об осадках за предзимний и зимний период.

Таблица 3

Сводные данные о потерях стока и соответствующих основных метеофакторов за период сентябрь-февраль

Годы Слой стока за половодье, мм Градация половодья по водности Сумма осадков за 9.10 месяцы, мм ноябрь-январь ноябрь-февраль Потери стока, %

Сумма осадков, мм Средняя температура воздуха, 0 С Сумма осадков, мм Средняя температура воздуха, 0 С

2015 134 выс. 77,6 72,8 -10,9 79,3 -11,0 0

2002 57.4 у/выс. 65,6 47,6 -7,4 70,5 -7,1 24

2018 61.1 у/выс. 55,0 56,2 -11,1 64,0 -12,0 35

2017 96.1 выс. 53,8 86,8 -10,8 113 -11,5 37

2001 47.2 у/выс. 49,0 69,4 -12,3 89,1 -13,0 44

2016 55 у/выс. 46,3 89,6 -9,6 97,9 -9,5 48

2009 11.4 низк. 43,7 52,3 -9,2 63,6 -10,9 49

2005 33.9 средн. 43,0 51,4 -10,1 54,8 -12,5 51

2008 28.9 средн. 40,6 35,6 -13,9 47,4 -14,0 54

2013 34.1 средн. 40,1 88,1 -11,3 101 -10,8 65

2007 31.5 средн. 39,5 68,1 -6,5 97,7 -7,6 70

2004 40.3 средн. 38,9 31,0 -11,0 55,9 -10,7 73

2014 57.8 у/выс. 38,5 67,4 -8,6 92,1 -11,2 75

2012 17.6 у/низ. 30,6 34,1 -14,7 44,8 -16,3 77

2010 38.7 средн. 30,5 81,1 -12,8 90,9 -14,8 86

2003 12.2 низк. 23,3 63,6 -11,5 70,9 -12,3 86

2011 12.9 низк. 15,3 59,9 -11,1 79,0 -11,9 86

2006 2.2 низк. 13,2 46,2 -12,6 59,2 -12,6 97

Проведем краткий анализ полученных результатов. Четко прослеживается, что периоды высокого и умеренно высокого половодья происходили при сумме осадков в осенний период более 50 мм, и в зависимости от суммы зимних осадков потери потери талых вод составляли до 45 %.

В диапазоне сумм осеннего увлажнения от 45 до 50 также четко видно, что потери составляют 30. 45 %.

В диапазоне низкого стока тоже четко можно предположить, что потери будут более 85 %.

161

Сложно выделить потери в диапазоне среднего по водности половодья, здесь нет четко просматриваемой зависимости потерь от величин увлажнения и осадков, но, все равно, диапазон потерь будет в рамках 35.85 %.

Используя данные табл. 3 можно уже 1 -го февраля ориентировочно представить какие потери стока ожидаются лишь по фактическим данным об осадках за сентябрь -январь месяцы. А располагая прогнозными значениями осадков, возможно также, ориентировочно, по потерям определить величину слоя стока предстоящего весеннего половодья. Для этого необходимо к фактическим данным суммы осадков за ноябрь-январь прибавить прогнозное значение суммы осадков за январь-май и отнять потери.

Конечно, диапазон полученного значения будет недостаточным для прогноза, как такового, но будет большим подспорьем прогнозисту в предвычислении ранга водности предстоящего половодья. Результаты анализа зависимости потерь стока от суммы осадков по диапазонам на основе имеющихся фактических данных за период сентябрь-январь наглядно представлены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты анализа зависимости потерь стока от суммы осадков на основе имеющихся фактических данных за период сентябрь-январь

Сумма осадков за сентябрь-октябрь, мм Сумма осадков за ноябрь-январь, мм Потери стока, %

более 50 более 70 0.30

более 50 от 45 до 70 30.45

от 45 до 50 более 65 45.55

от 30 до 45 от 30 до 80 35.85

менее 30 менее 65 85 и более

Рассмотрим по такому же принципу второй вариант - составление прогноза в начале марта по имеющимся фактическим данным об осадках по февраль месяц включительно.

При втором варианте зависимость величины потерь стока от суммы осадков в осенний и зимний периоды прослеживается уже более чётко, чем в первом. Это позволяет определять потери в более узких диапазонах.

Результаты анализа зависимости потерь стока от суммы осадков по диапазонам на основе имеющихся фактических данных за период сентябрь-февраль наглядно представлены в табл. 5.

162

Таким образом, располагая фактическими данными об осадках за сентябрь-февраль уже более отчетливо и в более узких диапазонах можно спрогнозировать величину общих потерь стока.

Таблица 5

Результаты анализа зависимости потерь стока от суммы осадков на основе имеющихся фактических данных за период сентябрь-февраль.

Сумма осадков за Сумма осадков за Потери стока,

сентябрь-октябрь, мм ноябрь-январь, мм %

более 60 более 70 0.25

от 50 до 60 более 60 25.40

от 40 до 50 более 45 45.55

от 30 до 40 более 55 65.85

менее 30 менее 80 85 и более

Конечно же вышеописанный анализ проводился только за последние годы, за период 2001...2018 гг., поэтому для практического применения результатов подобных исследований в прогностической практике необходимо провести анализ за более длительный период, насколько позволит наличие необходимых для этого метеорологических и гидрологических данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Голубцов В.В., Ли В.И., Попова В.П. Моделирование процесса поступления воды на поверхность равнинного водосбора (на примере реки Ишим) // Гидрометеорология и экология. - 1997. - №4. - С. 76-91.

2 Попов Е.Г. Анализ формирования стока равнинных рек. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1956. - 132 с.

3 Ресурсы поверхностных вод районов освоения целинных и залежных земель. - Вып. 1., Акмолинская область - Л.: Гидрометеоиздат, 1958. -789 с.

4 Руководство по гидрологическим прогнозам. - Вып. 1., Долгосрочные прогнозы элементов водного режима рек и водохранилищ - Л.: Гидрометеоиздат, 1989 - 358 с.

5 Салов М.С. Весенний сток в зоне недостаточного увлажнения и возможности его прогноза. // Труды ЦИП. - 1954. - вып.34 (61). - С. 77-133.

6 Семенов В.А. Испарение и конденсация снега в условиях Центрального Казахстана. // Труды КазНИГМИ. - 1963. - Вып. 18. - С. 49-56.

Поступила 30.11.2020

163

М.Ц. Лю А.О. Домран Н.У. Кужагельдина А.А. Болатова Н.Т. Сершбай

ЕС1Л вЗЕНШЩ ЖОГАРГЫ АГЫСЫНДАГЫ ЕР1ГЕН АГЫН ШЫГЫНЫН БАГАЛАУ

Тушн свздер: агынныц жогалуы, KY3ri ылгалдану, кар жамылгысындагы су коры немесе кар коры, кектемп су таскыныныц агын кабаты

Мацалада бассейнмц цысцаша сипаттамасы келт1рыген жэне Есы взенМц квктемг1 агынын цалыптастыру шарттары сипатталган. Есы - Турген взендершщ квктемг1 агысыныц цар цорыныц квлем!не, кузгг ылгалдану мвлшергне жэне басца да факторларга тэуелдтг талданды. Су таскыны алдындагы кезецде ылгалдыц жалпы шыгыны есептеледг. Болжам кезгнде бар нацты метеорологиялыц параметрлерден агын шыгыныныц шамасыныц взгеру зацдылыгы аныцталды. Есы озем - Турген а. квктемг1 су тасцыныныц агынын болжау кезгнде шыгындарды есептеу бойынша усыныстар ею нусцада берыд1, б1ртш1 болжам -ацпанныц басында, ектшШ - наурыздыц басында жасалады.

M. Lyu, A. Domran, N. Kujageldina, A. Bolatova, N.T. Serikbay

MELT RUNOFF LOSSES ESTIMATION IN THE UPPER AREAS OF THE ESIL RIVER BASIN

Key words: runoff losses, autumn moisture, water reserves in the snow cover or snow reserves, spring flood runoff

The article provides a brief description of the basin and describes the conditions of the spring flow formation of the Esil - s. Turgen river. The dependences of the spring runoff of the Esil - s. Turgen from the value of snow reserves, from the value of autumn moisture and other factors has been analysed . The total moisture losses in the pre-flood period has been calculated. The regularity of changes in flow losses from the function of actual meteorological parameters available at the forecasting day is detecting. Recommendations are given for calculation of runoff losses for spring flood runoff forcasting of the river. Esil -s. Turgen for two options, the first - when it is predicted at the beginning of February and the second - at the beginning of March.

164