CC BY
32
диагностика процесса подпора и его прогноз необходимы при проектировании сооружения и в процессе режимных наблюдений в период наполнения водохранилища.
1. Жабин В. Ф., Карпенко Н. П., Ломакин И. М. Формирование гетерогенной среды и регулирование режима грунтовых вод в задачах природообустройства: монография. - М.: МГУП, 2013. - 208 с.
2. Шестаков В. М. Теоретические основы оценки подпора, водопонижения и дренажа. - М.:МГУ, 1965. - 233 с.
3. Шестаков В. М., Невечеря И. К.,
Авилина И. В. Методика оценки ресурсов подземных вод на участках береговых водозаборов. - М.: МГУ, 2009. - 192 с.
Материал поступил в редакцию 11.11.2014. Карпенко Нина Петровна, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока» Е-таИ: [email protected] Ломакин Иван Михайлович, кандидат геолого-минералогических наук, профессор кафедры «Гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока» Жабин Виктор Федорович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент
УДК 502/504 : 532.546 ИОФИН З. К.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодский государственный технический университет», г. Вологда
ВОДНОБАЛАНСОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОДОСБОРОВ РЕК СЕВЕРО-ЗАПАДА ( НА ПРИМЕРЕ РЕК ВОЛОГОДСКОЙ ОБЛАСТИ)
В статье выполнена оценка основных членов уравнения водного баланса
- суммарного испарения и инфильтрации - для условий Вологодской области. Работа выполнена с помощью линейно-корреляционной модели впервые для оценки слоя инфильтрации в грунтовые воды для исследуемой территории. Отмечается, что в линейно-корреляционной модели на первый план выступает правомерность использования линейной зависимости речного стока от атмосферных осадков и физическая обоснованность модели с точки зрения существующих гидрологических закономерностей на основе генетической теории стока. Это обстоятельство является привлекательным для практического использования линейно-корреляционной модели. В результате исследований установлено, что значения слоев суммарного испарения, вычисленные по линейно-корреляционной модели, оказались меньше примерно в 1,5 раза. Это обстоятельство объясняется включением в суммарное испарение слоя инфильтрации. Максимальные величины суммарного испарения достигали значений 333 мм (р. Сухона - г. Тотьма),296 мм (р. Сухона - д. Рабаньга). При таких значениях слоев испарения слои инфильтрации минимальны и составили 37 и 14 мм.
Уравнение водного баланса, суммарное испарение, инфильтрация в грунтовые воды, линейно-корреляционная модель.
In the article assessment of main members of the water balance equation is fulfilled
- total evaporation and infiltration - for the conditions of the Vologda region. The work is fulfilled by means of a linear-correlation model for the first time for assessment of the infiltration layer into ground water for the investigated area. It is stated that in the linear-correlation model the legality of usage of linear dependence of the river flow from atmospheric preci pitation is brought into the foreground as well as physical substantiality of the model from the point of view of existing hydrological regularities on the basis of the genetic theory of runoff. This circumstance is attractive for the practical usage of the linear-correlation model. As a result of researches it is established that the values of the total evaporation layers calculated according to the linear-correlation model were less by approximately 1,5 times. This circumstance is explained by inclusion of the infiltration layer into the total evaporation. Maximal values of the total evaporation reached the values 333 mm (r. Sukhona - town Totjma),296 mm (r.Sukhona - v. Rabanjga). With these values of evaporation layers infiltration layers are minimal and were 37 and 14 mm.
Equation of water balance, total evaporation, infiltraton into ground water, linearcorrelation model.
3' 2015
К
Целью данной работы является демонстрация возможностей нового метода водного баланса - линейно-корреляционной модели. Возможности нового метода достаточно широки: он позволяет определять до 8 параметров уравнения водного баланса. Поэтому представляется интересным практическое применение линейно-корреляционной модели водного баланса (ЛКМ).
При использовании ЛКМ на первый план выступает правомерность использования линейной зависимости речного стока от атмосферных осадков. А также, что очень важно, физическая обоснованность модели с точки зрения существующих гидрологических закономерностей на основе генетической теории стока. Эти положения правомерности рассмотрены и обоснованы в работе [3].
Сущность ЛКМ заключается в определении потерь атмосферных осадков при трансформации их в речной сток и потерь самого речного стока в процессе его формирования. Коль скоро такие потери генетически заключены в процессе формирования речного стока при выпадении атмосферных осадков на водосбор, то, используя график зависимости речного стока от атмосферных осадков, определены следующие виды потерь, обоснованные в генетической теории стока. К ним относятся: суммарный слой впитывания за период водообразования слой впитывания за период спада стока после конца водообразования слой впитывания после конца стока за счет объемов воды, оставшихся в замкнутых понижениях Л0. Эти три вида впитывания составляют слой суммарного испарения Е.
Значения слоев впитывания и соответственно испарения составляют потери атмосферных осадков. Что же касается потерь стока, то они возникают в процессе его формирования. Согласно генетической теории стока [1] на инфильтрацию затрачиваются потери стока [3].
Как оказалось, точность оценки параметров водного баланса по существующему трехчленному уравнению водного баланса (атмосферные осадки, речной сток, суммарное испарение) зависит от слоя инфильтрации.
Система организации наблюдений и измерений как за суммарным испарением, так и инфильтрацией достаточно объ-
3' 2015
емная. Возможно эти параметры потому и не измеряются на гидрометрической сети, что представляют определенные сложности проведения наблюдений. Отсутствие качественных методик для определения рассмотренных параметров ставят исследователей водного баланса в сложное положение.
Как известно, уравнение водного баланса для многолетнего периода, предложенное М. А. Великановым [2], имеет вид:
Р = У + Е + и ± d, (1)
где Р - слой атмосферных осадков, выпадающих на водосбор, мм; У - слой речного стока, мм; и
- слой инфильтрации в подземные воды, мм; d
- слой водообмена между соседними бассейнами подземным путем.
Инфильтрация и и водообмен d не могут быть определены и использованы в уравнении (1). На практике эти параметры не принимаются во внимание и уравнение (1) превращается в трехчленное (атмосферные осадки, речной сток и суммарное испарении).
Это сказывается на точности вычислений. По данным [4] ошибка, например, вычисления суммарного испарения составляет до 90 %. Такой результат не может считаться приемлемым. Тем не менее, трехчленное уравнение используется на протяжении многих десятилетий, привнося в результаты вычислений огромные ошибки, которые в свою очередь влекут дополнительные капиталовложения при водохозяйственном строительстве.
В этом смысле ЛКМ аналитически, без проведения дополнительных изыскательских работ, позволяет выполнять оценки речного стока, инфильтрации, суммарного испарения с точностью, не превышающей точность измерения самой исследуемой величины. Это обстоятельство является привлекательным для практического использования ЛКМ.
В качестве материалов в статье использовались экспериментальные данные наблюдений на стоковых станциях России: Валдайского филиала ГГИ, Нижне-девицкой, Подмосковной, Приморской.
В работе использовался метод сравнения, когда вычисленные водно-балансовые величины сравниваются по абсолютной величине с экспериментальными данными. При этом для
и
вычисления водно-балансовых параметров используется метод ЛКМ.
Сущность ЛКМ состоит в том, что величина речного стока отличается от величины атмосферных осадков, выпадающих на водосбор, величиной потерь. На этом свойстве основывается ЛКМ. Если обратиться к графическому изображению зависимости речного стока от атмосферных осадков, можно выделить на нем генетические составляющие водного баланса (рис. 1).
Рис. 1. Графическое изображение элементов водного баланса при отрицательном «Ь»
Перечень параметров и зависимостей, входящих в ЛКМ, включает:
1. Ь4 - свободный член уравнения прямой с физической точки зрения учитывает слой впитывания в почву в процессе водообразования Лт и слой впитывания после конца стока за счет объема воды, оставшейся в замкнутых понижениях (слой поверхностного задержания) _й0;
2. k4 - коэффициент регрессии или угловой коэффициент зависимости слоя стока от слоя атмосферных осадков, показывает, какая доля атмосферных осадков переходит в сток;
3. Е = Ь4 + Ь4(1 - k4)/k4 = -суммарное испарение, формирующееся под влиянием параметров Ь4 и k4, т. е. Ь4 отражает накопление влаги в почве до момента полного ее насыщения; это потери атмосферных осадков Р при трансформации их в сток; величина k4- слой стекающей воды от выпадающих осадков, является
показателем потерь стока;
4. и = У4(1 - k 4)/k 4 - слой инфильтрации в грунтовые воды представляет собой потери стока У4 в процессе его формирования;
5. Е = Е + kУA - слой испарения с
вп с е 4 А
водной поверхности.
6. Параметр d уравнения (1) -водообмен рассматриваемого бассейна с соседним; в условиях выраженного водораздела поверхностного стока d отражает водообмен преимущественно подземным путем; так как в данной работе не рассматривается проблема водообмена и дополнительной инфильтрации d в уравнении (1) опущен.
Часть параметров, не имеющих отношения к содержанию данной статьи и входящих в состав ЛКМ, здесь не показана. Индекс у параметров означает порядковый номер рассмотренных корреляционных уравнений при выводе параметров ЛКМ. По приведенным зависимостям впервые выполнены вычисления воднобалансовых параметров для рек Вологодской области. Результаты вычисления водно-балансовых параметров для рек бассейна р. Северной Двины Вологодской области приведены в таблице.
Максимальные величины суммарного испарения достигают значений 333мм (р. Сухона - г. Тотьма), 296мм (р. Сухона - д. Рабаньга). При таких значениях слоев испарения слои инфильтрации минимальны и составляют 37 и 14мм, соответственно, максимальные значения инфильтрации могут быть 296мм (р. Свватиевка - д. Горбищево). Взаимосвязь слоя суммарного испарения со слоем инфильтрации обратно пропорциональная: с увеличением слоя испарения уменьшается слой инфильтрации и наоборот. Корреляционная связь слоя суммарного испарения со слоем инфильтрации приведена на рис. 2.
I 300
я И
ей
а
Е<
л ч в ■е к
я «
о ч о
200
100
у = -122 1п(х) + 744 Я = 0,88
0
0
350
50 100 150 200 250 300 Слой суммарного испарения, мм Рис. 2. Зависимость слоя инфильтрации от слоя испарения
3' 2015
Воднобалансовые параметры, полученные по ЛКМ для рек Вологодской области
Река - пункт Площадь водосбора F, км2 Кол-во лет в использованном периоде наблюдений Уравнение зависимости речного стока от атмосферных осадков Коэффициент корреляции, Rn Осадки P, мм Сток Y, мм Суммарное испарение E, мм Инфильтрация U, мм
Сухона — Рабаньга 15550 132 у = 0,95х - 282 0,97 570 264 296 14
Сухона — Тотьма 34800 133 у = 0,88х - 293 0,96 635 269 333 37
Сухона — Каликино 49200 69 y = 0,81л: - 201 0,98 587 275 105 172
Уфтюга — Маланьевская 618 34 у = 0,82х - 152 0,94 589 333 185 73
Уфтюга — Богородское 768 30 у = 0,83х - 175 0,95 589 316 211 65
Кубена — Троице-Еналское 1110 73 у = 0,89х - 171 0,98 595 300 208 90
Кубена — Кубенская 4860 56 у = 0,82х - 146 0,97 587 293 236 60
Сямжена — Сямжа 1700 46 у = 0,68х - 135 0,98 610 256 248 105
Сить — Козлиха 1540 46 у = 0,82х - 181 0,95 589 306 220 67
Вологда — Мягрино 1270 23 у = 0,84х - 178 0,97 536 273 212 52
Вологда — Макарово 636 23 = 0,6х - 112 0,93 522 206 186 137
Масляная — Семшино 246 39 у = 0,99х - 261 0,97 586 303 249 34
Ема — Новое 179 64 у = 0,92х - 220 0,94 522 262 169 92
Тошня — Водогино 1020 28 у = 0,99х - 252 0,94 522 271 189 68
Б. Ельма — Филютино 312 56 у = 0,69х - 109 0,92 510 247 158 110
Двиница — Котлакса 869 52 у = 0,93х - 232 0,96 692 344 198 155
Тиксна — Петрилово 234 33 у = 0,77х - 202 0,97 676 313 304 60
Толшма — Пузовка 1110 28 у = 0,75х - 201 0,97 678 308 267 103
Царева — Село 1420 31 у = 0,92х - 195 0,96 682 350 257 77
Леденга — Юрманга 327 57 у = 0,85х - 246 0,96 613 279 290 49
Ст. Тотьма — Д. Погост 1840 58 у = 0,79х - 194 0,95 608 291 245 78
Уфтюга — ур. Колено 2360 32 y = 0,83х - 201 0,97 610 286 266 59
Стрельна — Анисимово 782 31 y = 0,82х - 195 0,98 573 275 237 60
В. Ерга — Пихтово 274 50 y = 0,84х - 182 0,99 593 317 217 60
Ниж. Ерга — д. Загорье 550 79 y = 0,80х - 173 0,98 597 312 217 76
Юг — Пермас 1450 79 y = 0,76х - 174 0,99 590 280 252 61
Юг — Кич.Городок 8890 130 y = 0,63х - 106 0,99 575 267 192 114
Юг — Подосиновец 15200 57 y = 0,60х - 111 0,98 573 247 193 133
Юг — Гаврино 34800 72 y = 0,57х - 76,3 0,99 591 258 134 197
Шарженьга — Каликино 1480 63 y = 0,82х - 215 0,97 595 275 160 127
Кичменьга — Захарово 2010 35 y = 0,77х - 176 0,97 596 272 263 60
Дорожковка — Дорожково 68 39 y = 0,81х - 186 0,98 587 283 230 67
Савватиевка — Горбищево 35,6 71 у 0,34х + 17,13 0,97 551 202 43 296
Евда — Аксеновская 229 53 у 0,57х - 37,16 0,98 548 270 65 204
Вага — Глуборецкая 1410 25 у = 0,86х - 247 0,97 603 271 287 44
Вага — Филяевская 13200 53 у = 0,73х - 161 0,98 594 274 221 101
Кулой — Хребтовская 1740 34 у = 0,80х - 230 0,95 610 263 288 66
Вожега — Назаровская 1590 29 у = 0,72х - 114 0,94 589 314 158 122
Кокшеньга — Моисеевская 4410 49 y = 0,65х - 132 0,98 604 266 203 143
Заключение
Значения слоев суммарного испарения, вычисленные по ЛКМ, как и ожидалось, оказались меньше, примерно в 1,5 раза, чем в работе [5]. Это обстоятельство объясняет включение в суммарное испарение слоя инфильтрации [4]. Значения инфильтрации сравнить не с чем из-за отсутствия наблюдений. Инфильтрация получена впервые для данной территории. Насколько велики значения суммарного испарения и инфильтрации, можно увидеть из соотношения этих величин к атмосферным осадкам. Это соотношение суммарных величин испарения и инфильтрации равно 0,52Р, что существенно для слоя потерь.
1. Бефани А. Н. Основы теории ливневого стока: Труды Одесского гидрометеорологического института. — Л.: Гидроме-
3' 2015
теоиздат, 1958. - 310 с.
2. Великанов М. А. Гидрология суши.
- Л.: Гидрометеоиадат, 1948. - 530 с.
3. Иофин З. К. Новый подход к определению составляющих водного баланса: Тезисы VI Всесоюзного гидрологического съезда. — Л.: Гидрометеоиздат, 2004. - С. 29-30.
4. Иофин З. К. Совершенствование теории формирования элементов водного баланса речных бассейнов. -М.: «Литературное агентство «Университетская книга», 2012. - 196 с.
5. Водные ресурсы Нечерноземной зоны.
- Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 214 с.
Материал поступил в редакцию 30.03.2015. Иофин Зиновий Константинович, кандидат географических наук, доцент E-mail: [email protected] Тел. +7 (911) 500-46-46
1вб)
