Содержание к диссертации
Введение 8
Часть I. Научные основы и общеметодические вопросы воднобалансовых исследований 15
1, Основы метода водного баланса речного бассейна 15
1.1, Возникновение и научные основы метода водного баланса речного бассейна 15
1.2, Основное уравнение водного баланса и его элементы 19
1.3. Анализ и оценка некоторых современных методов расчета водных балансов речных бассейнов 21
1.4. Предлагаемый метод расчета водных балансов речных бассейнов 34
2. Основы методов осреднения по площади элемен тов и оценок погрешностей водного баланса речного бассейна 45
2.1. Оценка средних значений элементов вод ного баланса речных бассейнов 45
2.1 Д. Существующие методы оценок средних значений элементов водного баланса речных бассейнов 45
2Д.2. Предлагаемый метод расчета средних значений элементов водного баланса речных бассейнов . 49
2.2. Методы оценок ошибок определения элементов и составления водных балан сов речных бассейнов 55
2.2.1. Источники ошибок, абсолютная и относительная ошибки, типы ошибок. Особенности воднобалансовых исследований 56
2.2.2. Существующие методы определения ошибок элементов баланса и оценки точности расчетов водных балансов речных бассейнов 60
2.2.3. Предлагаемый метод расчета ошибок среднего значения элементов и оцен ки их накопления при составлении водных балансов речных бассейнов 73
2.3. Замыкание уравнения водного баланса речного бассейна 78
2.4. 0 рациональном размещении воднобалан- совой сети в речных бассейнах 84 Часть П.1 Основные элементы водного баланса и метода их определения 88
3. Атмосферные осадки 88
3.1. Измерение атмосферных осадков. Систематические погрешности измерения осадков 89
3.2. Особенности измерения атмосферных осадков в горах 99
3.3. Погрешности расчета среднего слоя осадков в речных бассейнах за отдельные годы. 100
3.4. Распределение осадков по территории речного бассейна за месячные интервалы времени отдельных лет . 121
3.5. Внутригодовое распределение атмосферных осадков , Речной сток 132
4.1. Фазы отекания атмосферных вод и виды стока 132
4.2. Поверхностная и подземная составляющие речного стока 137
4.3. Бнутригодовое распределение речного стока 141
4.4. Заборы и сбросы вод, переброски вод из одного бассейна в другие 147
. Испарение 155
5.1. Кинетическая теория испарения 156
5.2. Методы оценки испарения с поверхности речных бассейнов 173
5.3. Изменчивость и внутригодовое распреде ление испарения в речных бассейнах 201
. Бассейновые запасы воды, их изменения и ме тоды расчета 206
6.1. Изменения запасов воды на поверхности речного бассейна и методы их расчета 207
6.2. Запасы влаги в почво-грунтах зоны аэрации речных бассейнов, их изменения и методы расчета 222
6.2.1. Методы измерения и расчетов запасов влаги в почво-грунтах и их изменений по данным наблюдений агрометеорологических станций 222
6.2.2. Методы расчета запасов влаги в почво-грунтах при отсутствии данных агрометеорологических наблюдений 227
6,2.3, Изменчивость и погрешность определения запасов влаги в почво-грунтах и их изменений в речных бассейнах 230
6.3, Изменение запасов воды в болотах 232
6.4, Изменение запасов подземных вод 234
6.5, Внутригодовое распределение изменений запасов воды в речных бассейнах 237
Часть Ш, Водный баланс территории СССР . 254
7. Взаимосвязь элементов водного баланса речных бассейнов • 254
7.1, Методы оценки взаимосвязей элементов водного баланса речных бассейнов 254
7.2, Предлагаемый метод оценки взаимосвязей элементов водного баланса речных бассейнов 260
7.3, Взаимосвязь элементов водного баланса отдельных вертикальных зон речного бассейна 270
7.4, Корреляционная связь элементов водного баланса речных бассейнов 274
7.5, К вопросу о моделях управления процессами стока и испарения в речных бассейнах 278
8, Водный баланс территории Советского Союза 292
8.1. Методика составления и оценка водного баланса и водных ресурсов территории Советского Союза 292
8.2. Соотношения основных элементов водного баланса, водообеспеченность, безвозвратное потребление и потери на территории СССР 300
8.3, Многолетние колебания водных ресурсов рек территории Советского Союза 314
8.3Д. Методы оценки колебаний водных ресурсов на территории СССР 314
8.3.2. Оценка многолетних колебаний водных ресурсов на территории СССР 319
Выводы 338
Список литературы 342
Приложения
Приложение I. Средние значения и средние квадратичес- кие отклонения элементов водного балан са речных бассейнов за период с 1968 по 1977 год . 362
Приложение 2. Коэффициенты корреляции между элементами водного баланса речных бассейнов • 367
Приложение 3. Коэффициенты корреляции между элемен тами водного баланса р. Полометь - д. дворец за отдельные месяцы 374
Приложение 4# Коэффициенты корреляции и изменчивости годового стока рек Советского Союза • 386
Приложение 5. Коэффициенты корреляции и изменчивости вод местного стока союзных республик • 389
Приложение 6. Коэффициенты корреляции и изменчивости вод местного стока экономических районов СССР 393
Приложение 7. Коэффициенты синхронности годового сто ка рек СССР 399
Приложение 8. Группировки лет различной водности и их продолжительность на реках СССР 400
Приложение 9. Вероятности перехода вод местного стока рек союзных республик из одной водности в другие 405
Приложение 10. Вероятности перехода вод местного стока рек экономических районов СССР из одной водности в другие 408
Приложение II. Данные по циклическим колебаниям местного стока союзных республик 410
Приложение 12. Данные по циклическим колебаниям общих водных ресурсов территорий союзных республик 411
Приложение 13. Данные по циклическим колебаниям местного стока экономических районов СССР 412
Приложение 14. Данные по циклическим колебаниям водных ресурсов территорий экономических райо нов СССР 414
Приложение 15. Модульные коэффициенты местного стока экономических районов СССР 416
Введение к работе
Учение о водном балансе является научной основой исследований водообмена в природе. Познание законов, управляющих процессами водообмена в пределах отдельных территорий (речных бассейнов, административных районов и т.д.), является необходимым условием рационального использования их водных ресурсов, охраны вод от истощения и загрязнения.
Особенно большое внимание уделяется воднобалансовым исследованиям в последние годы в связи с интенсивным использованием водных ресурсов и поисками возможных путей восполнения их дефицита во многих районах земного шара. Поэтому эти исследования уже давно вышли за пределы отдельных государств. Они занимают важное место в программах международного сотрудничества ученых по линиям ЮНЕСКО, ВМО и других межправительственных организаций и в том числе многостороннего сотрудничества стран-членов СЭВ.
Различные аспекты проблемы изучения водного баланса и водообмена в природе, а также вопросы управления этим водообменом и оценки водных ресурсов отдельных государств и природных регионов в последние годы рассматривались на ряде мировых (г. Рединг, Великобритания, 1970 г., г. Варна, НРБ, 1976 г., г. Хельсинки, Финляндия, 1979 г.) и общесоюзных симпозиумах (г. Москва, 1972г., г. Звенигород, 1979г.). Они рассмотрены также в материалах Ш и ІУ Всесоюзных гидрологических съездов (г. Ленинград, 1957, 1973 гг.).
Итогом современных представлений о теоретических основах учения о водном балансе является международное руководство "Методы расчета водных балансов", подготовленное учеными ряда стран, в том числе и автором настоящей работы.
В Советском Союзе значение воднобалансовых исследований резко возросло в связи с проблемой охраны окружающей природной среды и в том числе водных ресурсов. На методе водного баланса основаны такие крупнейшие водохозяйственные проекты, как мелиорация земель в Нечерноземной зоне РСФСР, перераспределение стока между реками Севера и Юга СССР и т.д.
Боднобалансовые исследования позволяют не только изучить существующие взаимосвязи между отдельными элементами влагообме-на, но и дать прогноз их изменений в будущем.
Интенсивное вмешательство человека в природные процессы водообмена приводит к необходимости оценки и прогноза возможных последствий от его воздействий на объем и режим речного стока. Данная задача может быть решена лишь на основе использования физически обоснованных методов воднобалансовых исследований.
Настоящая работа посвящена одной из актуальнейших проблем гидрологии - изучению процессов водообмена и водного баланса в речных бассейнах.
Учение о водном балансе создано трудами многих исследователей. Отечественные ученые внесли в него основополагающий вклад. Однако существующие методические основы исследований водных балансов речных бассейнов применимы, главным образом, для среднемноголетних условий. Поэтому использование этих методов недостаточно для оценки за короткие интервалы времени (менее одного года) наиболее динамичных элементов гидрологического цикла: инфильтрации, испарения из зон аэрации и насыщения и т.д.
Автором разработан ряд принципиально новых методов исследования процессов водообмена и баланса вод в речных бассейнах:
1) составления водного баланса речных бассейнов и административно-территориальных единиц (экономических районов, союзных республик и СССР в целом);
2) оценки элементов водного баланса речных бассейнов за короткие интервалы времени;
3) осреднения элементов баланса для различных территорий;
4) математического описания взаимосвязей компонентов водного баланса и элементов влагообмена в речных бассейнах;
5) построения моделей изменения основных элементов баланса (стока и испарения) в зависимости от определяющих их факторов, в том числе - увеличения (уменьшения) водоподачи на речной бассейн или же увеличения (сокращения) притока тепла к испаряющей поверхности;
6) оценки водных ресурсов и водного баланса территорий экономических районов, союзных республик и СССР в целом;
7) определения внутригодового хода и многолетних колебаний элементов баланса.
Указанными методами определяется научная новизна диссертации. Предметом защиты являются следующие основные положения рассматриваемой проблемы:
1) метод составления водных балансов речных бассейнов за короткие интервалы времени, включающий оценку элементов водообмена вертикальных зон бассейна: поверхностной, аэрации, насыщения;
2) формула расчета испарения с водной поверхности на основе использования молекулярно-кинетической теории;
3) тепловоднобалансовая схема расчета суммарного испарения с речных бассейнов за короткие интервалы времени;
4) формула оценки запасов влаги в почво-грунтах с использованием данных по элементам водообмена в речных бассейнах;
5) методика расчета средних значений элементов водного баланса в пределах рассматриваемых территорий;
6) уравнения взаимосвязей элементов водного баланса речного бассейна и его вертикальных зон за короткие интервалы време отдельных лет;
7) результаты оценки водных ресурсов и водного баланса территорий экономических районов, союзных республик и СССР в целом;
8) методы оценки и обобщения закономерностей колебаний водных ресурсов во времени и по территории;
9) анализ структуры водопользования, сложившейся в основных речных бассейнах СССР.
Достоверность научных положений и результаты исследований автора основаны на широком использовании данных экспериментальных и стационарных наблюдений сети станций Госкомгидромета СССР, а также Минводхоза СССР. Использование разработанных методов оценок элементов баланса за короткие интервалы времени позволяет существенно повысить надежность и достоверность этих компонентов, по сравнению с их значениями, получаемыми по существующим расчетным схемам.
диссертация состоит из восьми глав, введения и заключения. Б первой главе - "Основы метода водного баланса речного бассейна" - рассмотрено основное уравнение водного баланса и его элементы, дан обзор (с критическим анализом) наиболее распространенных отечественных и зарубежных методов расчета водных балансов речных бассейнов. В этой главе изложена схема составления водного баланса речных бассейнов по его отдельным вертикальным зонам: поверхностной, аэрации и насыщения.
Во второй главе - "Основы методов осреднения по площади элементов и оценок погрешностей водного баланса речного бассейна" - рассмотрены применяемые в настоящее время и предлагаемые автором методы определения среднего значения элемента баланса в речном бассейне, общие положения классической теории ошибок и схемы различных авторов по оценке случайных ошибок определения отдельных элементов баланса. Здесь же изложен метод оценки оши бок отдельных элементов и составления водного баланса в целом, разработанный автором.
В главах 3-6 рассмотрен комплекс вопросов, связанных с методами оценки атмосферных осадков, речного стока, испарения и изменения запасов влаги в речных бассейнах,
Б главе 3 "Атмосферные осадки" систематизированы результаты исследований многих ученых по оценке инструментальных погрешностей измерения осадков в пунктах наблюдений. Здесь же дана оценка точности расчета среднего слоя осадков в речных бассейнах, оценена изменчивость осадков за месячные интервалы времени в отдельных речных бассейнах, исследовано внутригодовое распределение атмосферных осадков в годы различной увлажненности. С помощью предложенного автором обобщенного показателя внутри-годовых колебаний элементов баланса - коэффициента равномерности - рассмотрено распределение осадков в речных бассейнах за характерные по увлажненности годы»
В главе 4 "Речной сток" рассмотрены фазы отекания атмосферных вод и виды стока.
Для отдельных речных бассейнов выявлена структура водопользования, исследованы и обобщены данные о степени хозяйственного использования стока на уровень 1977 года.
В главе 5 "Испарение" наибольшее внимание уделено исследованию перспективных водно-теплобалансовых схем расчета испарения. В этой главе приведена формула по оценке испарения с водной поверхности, разработанная автором на основе использования молекулярно-кинетической теории. Здесь же приведены результаты исследований по оценке внутригодового распределения испарения в годы различной увлажненности.
В главе 6 "Бассейновые запасы воды, их изменения и методы расчета" рассмотрены методические вопросы оценку аккумуляционных элементов водного баланса речных бассейнов. Наряду со схемами ряда исследователей, здесь приведена формула автора по расчету запасов воды в почво-грунтах зоны аэрации речных бассейнов при отсутствии данных наблюдений за их влажностью, а также рассмот-рено внутригодовое распределение аккумуляционных элементов в годы различной увлажненности.
В главе 7 "Взаимосвязь элементов водного баланса речных бассейнов" дано обоснование предложенного автором метода оценки взаимосвязей элементов баланса всего речного бассейна, поверхностной зоны, зон аэрации и насыщения, предложены способы оценок элементов -влагообмена в речных бассейнах, приведена модель управления процессами стока и испарения в пределах речных водосборов при заданных условиях увлажнения.
В главе 8 " Водный баланс территории Советского Союза" изложены предложенные автором методы составления водного баланса территории Советского Союза и оценки ежегодно возобновляемых водных ресурсов территорий союзных республик и экономических районов, входящих в состав СССР. Значительное внимание в данной главе уделено рассмотрению и разработке методических приемов по оценке колебаний водных ресурсов территорий речных бассейнов, экономических районов и союзных республик. Настоящая диссертация является результатом многолетних работ автора в области развития теоретических и практических аспектов воднобалансовых исследований, выполнявшихся в Государственном гидрологическом институте (ПИ) в течение І969-1980 гг. Она основана на результатах собственных исследований автора по темам, входящим в координационный план ПШТ при Совете Министров СССР на 1973-74 гг. (задание 0.01.335), на 1976-77 г. (задание 0.85.01.02 Д ІГ), на 1978-80 гг. (задание 0.85.06, раздел 5). Ряд результатов получен на основе исследований, выпол ненных автором по плану Госкомгидромета СССР (задания 331 в 1971-72 гг., 5.40.128 в 1975 г., Ш.24.І9 в 1978-79 гг.) и по линии двустороннего ( с ІДР, 1972-75 гг.) и многостороннего (стран-членов СЭВ, 1974-76 гг.) сотрудничества.
Использование материалов и разработок других авторов, в частности, В.Г. Андреянова, А.П. Бочкова отмечено по ходу изложения диссертации.
Отдельные положения работы неоднократно докладывались на итоговых сессиях Ученого Совета ПИ (г. Ленинград), межведомственных совещаниях по проблеме развития теории и практики водно-балансовых исследований (г. Ленинград, 1970 г., г. Валдай, 1972 г.), на секции "Водный баланс " ІУ Всесоюзного гидрологического съезда (г. Ленинград, 1973 г.), на всесоюзных конференциях (г. Москва, 1972 г., г. Звенигород, 1979 г ), на международных симпозиумах (г« Варшава, 1971 г., г. Варна, 1976 г , г. Хельсинки, 1979 г.), на заседаниях ІКНТ (г. Валдай, 1975 г., г. Курск, 1980 г.).
Предложенные методы и научные положения, изложенные в диссертации, частично использованы в "Методических указаниях ПИ № 89" "Составление водных балансов речных бассейнов", которые были составлены автором и А.ЇЇ. Бочковым, вошли в международное руководство "Методы расчета водных балансов", а также при составлении в институте "Гидропроект" Генеральной и региональных схем комплексного использования водных ресурсов и охраны их от истощения и загрязнения.
