Норма годового стока и его распределение. Определение нормы стока при недостаточности данных наблюдений методом гидрологической аналогии

В данной статье мы подробно рассмотрим вопрос, что такое годовой сток реки. Также узнаем, что влияет на этот показатель, который определяет полноводность реки. Перечислим самые значительные реки планеты, лидирующие по годовому стоку.

Речной сток

Важнейшей частью всепланетного круговорота воды - этого залога жизни на Земле - являются реки. Движение воды в их сетях происходит под воздействием гравитационного градиента, то есть вследствие перепада высот двух точек земной поверхности. Вода движется из более возвышенной области на более низко расположенную территорию.

Питаемые тающими ледниками, выпадающими осадками, а также подземными водами, вышедшими на поверхность, реки несут свои воды в устье - обычно в одно из морей.

Они различаются между собой как протяженностью, густотой и разветвленностью речной сети, так и расходом воды за определенный промежуток времени - тем ее количеством, которое проходит через сечение или створ реки за единицу времени. При этом ключевым параметром будет являться расход воды в створе реки при впадении в устье, так как насыщенность или полноводность меняется в сторону увеличения от истока к устью.

Годовой сток реки в географии - это показатель, для определения которого необходимо учитывать количество воды, стекающей за секунду с квадратного метра рассматриваемой территории, а также отношение расхода воды к объему выпавших осадков.

Годовой сток

Итак, годовой сток реки - это, прежде всего, тот объем вод, который река выбрасывает при падении в свое устье. Можно сказать и немного по-другому. Количество воды, которое проходит за названный период времени через сечение реки в месте ее впадения, - это годовой сток реки.

Определение данного параметра помогает охарактеризовать полноводность той или иной реки. Соответственно, самыми полноводными будут реки с наибольшим показателем годового стока. Единицей же измерения последнего является объем, выраженный в кубических метрах либо кубических километрах, за год.

Твердый сток

При учете величины годового стока необходимо учитывать, что река несет не чистую, дистиллированную воду. В речной воде как в растворенном, так и во взвешенном виде содержится огромное количество твердых веществ. Часть из них - в виде нерастворимых частиц - сильно влияет на показатель ее прозрачности (мутности).

Сток твердых веществ подразделяется на два вида:

взвешенный - взвесь относительно легких частиц;
донный - относительно тяжелые частицы, которые влекутся течением по дну к месту впадения.

Кроме того, твердый сток состоит из продуктов выветривания, вымывания, эрозии и т. д. почв, грунтов, горных пород. Показатель твердого стока может достигать, в зависимости от полноводности и мутности реки, десятков, а порой и сотен миллионов тонн (к примеру, Хуанхэ - 1500, Инд - 450 миллионов тонн).

Климатические факторы, определяющие параметр годового речного стока

Климатические факторы, определяющие годовой сток реки, - это, прежде всего, годовое количество выпадающих осадков, площадь водосбора речной системы и испаряемость воды с поверхности (зеркала) реки. Последний фактор напрямую зависит от количества солнечных дней, среднегодовой температуры, прозрачности речной воды, а также от иных многочисленных факторов. Важную роль играет также и то, в какой период времени выпадает наибольшее количество осадков. Если в более жаркое, то это уменьшит годовой сток, и наоборот. Огромную роль играет также влажность климата.

Характер рельефа

Реки, текущие большей частью по равнинной местности, при прочих равных условиях, менее водообильные, чем преимущественно горные реки. Последние по годовому стоку могут превышать равнинные в несколько раз.

Причин тому много:

горные реки, имеющие гораздо больший уклон, текут быстрее, а значит, у речной воды меньше времени на испарение;
в горах температура всегда намного ниже, и, стало быть, испарение слабее;
в горной местности больше осадков и больше наполняемость рек, значит, и выше годовой сток реки.

Это, забегая немного вперед, усиливается тем, что характер грунтов в горной местности обладает меньшим впитыванием, соответственно, больший объем воды приходит к устью.

Характер грунтов, почвенного покрова, растительности

Речной сток в большой степени определяется характером поверхности, по которой река несет свои воды. Годовой сток реки - это показатель, на который в первую очередь влияет характер грунта.

Скальные породы, глина, каменистая почва, песок сильно отличаются пропускной способностью по отношению к воде. Сильно впитывающие поверхности (например, песок, сухая почва) будут радикально уменьшать объем годового стока протекающей по ним реки, в то время как почти непроницаемые для воды типы поверхности (выступающие скальные породы, плотные глины) практически никакого влияния на параметры речного стока оказывать не будут, пропуская речные воды через свою территорию безо всяких потерь.

Крайне важным фактором также является водонасыщенность почв. Так, обильно увлажненные почвы не только не будут «забирать» талую воду во время весеннего снеготаяния, но и способны «делиться» избыточной.

Немаловажным является характер растительного покрова берегов исследуемой реки. Например, те из них, что протекают по лесистой местности, более водообильны, при прочих равных условиях, по сравнению с реками в степной либо лесостепной зоне. В частности, это обусловлено способностью растительности уменьшать общее испарение влаги с земной поверхности.

Крупнейшие реки мира

Рассмотрим реки с наиболее обильным стоком. Для этого предлагаем вашему вниманию таблицу.

Полушарие		Название реки	Годовой речной сток, тыс. куб. км
	ЮжнаяАмерика	р. Амазонка

Северное
	ЮжнаяАмерика	р. Риу-Негру
Северное	ЮжнаяАмерика	р. Ориноко
Северное		р. Енисей
Северное	Сев. Америка	р. Миссисипи
	ЮжнаяАмерика	р. Парана
Северное
	ЮжнаяАмерика	р. Токантинс
		р. Замбези
Северное
Северное

Проанализировав эту данные, можно понять, что годовой сток рек России, таких как Лена или Енисей, достаточно велик, но он все равно не сравнится с годовым стоком таких мощных полноводных рек как Амазонка или Конго, расположенных в южном полушарии.

Сток определенного участка суши измеряется показателями:

расходом воды - объемом воды, протекающим в единицу времени через живое сечение реки. Он обычно выражается в м3/с Среднесуточные расходы воды позволяют определить максимальные и минимальные расходы, а также объем стока воды за год с площади бассейна. Годовой сток - 3787 км а - 270 км3;
модулем стока. Им называется количество воды в литрах, стекающее в секунду с 1 км2 площади. Вычисляется он путем деления величины стока на площадь речного бассейна. Самый большой модуль имеют реки тундровой и ;
коэффициентом стока. Он показывает, какая доля осадков (в процентах) стекает в реки. Наиболее высокий коэффициент имеют реки тундровой и лесной зон (60-80%), в реках же районов он очень низок ( - 4%).

Стоком в реки сносятся рыхлые породы - продукты . Кроме того, (разрушительная) работа рек также делает их поставщиком рыхлых . При этом образуется твердый сток - масса взвешенных, влекомых по дну и растворенных веществ. Количество их зависит от энергии движущейся воды и от сопротивляемости пород размыву. Твердый сток делится на взвешенный и донный, но это понятие условно, так как при изменении скорости течения одна категория может быстро переходить в другую. При большой скорости донный твердый сток может передвигаться слоем мощностью до нескольких десятков сантиметров. Передвижения их происходят очень неравномерно, так как скорость у дна резко изменяется. Поэтому на дне реки могут образовываться песчаные и перекаты, затрудняющие судоходство. От величины зависит мутность реки, что, в свою очередь, характеризует интенсивность эрозионной деятельности в речном бассейне. В крупных системах рек твердый сток измеряется десятками миллионов тонн в год. Например, сток возвышенных наносов Амударьи - 94 млн. тонн в год, реки Волги - 25 млн. тонн в год, - 15 млн. тонн в год, - 6 млн. тонн в год, - 1500 млн. тонн в год, - 450 млн. тонн в год, Нила - 62 млн. тонн в год.

Величина стока зависит от целого ряда факторов:

прежде всего от . Чем больше осадков и меньше испаряемость, тем больше сток, и наоборот. Величина стока зависит от формы осадков и распределения их во времени. Дожди жаркого летнего периода дадут меньший сток, чем прохладного осеннего, так как очень велико испарение. Зимние осадки в форме снега не дадут поверхностного стока в холодные месяцы, он сосредоточен в короткий период весеннего половодья. При равномерном распределении осадков в году и сток является равномерным, а резкие сезонные изменения количества осадков и величины испаряемости обуславливают неравномерный сток. При затяжных дождях просачивание осадков в грунт больше, чем при ливневых дождях;
от местности. При подъеме масс по склонам гор они охлаждаются, так как встречаются с более холодными слоями , и водяной пар , поэтому здесь количество осадков увеличивается. Уже с незначительных возвышенностей сток больше, чем с прилегающих к ним . Так, на Валдайской возвышенности модуль стока равен 12, а на соседних низменностях - только 6. Еще больший объем стока в горах, модуль стока здесь от 25 до 75. На водоносность горных рек, кроме увеличения осадков с высотой, влияют еще уменьшение испарения в горах в связи с понижением и крутизна склонов. С возвышенных и горных территорий вода стекает быстро, а с равнинных медленно. По этим причинам равнинные реки имеют более равномерный режим (см. Реки), тогда как горные чутко и бурно реагируют на ;
от покрова. В зонах избыточного увлажнения почвы большую часть года насыщены водой и отдают ее рекам. В зонах недостаточного увлажнения в сезон таяния снега почвы способны впитать всю талую воду, поэтому сток в этих зонах слабый;
от растительного покрова. Исследования последних лет, проводимые в связи с насаждением лесных полос в , указывают на положительное влияние их на сток, так как он в лесных зонах значительнее, чем в степных;
от влияния . Оно различно в зонах избыточного и недостаточного увлажнения. В болота являются регуляторами стока, а в зоне их влияние отрицательное: они всасывают поверхностные и воды и испаряют их в атмосферу, тем самым нарушая как поверхностный, так и подземный сток;
от крупных проточных озер. Они являются мощным регулятором стока, правда, действие их локально.

Из приведенного выше краткого обзора факторов, влияющих на сток, следует, что величина его исторически изменчива.

Зоной самого обильного стока являются , максимальная величина его модуля здесь 1500 мм в год, а минимальная - около 500 мм в год. Здесь же сток распределен равномерно во времени. Самый большой годовой сток в .

Зоной минимального стока являются субполярные широты Северного полушария, охватывающие . Максимальная величина модуля стока здесь 200 мм в год и менее, причем наибольшее количество его приходится на весну и лето.

В полярных областях сток осуществляется , толщина слоя в переводе на воду приблизительно 80 мм в и 180 мм в .

На каждом материке есть площади, с которых сток осуществляется не в океан, а во внутренние водоемы - озера. Такие территории называются областями внутреннего стока или бессточными. Формирование этих областей связано с выпадением , а также с удаленностью внутриматериковых территорий от океана. Самые крупные площади бессточных областей приходятся на (40% от общей территории материка) и (29% от общей территории).

Расход воды - это объем воды, протекающий через поперечное сечение реки в единицу времени. Обычно расход воды измеряется в кубических метрах в секунду (м3/с). Средний многолетний расход воды самых больших рек республики, например Иртыша, составляет 960 мі/с, а Сырдарьи - 730 мі/сек.

Расход воды в реках за год называют годовым стоком. Например, годовой сток Иртыша - 28000 млн. мі. Сток воды определяет ресурсы поверхностных вод. Сток распространен по территории Казахстана неравномерно, объем поверхностного стока - 59 кмі. Величина годового стока рек зависит, прежде всего, от климата. В равнинных районах Казахстана годовой сток в основном зависит от характера распределения снежного покрова и запасов воды перед таянием снега. Дождевая вода почти полностью уходит на увлажнение верхнего слоя почвы и испарение.

Основным фактором, влияющим на течение горных рек, является рельеф. По мере увеличения абсолютной высоты количество годовых атмосферных осадков возрастает. Коэффициент увлажнения на севере Казахстана составляет около единицы, и годовой сток высокий, и больше воды в реке. Величина стока на квадратный километр на территории Казахстана составляет в среднем 20000 мі. Наша республика по величине стока рек опережает только Туркмению. Сток рек изменяется по сезонам года. Равнинные реки в зимние месяцы дают 1% годового стока.

Для регулирования речных стоков строят водохранилища. Водные ресурсы одинаково используются и зимой, и летом для нужд в народного хозяйства. В нашей стране имеется 168 водохранилищ, самые крупные из них - Бухтарминское и Капчагайское.

Весь переносимый рекой твердый материал называют твердым стоком. От его объема зависит мутность воды. Ее измеряют в граммах вещества, содержащегося в 1 мі воды. Мутность равнинных рек составляет 100 г/мі, а в среднем и нижнем течениях - 200 г/мі. Реки Западного Казахстана выносят большое количество рыхлых пород, мутность достигает 500-700 г/мі. Мутность горных рек увеличивается вниз по течению. Мутность в реке 650 г/мі, в нижнем течении Чу - 900 г/мі, в Сырдарье 1200 г/мі.

Питание и режим рек

Казахстанские реки имеют различное питание: снеговое, дождевое, ледниковое и подземными водами. Рек с одинаковым питанием не существует. Реки равнинной части республики по характеру питания делятся на два типа: снегово-дождевого и преимущественно снегового питания.

К рекам снегово-дождевого питания относятся реки, расположенные в лесостепной и степной зонах. Главные этого типа - Ишим и Тобол - весной выходят из берегов, на апрель-июль приходится 50% годового стока. Реки сначала питаются талыми водами, потом дождевыми. С низкий уровень воды наблюдается в январе, в это время питаются подземными водами.

Реки второго типа имеют исключительно весенний сток (85-95% годового стока). К этому типу питания относятся реки, расположенные в пустынной и полупустынной зонах, - это Нура, Урал, Сагыз, Тургай и Сарысу. Подъем воды в этих реках наблюдается первой половине весны. Основной источник питания это снег. Уровень воды весной резко поднимается во время таяния снегов. В странах СНГ такой режим рек называют казахстанским типом. Например, по реке Нура за короткое время весной протекает 98% ее годового стока. Самый низкий уровень воды бывает летом. Некоторые реки совсем пересыхают. После осенних дождей уровень воды в pеке немного повышается, а зимой снова понижается.

В высокогорных районах Казахстана реки имеют смешанный тип питания, но преобладает снегово-ледниковый. Это реки Сырдарья, Или, Каратал и Иртыш. Уровень в них поднимается в конце весны. Реки Алтайских гор весной выходят из своих берегов. Но уровень воды в них остается высоким до середины лета, в связи с неодновременным таянием снега.

Реки Тянь-Шаня, Жунгарского Алатау полноводны в теплое время года, т.е. весной и летом. Это объясняется тем, что в этих горах таяние снегов растягивается до осени. Весной таяние снега начинается с нижнего пояса, затем в течение лета тают снега средней высоты и ледники высокогорья. В стоке горных рек доля дождевых вод незначительна (5-15%), а в низкогорьях она повышается до 20-30%.

Равнинные реки Казахстана из-за маловодности и медленного течения с наступлением зимы быстро замерзают и в конце ноября покрываются ледовым покровом. Толщина льда доходит до 70-90 см. В морозную зиму толщина льда на севере республики достигает 190 см, а в южных реках 110 см. Ледовый покров рек сохраняется в течение 24 месяцев, начинает таять на юге в начале апреля, а на севере - во второй половине апреля.

Ледниковый режим высокогорных рек другой. В горных реках в связи с сильным течением и питанием грунтовыми водами не бывает устойчивого ледового покрова. Лишь в отдельных местах наблюдаются береговые льды.Казахстанские реки постепенно размывают горные породы. Реки текут, углубляя свое дно, разрушая свои берега, перекатывая мелкие и крупные камни. В равнинных частях Казахстана течение рек медленное, и оно переносит твердого материалов.

Определим среднюю многолетнюю величину (норму) годового стока Река Колпь, пункт Верхний Двор по данным с 1969 по 1978 гг. (10 лет).

Полученную норму в виде среднего многолетнего расхода воды требуется выразить через другие характеристики стока: модуль, слой, объем и коэффициент стока.

Средний многолетний модуль стока вычислить по соотношению:

л/с км 2

где F – площадь водосбора, км 2 .

Объем стока – объем воды, стекающей с водосбора за какой-либо интервал времени.

Вычислим средний многолетний объем стока за год:

W 0 = Q 0 хT = 22,14 . 31,54 . 10 6 = 698,3 10 6 м 3

где Т – число секунд в году, равное 31,54 . 10 6

Средний многолетний слой стока вычислим по зависимости:

220,98 мм/год

Средний многолетний коэффициент стока

где х 0 - средняя многолетняя величина осадков в год

Оценка репрезентативности (достаточности) ряда наблюдений определяется величиной относительной среднеквадратической ошибки средней многолетней величины (нормы) годового стока, вычисляем по формуле:

где C V – коэффициент изменчивости (вариации) годового стока; длина ряда считается достаточной для определения Q o , если ε Q ≤10%. Величина среднего многолетнего стока при этом называется нормой стока.

Определение коэффициента изменчивостиCvгодового стока

Коэффициент изменчивости C V характеризует отклонения стока за отдельные годы от нормы стока; он равен:

где σ Q – среднеквадратическое отклонение годовых расходов от нормы стока

Если сток за отдельные годы выразить в виде модульных коэффициентов
коэффициент вариации определяется по формуле

Составляем таблицу для подсчета годового стока Река Колпь, пункт Верхний Двор (табл.1)

Таблица 1

Данные для подсчёта С v

Определим коэффициент изменчивости C v годового стока:

Относительная среднеквадратическая ошибка средней многолетней величины годового стока стока Река Колпь, пункт Верхний Двор за период с1969 г. по 1978 г. (10 лет) равна:

Относительная среднеквадратическая ошибка коэффициента изменчивости С v при его определении методом моментов равна:

Определение нормы стока при недостаточности данных наблюдений методом гидрологической аналогии

Рис.1 График связи среднегодовых модулей стока

изучаемого бассейна Река Колпь, пункт Верхний Двор и бассейна аналога р. Обнора, с. Шарна.

По графику связи среднегодовых модулей стока Река Колпь, пункт Верхний Двор и бассейна аналога р. Обнора, с. Шарна.М 0 =5,9 л/с км 2 (снимается с графика по величине М 0а =7,9 л/с км 2)

Коэффициент изменчивости годового стока вычислить по формуле

C v – коэффициент изменчивости стока в расчетном створе;

С V а – в створе реки-аналога;

М оа – среднемноголетняя величина годового стока реки- аналога;

А – тангенс угла наклона графика связи.

Окончательно для построения кривых принимаем Q o =18,64 м 3 /с, С V =0,336.

Построение аналитической кривой обеспеченности и проверка её точность с помощью эмпирической кривой обеспеченности

Коэффициент асимметрии C s характеризует несимметричность гидрологического ряда и определяется путем подбора, исходя из условия наилучшего соответствия аналитической кривой с точками фактических наблюдений; для рек, расположенных в равнинных условиях, при расчете годового стока наилучшие результаты дает соотношение C s = 2C V . Поэтому принимаем для Река Колпь, пункт Верхний Двор C s =2С V =0,336 с последующей проверкой.

Ординаты кривой определяем в зависимости от коэффициента C v по таблицам, составленным С Н. Крицким и М. Ф. Менкелем для C S = 2C V .

Ординаты аналитической кривой обеспеченности среднегодовых

расходов воды Река Колпь, пункт Верхний Двор

Обеспеченностью гидрологической величины называется вероятность превышения рассматриваемого значения гидрологической величины среди совокупности всех возможных ее значений.

Модульные коэффициенты годовых расходов расположим по убыванию (табл. 3) и для каждого из них вычислить его фактическую эмпирическую обеспеченность по формуле:

где m – порядковый номер члена ряда;

n – число членов ряда.

P m 1 =1/(10+1) 100= 9,1 P m 2 =2/(10+1)100= 18,2 и т.д.

Рисунок – Аналитическая кривая обеспеченности

Нанося на график точки с координатами (P m , Q m ) и осредняя их на глаз, получим кривую обеспеченности рассматриваемой гидрологической характеристики.

Как видно, нанесенные точки лежат очень близко к аналитической кривой; из чего следует, что кривая построена правильно и соотношение C S = 2 C V соответствует действительности.

Таблица 3

Данные для построения эмпирической кривой обеспеченности

Река Колпь, пункт Верхний Двор

Модульные коэффициенты (К i)по убыванию	Фактическая обеспеченность	Годы соответствующие К i

Рисунок – Эмпирическая обеспеченности

Так как систематический учет стока ведется не на всех реках, впадающих в озеро, и остальная часть бассейна остается неизученной, расчет разделен на две части.

а) Подсчет суммарного стока с территории освещенной наблюдениями.

Площадь бассейна озера 47800 км², средняя площадь зеркала Чудско-Псковского озера – 3550 км². В 1968 году наблюдение за стоком велись на реках:

Среднегодовой сток рек впадающих в озеро.

Табл.21

река – пост			М л/с км²
р.Роостоя – д.Роостоя
р.Кяэпа – д.Кяэпа
р.Суур-Эмайычи–г.Тарту
р.Выханду – р.п.Ряпина
Гдовка - Злоблина
р.Великая – д.Пятоново
р.Желча – пос.Ямма
Черма - Яктунина
Тагайыгы - Тудулинна

Q осв = 105,7 м³/с

б) Подсчет среднегодового стока с бассейна озера.

Суммарная площадь изученных рек:

где М1 …Mn – модули стока в пунктах где производятся наблюдения, л/с км²; F1 … Fn - площади водосборов в этих пунктах, км².

Таким образом, на основе всех произведенных вычислений:

Суммарный поверхностный приток озера определяется по формуле

2.3.2 Расчет испарения с поверхности озера

Расчет испарения с поверхности Чудско-Псковского озера за интервалы времени безледоставного периода 1968 года производится по данным опорных метеостанций Гдов, Псков и Тийрикоя, равномерно расположенных по периметру озера.

Данные о температуре воды и датах вскрытия и замерзания озера взяты по станциям Раскопель, Залита и Муствээ.

Расчет испарения начинается с определения средней длины разгона воздушного потока над озером. Для этого на план озера наносятся две системы прямоугольных сеток из параллельных профилей, ориентированных в первом случае с С на Ю и с З на В, а во втором – с СЗ на ЮВ и с СВ на ЮЗ. Среднюю длину разгона для каждого направления профиля Li вычисляем как среднее арифметическое из длин всех профилей этого направления:

L ср = 37 км

Затем рассчитываем розу ветров. Для этого по данным метеорологических ежемесячников за расчетный год по опорной метеостанции суммируем число случаев ветра всех восьми румбов, а потом определяем повторяемость направлений ветра в % как отношение числа случаев ветра соответствующего румба за год к годовой сумме числа случаев ветра всех восьми румбов, %.

Повторяемость направлений ветра, %

Табл.11


Тийрикоя



Струги Красные

Средняя длина разгона для всей акватории озера вычисляется по формуле:

где Lс-ю и т.д. – средняя длина разгона воздушного потока по профилям соответствующих направлений, км; (Nc+Nю) и т.д. – сумма повторяемостей направлений ветра для двух взаимно противоположных румбов, %.

Значения средних месячных скоростей ветра над озером на высоте 2 м определяется по формуле:

где K1 – коэффициент, учитывающий степень защищенности метеостанции на суше; K2 – коэффициент, учитывающий характер рельефа; K3 – коэффициент, учитывающий среднюю длину разгона воздушного потока над водоемом; U – скорость ветра на высоте флюгера за расчетный интервал времени.

Расчет средней скорости ветра над водоной поверхностью на высоте 2 м.

Метеостанция Гдов. Табл.12

Метеостанция Псков. Табл.13

Метеостанция Тийрикоя. Табл.14

Расчет средних месячных значений упругости водяного пара над озером на высоте 2 м.

Метеостанция Гдов Табл.15

Метеостанция Псков Табл.16

Метеостанция Тийрикоя Табл.17

Расчет испарения с поверхности озера за интервалы времени безледоставного периода.

Метеостанция Гдов Табл 18

Метеостанция Псков Табл.19

Метеостанция Тийрикоя Табл.20

Среднее рассчитанное значение для озера Е = 587 мм.

Тогда Wис = 2207·106 м³