Гидрологическое обоснование использования водных ресурсов малых водотоков в земледельческой зоне Средней Сибири

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», г. Красноярск, Россия

Гидрологическое обоснование использования водных ресурсов малых водотоков в земледельческой зоне Средней Сибири

И.В. Бабкина - канд. геогр. наук, доцент

Аннотация

сток водный сибирь гидрологический

Изучение формирования стока малых водотоков и разработка расчетных методов определения гидрологических характеристик является основой рационального, природоохранного использования водных ресурсов в земледельческой зоне Средней Сибири.

Annotation

Studying of formation of a drain of small water currents and development of methods of definition of hydrological characteristics is a basis of rational, environmental use of water resources in an agricultural zone of Average Siberia.

Развитие мелиорации и водного хозяйства в Средней Сибири происходило в условиях слабой изученности водных ресурсов [1, 2]. Одной из причин отказа в работе оросительных систем Красноярского края, Хакасии, Тывы явилась недостаточность обеспечения водными ресурсами из-за их недостоверной оценки существующими методами расчета. При использовании местного стока в земледельческой зоне Средней Сибири возникают и другие сложные водно-экологические проблемы, решение которых затруднено из-за недостаточной гидрологической изученности, отсутствия достоверных способов расчёта естественной водности малых водотоков, отсутствия обоснованных водно-ресурсных критериев охраны источников от истощения, позволяющих установить природоохранную водность конкретного водотока. Для решения вопросов экологически обоснованного (безопасного для водного объекта) водообеспечения необходима хорошая изученность водного режима малых рек и водотоков начальных порядков. В реальности же это наименее изученная категория водных объектов на рассматриваемой территории.

Местный сток земледельческой зоны Средней Сибири представлен водными ресурсами более чем 54 тысяч малых рек и водотоков [2, 4]. Доля водотоков длиной менее 10 км составляет около 92 %. Степень их освещённости гидрологическими наблюдениями крайне низка (< 1 %). Водотоки с площадью водосборов до 20…50 км2 практически не изучены, а именно они являются начальными элементами естественных и преобразованных ландшафтов. Натурные наблюдения за формированием стока на малых водотоках, проведенные в 1972-1997 гг. при непосредственном участии автора лабораторией водных ресурсов Сибирского НИИ гидротехники и мелиорации, в совокупности с материалами наблюдений на стационарной сети ГМС позволили дать всестороннюю характеристику местного стока, отвечающую многообразию природно-климатических факторов в южной части Средней Сибири.

Таблица 1 Количество водотоков, формирующих местный сток в земледельческой зоне Средней Сибири

Полевые работы включали наблюдения в малых опорных бассейнах и массовые маршрутные обследования территории в пределах Верхнеенисейского, Нижнеангарского и Верхнечулымского бассейнов. Исследования малых водотоков осуществлялись в соответствии с нормативными требованиями. Маршрутным обследованием были охвачены около 1400 малых водотоков во всех земледельческих районах территории. Из них 253 водотока обследованы по полной программе инженерно-гидрологических работ: 66 открытых (степных и лесостепных), 107 лесных, 28 - горных (открытых), 52 - горных (лесных). Оценка фоновой ситуации дана по 1093 водотокам, на 46 из них установлены метки высоких вод. Обследованные водотоки оценивались по градациям водосборных площадей: до 1км2, 1…5, 5…10, 10…20, 20…50, 50…100 км2. Более детальные исследования осуществлены на 50 малых водосборах.

Весеннее половодье на водотоках с площадью водосбора до 20…50 км2 (логах, ручьях) начинается, как правило, на неделю раньше, чем на реках и проходит быстрее [2, 5, 6]. На открытых водотоках его продолжительность в два раза быстрее, чем на залесенных. Весенний сток малых водотоков формируется, главным образом, за счет таяния снегозапасов, накопленных в бассейне за зимний период. Дожди, выпадающие в период формирования половодья, увеличивают его величину на открытых водосборах не более чем на 5…10 %.

Характер подстилающей поверхности открытых водосборов (пашня, стерня, луг, лесные колки) в значительной степени влияет на формирование влагозапасов и максимального расхода половодья, что подтверждается исследованиями, проведенными в 1995 и 1996 гг. на землях ОПХ «Минино» и АО «Солонцы» (Красноярский край). На водосборах 19 логов с площадями 0,04…1,5 км2 высота снежного покрова в 1995 г. в среднем составила: на пашне 9 см, на участках со стерней - 14 см, на луговых участках - 12 см, в березовых колках - 34 см. Наибольшие перед таянием запасы воды в снеге и ледяной корке составили соответственно 18, 31, 26 и 68 мм. Максимальные весенние расходы в 1995 году на малых логах сформировались 3…260-290 л/с.

При относительно равных площадях, наиболее высокие максимальные расходы зафиксированы на логах, подстилающая поверхность которых представлена лугом, стерней и березовыми колками. Максимальные расходы с распаханных логов оказались незначительными. Более чем в 2 раза меньшим сформировался здесь и слой весеннего стока. Соответственно, этим значениям определились и коэффициенты весеннего стока: в логах на пахотных землях - 0,13…0,22; в логах с залуженной поверхностью - 0,25…0,35; в логах, имеющих залесенность - 0,25…0,55. В 1996 г. при таких же, как в 1995 г., снегозапасах, максимальные расходы оказались в 3…10 раз ниже, что связано с малоинтенсивным, растянутым температурным режимом весны, определившим значительные потери талого стока. Коэффициенты весеннего стока не превысили с пахотных земель - 0,003…0,06, с луга - 0,012…0,014, с залесенных земель - 0,004…0,018.

Максимум половодья на малых водотоках проходит в среднем на 10…30 сутки от его начала. Среднемноголетнее значение модуля максимального расхода изменяется в зависимости от природных условий в пределах 6…180 л/с с км2 на открытых водотоках, 15…220 л/с с км2 на лесных и 23…500 л/с с км2 на горно-таежных. Среднемноголетнее значение слоя весеннего стока колеблется, соответственно, в пределах 6…70, 40…240 и 50…500 мм. Коэффициент вариации максимальных расходов составляет в среднем 1,4 (Cv/Cs = 2) на открытых водотоках и Cv/Cs = 2,3 - на залесенных. Средние значения коэффициента вариации слоя стока, соответственно, 1,64 и 0,5. При увеличении площади водосбора коэффициенты вариации уменьшаются. Для открытых, лесных, закарстованных водотоков с площадями водосборов менее 50 км2 установлена зависимость между слоем весеннего стока, максимальным влагозапасом в снеге, осадками, выпавшими в период половодья и суммарным коэффициентом стока (табл. 2).

Таблица 2 Характерные значения суммарного коэффициента стока весеннего половодья для малых водотоков

При анализе формирования половодья на очень малых водотоках наиболее показательны интегральные кривые хода температуры воздуха за период от первого, а не устойчивого ее перехода через 0єC, так как процесс снеготаяния, водообразования и стока на малых водосборах в начальной стадии происходит при положительных дневных температурах и отрицательных среднесуточных. При интенсивном росте температур воздуха фиксируются более высокие значения коэффициентов стока, а при растянутом ходе температур, прерывающемся периодами похолодания - минимальные значения. Установлены типовые температурные интегральные кривые, отвечающие условиям формирования половодья с максимальными и минимальными значениями суммарных коэффициентов стока. Они могут быть использованы для предварительной оценки весеннего стока с очень малых водосборов на основе прогноза температурного режима и по установленной на конец снегонакопления величине влагозапаса в снеге.

Дождевые паводки формируются в основном в период с мая по октябрь [2, 5…7]. Время прохождения и мощность дождевого паводка определяются, прежде всего, интенсивностью, слоем дождя и предшествующей увлажнённостью бассейна. Наиболее высокие дождевые паводки наблюдаются в июле-августе, когда выпадают наиболее интенсивные ливневые дожди. Дождевой сток в 3…10 раз уступает по своему объему стоку за весеннее половодье.

В условиях открытой местности, как правило, осваиваемой под сельхозугодия, только каждый четвёртый-пятый дождь (со слоем более 10 мм за 12-часовой интервал) формирует сток на малых водотоках. При одинаковых стокообразующих дождях на открытых водосборах формируются более высокие, чем на лесных, дождевые паводки. Среднемноголетний модуль максимального расхода дождевых паводков изменяется в зависимости от природных условий: 7…100 л/с с км2 на открытых водотоках, 25…170 на лесных и горнотаежных. Коэффициент вариации максимального расхода в условиях открытой местности для водотоков с площадью водосбора до 20 км2 составляет в среднем Cv = 2,5 (Сs/Cv = 2), в условиях лесного и горно-таежного ландшафта Cv = 1,4 (Сs/Cv = 2). В целом с увеличением площади водосбора коэффициенты вариации уменьшаются до 0,6…1,0 (Сs/Cv = 1,3…2,4).

Летне-осенняя межень формируется в разных природных зонах в различное время с мая по октябрь [2, 5…7]. Водность летней межени изменяется от наиболее низких значений минимального стока (0,1…0,5 л/с с км2) в степных районах до 1…3 л/с с км2 - в лесных и 10…15 л/с с км2 - в горно-таёжных районах. Для всех природных условий значения коэффициентов вариации с увеличением площади водосбора несколько уменьшаются, не выходя за пределы 0,2…0,39 (Сs/Cv = 1,4).

Зональные значения стока имеют водотоки, площадь водосбора которых превышает некоторое критическое значение F (км2). На водотоках с меньшей водосборной площадью (5…100 км2) при той же увлажнённости бассейнов проявляется «неполнота», обусловленная возрастанием в процессе дренирования, доли верхней безводной и малонасыщенной толщи почвогрунтов. Для оценки пересыхания использован индекс пересыхания ИП (отношение числа лет, в которые наблюдалось естественное прекращение стока к общему числу лет наблюдений). По величине ИП водотоки подразделяются на «постоянно действующие», «постоянно пересыхающие» и «пересыхающие периодически». Пересыхание, как состояние водотока, определяется теми же факторами, что и минимальный летний сток: размером водосборной площади (F, км2) и увлажнённостью бассейна (ХГ, мм), что подтверждается эмпирической зависимостью от них индекса пересыхания ИП. Сконструированы карты изменений индексов пересыхания для рассматриваемой территории, соответствующие водотокам с площадями 5, 10, 20 и 50 км2. Такие карты представляют практический интерес для конкретного принятия решений по водопользованию.

Характер распределения годового стока соответствует характеру изменения увлажнённости территории [2, 5…7]. Среднемноголетний модуль годового стока в лесостепной зоне составляет 1…4 л/с с км2, в лесной (таежной) - 2…12 и в горно-таежной зоне - 4…55 л/c с км2. Норма слоя годового стока составляет соответственно 30…100, 60…400 и 100…1200 мм. Статистический параметр изменчивости стока составляет в степной (лесостепной) зоне 0,26…0,81, в лесной (таежной) 0,25…0,30 и в горно-таежной 0,30…0,50. Годовой сток, как интегральная характеристика, синтезирует в себе все особенности сезонных составляющих. Установлены соотношения равнообеспеченных значений весеннего и годового стока для различных лет водности и природных зон. Они позволяют определить величину годового стока по известному значению слоя стока за половодье. Анализ обобщенной информации позволил провести районирование территории по преобладающим типам внутригодового распределения и определить типовые схемы помесячного распределения стока малых рек и водотоков по гидрографам реальных лет для условий различной водности (5, 25, 50, 75 и 95 %-й обеспеченности), которая оценивалась по вероятности превышения годового стока. Группировка рек по типам внутригодового распределения осуществлена с учётом прохождения наибольшей доли годового стока в конкретный месяц (апрель-июль). Акцентировано внимание на распределении стока по месяцам для водотоков с площадями водосборов менее 50 км2 для условий средних, многоводных и маловодных лет. Максимальная доля годового стока на малых водосборах степной, лесостепной зон проходит в апреле (50…100 %), лесной и горно-таёжной зон - в мае (30…60 %). Наиболее раннее (март) начало весеннего поступления стока характерно для открытых водотоков степной (лесостепной) зон, функционирующих только весной. На основе помесячного распределения стока установлено его сезонное распределение для лет различной водности (р = 5, 50, 95 %).

Использование способов расчёта, рекомендуемых нормативными документами, в данном регионе затруднено в связи с ограниченными возможностями в выборе рек - аналогов, поэтому при оценке гидрологических характеристик стока малых рек и водотоков в слабоизученных районах, следует отдавать предпочтение региональным расчетным методам, как наиболее простым и отвечающим меньшему диапазону условий формирования стока в пределах ограниченной территории. Результаты поверочных расчётов позволили рекомендовать методы расчетов, предложенные лабораторией водных ресурсов СибНИИГиМ в качестве оптимальных расчётных способов, как наиболее приемлемые для неизученных водотоков начальных порядков. Они нашли применение для определения водообеспеченности полевых участков в условиях лесостепи Красноярского края по административным районам, как необходимое условие внедрения систем земледелия на ландшафтно-экологической основе [7, 8]. Разработанные способы представляют собой комплекс решений по оценке характеристик годового, максимального стока весенних половодий и дождевых паводков, минимального стока летне-осенней и зимней межени, внутригодового распределения стока для малых рек и водотоков с площадью водосборов менее 200 км2 [2, 7, 8]. В основе расчётного способа определения максимального стока лежит редукционная формула стока, то есть зависимость модуля максимального расхода водотока от неподверженного редукции максимального расхода воды с элементарной площади F 0 (максимальная водоотдача МЭ), редуцируемого по величине водосборной площади. Особенность решения - в конкретном определении параметра МЭ и показателя степени редукции для каждого расчётного бассейна по эмпирическим связям с природными факторами. Для исследуемого района использована зависимость максимальной водоотдачи дождевого стока от суточных осадков 1 %-й обеспеченности (ХС,1 %), а для весеннего максимума - от суточного слоя водообразования (SМ + X)1 % , формирующегося в результате снеготаяния и возможного выпадения дождей. Показатель степени редукции n для дождевых паводков определяется по величине водосборной площади, для весенних половодий - по разности высот в бассейне. Средняя погрешность расчета составляет 20…30 %.

Оценка минимального стока базируется на установленных эмпирических связях между среднемноголетними значениями модулей минимальных суточных расходов () и годовых осадков (), приведённых к средней высоте водосбора. Водотоки с одинаковыми природно-климатическими условиями имеют практически равные модули минимального летнего стока или «полный» меженный сток. Это явление наблюдается до определённого размера водосборной площади, ниже которой снижается полнота дренирования за счёт сокращения числа действующих водоносных горизонтов. Такие водотоки имеют «неполный» меженный сток. Границей между ними служит критическое значение площади F, величина которой увеличивается с уменьшением увлажнённости бассейна. В сухих районах отмечаются постоянно пересыхающие водотоки с площадью водосбора FO, соответствующей безводной толще почвогрунтов. Критическое значение F изменяется не только в пространстве, но и во времени, в зависимости от увлажнения конкретного года. Для определения F установлена её зависимость от характера природной зоны и степени увлажнённости бассейна. Характеристики минимального стока зимней межени рассматриваются в зависимости от характеристик минимального летнего стока для условий конкретного водотока. Расчёт выполняется через переходный коэффициент КЗ от значения нормы минимального летнего суточного стока к среднемноголетнему значению модуля минимального суточного стока зимней межени. Минимальный зимний суточный сток различных обеспеченностей определяется приёмами математической статистики по коэффициенту вариации СV, mn, З.С, оцениваемому в зависимости от величины среднемноголетнего модуля. Средняя погрешность расчета составляет ± 26…35 %.

В основе расчета годового стока и его внутригодового распределения рекомендуемого расчётного способа лежат установленные для региона зависимости

,

определяющие среднемноголетнее значение модуля годового стока по величине среднемноголетних годовых осадков, приведённых к средней высоте водосбора. Такие зависимости отвечают условиям превышения площади водосбора критического значения F, что свидетельствует о формировании «полного» стока. Для рек меньшего порядка (F < F) учитывается «неполнота» стока, обусловленная «неполнотой» стока в меженный период. Расчет обеспеченных значений годового стока выполняется статистическими приемами по величине коэффициента вариации, определяемого по коэффициенту вариации годовых осадков. Внутригодовое распределение слоя стока малых рек и водотоков устанавливается на основе типовых схем распределения стока по месяцам и районирования территории по типам распределения.

Библиографический список

1. Бабкина, И. В. Гидрологическое обоснование водохозяйственных программ / И.В. Бабкина, А.В. Петенков, Л.М. Ершова // Мелиорация земель: анализ и тенденции развития. Материалы Регионального научно-практического семинара - совещания «Мелиорация земель как фактор устойчивого развития АПК». - Красноярск, 1998. С. 38-43.

2. Бабкина, И. В. Местный сток юга Средней Сибири: автореф. дисс. … канд. геогр. наук: 11.00.07 / И.В.Бабкина. - Иркутск, 1997. 21 с.

3. Бабкина, И. В. Местный сток - основа водообеспечения АПК Сибирского региона / И.В. Бабкина //Мелиорация и водное хозяйство. 1995. № 4. C. 15-16.

4. Бабкина, И. В. Изученность местного стока как один из факторов достижения устойчивого водопользования в Красноярском крае / И.В. Бабкина /Сб.: Проблемы использования и охраны природных ресурсов Центральной Сибири. - Красноярск, 2000. Вып. 2. С. 54-59.

5. Бабкина, И. В. Водно-ресурсные показатели сохранения водоисточников от истощения в зоне АПК Сибири / И.В. Бабкина / Сб.: Совершенствование ведения сельскохозяйственного производства в степной зоне Сибири. СО РА СХН. Научно-исслед. ин-т аграрных проблем Хакасии. - Новосибирск, 1996. С. 82-86.

6. Бабкина, И. В. Ресурсы стокообразования в бассейнах малых неизученных рек. / И.В. Бабкина // Гидрологические основы водопользования ресурсами малых рек бассейнов Верхнего Енисея, Верхнего Чулыма и Нижней Ангары: рекомендации. - Красноярск, 1990. С. 97-119.

7. Бабкина, И. В. Основные гидрологические характеристики малых неизученных рек. / И.В. Бабкина // Гидрологические основы водопользования ресурсами малых рек бассейнов Верхнего Енисея, Верхнего Чулыма и Нижней Ангары. - Красноярск, 1990. С. 120-178.

8. Бабкина, И. В. Достоверная оценка местного стока как фактор повышения водообеспеченности сельскохозяйственного производства / И.В. Бабкина /Сб.: Совершенствование ведения сельскохозяйственного производства в степной зоне Сибири. СО РА СХН. Научно-исслед. ин-т аграрных проблем Хакасии. - Новосибирск, 1996. С. 86-90.

9. Водные ресурсы агроландшафтов /И.В. Бабкина // Разработка проектов внутрихозяйственного землеустройства и систем земледелия на ландшафтно-экологической основе для лесостепети Красноярского края: Методическое пособие / И.В. Бабкина [и др.]; под общ. Ред. акад. РАСХН Н.А. Сурина. - Новосибирск, 202. С 53-63.

Размещено на Allbest.ru