Теоретические и методические основы оценки ресурсов поверхностных вод в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения европейской части России



жүктеу 0.68 Mb.
бет1/3
Дата24.07.2018
өлшемі0.68 Mb.
түріДиссертация
  1   2   3

На правах рукописи


МИШОН Виталий Михайлович



Теоретические и методические основы оценки ресурсов поверхностных вод в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения европейской части России


25.00.27. – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени

доктора географических наук

Воронеж – 2007


Работа выполнена на кафедре природопользования Воронежского государственного университета
Официальные оппоненты:

доктор географических наук Бабкин Владимир Иванович, Государственный гидрологический институт

доктор географических наук, профессор Коронкевич Николай Иванович, Институт географии РАН

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кумани Михаил Владимирович, Курский государственный университет


Ведущая организация – Институт водных проблем РАН
Защита состоится 13 ноября 2007 г. в 13-30 часов, ауд. 408, на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете по адресу: 394043, Воронеж, ул. Ленина, 86.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного педагогического университета


Диссертация в виде научного доклада разослана ___ октября 2007 г.
Отзывы о работе в двух экземплярах, заверенные подписями и печатями, просим направлять в адрес Воронежского государственного педагогического университета
Ученый секретарь диссертационного совета В.И. Шмыков

ДМ 212.036.02



Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Водные ресурсы в рассматриваемых зонах определяются в основном величиной весеннего поверхностного стока малых рек и временных водотоков, часто называемого местным стоком. Уровень хозяйственного освоения здесь водных ресурсов характеризуется в первую очередь, степенью использования вод местного стока и, во вторую очередь, статическими запасами воды в прудах и водохранилищах. Поэтому детальное изучение закономерностей формирования и распределения снежных ресурсов и местного стока, разработка методов их расчета и оценки для зон недостаточного и неустойчивого увлажнения представляют большой научный и практический интерес. Однако фундаментальные исследования снежных ресурсов и ресурсов местного весеннего стока для важнейшего в хозяйственном отношении крупного индустриально-аграрного региона России, каким является Черноземный центр, отсутствуют.

Предлагаемая диссертация, в виде научного доклада, представляет собой попытку восполнить этот пробел. Работа состоит из трех частей. В ее первой части дана оценка основного стокообразующего фактора – снежных ресурсов. Вторая часть посвящена анализу формирования и методам расчета местного весеннего стока. Третья часть – статическим водным ресурсам – запасам воды в прудах и в водохранилищах и степени регулирования ими местного стока.



Цель и задачи исследования. Основной целью диссертации является разработка теоретических и методических основ для количественной оценки распределения снежных ресурсов на основных элементах ландшафта: в поле, лесу, лесных полосах, в овражно-балочной сети; разработка системы поправок к зональной величине местного стока на азональные условия его формирования; разработка нового метода расчета подземного стока в период весеннего половодья; разработка метода совместного картирования динамических и статических водных ресурсов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:



  1. Разработан метод оценки снежных ресурсов в районах с развитой овражно-балочной сетью и островной лесной растительностью;

  2. Дано теоретическое обоснование метода гидрологического районирования;

  3. Теоретически обоснован и предложен метод расчета подземного питания рек в период весеннего половодья;

  4. Предложен метод расчета коэффициента вариации весеннего поверхностного стока;

  5. Выявлены физические основы и механизм снегоохранной роли лесомелиоративных мероприятий;

  6. Разработана система поправок к зональным картам весеннего поверхностного стока на азональные условия его формирования;

  7. Предложена методология совместного картирования динамических и статических водных ресурсов;

  8. Исследована гидрологическая роль рельефа и орографического строения рассмотренного региона;

  9. Исследована гидрологическая роль овражно-балочной сети, предложен метод для определения ее площади и емкости;

  10. Выявлены и описаны закономерности формирования снежных ресурсов в зависимости от погодных условий и получена количественная оценка их распределения в лесах, лесных полосах и в овражно-балочной сети.

  11. Разработан метод расчета стока малых рек и временных водотоков.



Исходные материалы и методы исследований. В настоящих исследованиях использованы опубликованные материалы многолетних наблюдений опорной сети гидрометеорологических и водно-балансовых станций, наблюдения на парных водосборах проводимые по программе МГД, материалы специальных снегомерных съемок в оврагах и балках, лесах и лесных полосах, материалы аэрофотосъемок схода снежного покрова в бассейне одной из средних рек Среднерусской возвышенности, фондовые материалы различных проектных и научно-исследовательских институтов и организаций. Все использованные материалы вполне надежны и большая часть их опубликована. В работах, опубликованных автором, на них имеются ссылки.

Для оценки снежных ресурсов и ресурсов местного стока использованы методы: балансовый, гидролого-климатический, интерполяционный, статистический.



Научная новизна и практическое значение исследований. Разработанные методы и результаты исследований являются новыми. Получены новые знания о распределении снежных ресурсов по основным элементам географического ландшафта. Эти результаты целесообразно использовать в курсах лекций по гидрологии суши и гидрофизике, а также в научной деятельности.

Предлагаемый путь составления карт снегозапасов в районах со значительным расчленением рельефа и островной лесной растительностью может быть успешно использован в оперативной работе гидропрогнозистов.

Предложенные методы, методики и модели могут быть использованы не только для более надежной оценки ресурсов поверхностных вод Центрального Черноземья, но и для сопредельных территорий.

Предмет защиты. Предметом защиты и научной новизной являются разработанные автором: 1) метод расчета стока малых рек и временных водотоков, количественно учитывающий влияние азональных факторов на величину зонального стока; 2) метод расчета подземного стока в период весеннего половодья; 3) метод расчета коэффициента вариации весеннего стока для неизученных рек; 4) метод оценки снежных ресурсов для территорий со значительной густотой овражно-балочной сети и островной лесной растительностью; 5) механизм оценки снегоохранной роли леса и, особенно, лесных полос. 6) методология совместного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод.

Основные защищаемые положения. На защиту вынесено восемь групп научных положений и результатов исследований:


  1. Снежные ресурсы как основной фактор формирования водных ресурсов.

  2. Метод оценки снежных ресурсов в условиях расчлененного рельефа и островной лесной растительности.

  3. Методика гидрологического районирования.

  4. Подземный сток в период весеннего половодья и метод его расчета.

  5. Зональный, азональный и аномальный весенний сток.

  6. Учет основных азональных и аномальных факторов при расчете местного стока.

  7. Метод расчета коэффициента вариации весеннего стока.

  8. Методология совместного картографирования динамических и статических ресурсов поверхностных вод.

Апробация работы.

Полученные результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на трех Всесоюзных и Всероссийском гидрологических съездах, на съездах Географического общества СССР (секция Гидрологии и Климатологии), на Всесоюзных и Всероссийских конференциях, на Межрегиональных и Региональных конференциях и совещаниях, на Областных научно-практических конференциях и семинарах:



Всесоюзные и Всероссийский гидрологические съезды: IV - г. Ленинград, 1976 г.; V - г. Ленинград. 1988 г.; VI - г. С.-Петербург, 2004 г.

Съезды Географического общества СССР: IV - г. Ленинград, 1975 г.; VII - г. Фрунзе, 1980 г.

Всесоюзные и Всероссийские конференции и совещания: „Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях" (М.. 1987 г.); „Комплексное освоение водохранилищ" (М, 1965 г.); „Гидрологические исследования ландшафтов'" (г. Новосибирск, 1986 г.); „Территориальная организация общества и управления в регионах" (г. Воронеж, 2002 г.); „Современные проблемы исследований водохранилищ" (г. Пермь, 2005 г.); „Современные проблемы водохранилищ и их водосборов" (г. Пермь, 2007 г.).

Межрегиональные и региональные научно-технические и научно- практические конференции: «Антропогенные ландшафты ЦЧО» (г. Воронеж, 1972 г.); „Антропогенные ландшафты Центральных Черноземных областей и прилегающих территорий" (г. Воронеж, 1975 г.); „Экологические основы природопользования в бассейне Дона" (г. Ростов на Дону, 1980 г.); „Территориальная организация общества и управление в регионах" (г. Воронеж, 1990 г.); „Рациональное использование и охрана водных ресурсов Липецкой области" (г. Липецк, 1993 г.); „Экология бассейна Дона" (г. Воронеж. 2005 г.).

Межвузовские конференции: 17 научно-техническая конференция (г. Ровно. 1968 г.); „Территориальная организация народного хозяйства крупного экономического района в условиях новых форм хозяйствования" (г. Воронеж, 1990 г.); „Столетие экспедиции В.В.Докучаева в Каменной степи" (г. Воронеж, 1992 г.).

Областные научно-практические конференции и совещания: „Картирование стока рек и временных водотоков" (г. Воронеж, 1976 г.); „Борьба с эрозией почв в Воронежской области" (г. Воронеж, 1965 г.); „Природные ресурсы Лискинского района Воронежской области и их рациональное использование" (г. Лиски, 1977 г.); „Воронежское водохранилище" (г. Воронеж, 1985 г.); „Природные ресурсы Воронежской области, их воспроизводство, мониторинг и охрана" (г. Воронеж, 1995 г.).

Межфакультетские семинары Воронежского Государственного Университета по проблеме: „Концепция биогеосферных исследований состояния и динамики природной среды в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на территории ЦЧР" (г. Воронеж, 2002; 2003 г.г.).

Результаты исследований неоднократно обсуждались на годичных (1967-2007г.г.) конференциях Воронежского государственного университета и Воронежского государственного аграрного университета (1976 г.; 1980 г.; 1991 г. и др.).


Основные результаты научных исследований опубликованы в 12 монографиях (4 коллективных, 3 – в соавторстве), 5 учебных пособиях, рекомендованных Минвузом СССР и РФ для обучения студентов по специальности «Гидрология суши» и в 60-ти научных публикациях.
Защищаемые положения

1. Снежные ресурсы как основной фактор формирования водных ресурсов.

В лесостепной и степной зонах снегозапасы представляют собой главный фактор формирования речного стока. Сток снегового половодья временных водотоков, не имеющих подземного питания, является единственным источником заполнения прудов и малых водохранилищ водой.

Из всех характеристик снежного покрова важнейшим интегральным стокообразующим показателем является максимальные снегозапасы. Определенные для конкретной территории (района, зоны или водосбора реки), они характеризуют снежные ресурсы этой территории.

Поэтому в настоящем разделе основное внимание уделено выявлению закономерностей и особенностям формирования снегозапасов на основных элементах ландшафта, оценке их влияния на формирование стока талых вод и разработке более совершенных методов учета снежных ресурсов в бассейнах рек со значительным расчленением рельефа местности и островной лесной растительностью.



1.1. Роль рельефа в формировании и распределении снежных ресурсов

Анализ многочисленных материалов наблюдений опорной сети гидрометеорологических станций европейской территории России показывает, что на величину снегозапасов при прочих равных условиях существенное влияние оказывает высота местности, а также экспозиция склонов (Мишон, 1966).

Увеличение количества осадков с высотой местности обусловлено адиабатическим изменением состояния атмосферы. Подъем воздуха на ветроударных склонах возвышенностей сопровождается понижением его температуры, конденсацией водяных паров и выпадением обильных осадков, в том числе твердых. Зимой влияние высоты местности на количество осадков резче, чем летом, так как летом воздух менее насыщен водяным паром, облака образуются на большой высоте, где амплитуды колебаний линий токов в значительной степени затухают.

В пределах Европейской равнины даже относительно небольшие возвышенности (100-140 м), как, например, Среднерусская, Приволжская и др., вызывают некоторое увеличение количества осадков по сравнению с их величиной на окружающей местности. Считается, что на их западных и юго-западных склонах, обращенных к влагоносным ветрам, осадков выпадает больше, чем на восточных склонах, находящихся в "ветровой тени". Однако это положение справедливо лишь для летних и годовых осадков. Многолетние материалы снегомерных съемок на Среднерусской возвышенности показывают, что на западных склонах при прочих равных условиях снегозапасы меньше, чем на восточных (Мишон, 1966, 1988).

Одна из причин более высоких снегозапасов на восточных склонах Среднерусской возвышенности по сравнению с западными - характер ветровой деятельности в зимний период. Другой причиной, обусловливающей более высокие снегозапасы на ее восточных склонах, является большая продолжительность залегания снежного покрова. Средняя продолжительность залегания снега на восточных склонах этой возвышенности увеличивается от 117 суток в южной, степной части до 129 суток в северной, лесостепной, а на западных склонах - соответственно только от 108 до 121 суток.

Распределение снежных запасов зависит также от орографических условий изучаемой территории, которые характеризуются сочетанием трех крупных орографических форм рельефа - Среднерусской возвышенности, Окско-Донской равнины и западных склонов Приволжской возвышенности.

Перепад высот на рассматриваемой территории от 90-100 м БС в пределах Окско-Донской равнины до 310 м БС на Среднерусской возвышенности создает значительные азональные отклонения в распределении осадков. Влияние рельефа на твердые осадки проявляется, в частности, ярко выраженной зависимостью максимальных снегозапасов от высоты местности и ее экспозиции. Построенная по данным 48 метеорологических станций зависимость средних многолетних (1944-1994 гг.) наибольших за зиму снегозапасов Smax от высоты местности в пределах Среднерусской возвышенности выражается двумя прямыми, соответствующими различным ее склонам (рис. 1). Одна линейная зависимость объединяет группу точек, характеризующих данные метеостанций центрального плоскоместного района и восточных склонов этой возвышенности (бассейны Сосны, Оскола, Девицы и др.), другая - ее западных склонов (бассейны Оки и Сейма).

Рис. 1. Зависимость средних (1944-1994 гг.) максимальных за зиму снегозапасов от высоты местности на восточных (1) и западных (2) склонах Среднерусской возвышенности

Зависимости вполне удовлетворительно аппроксимируются линейным уравнением вида

Smax = aH – b, (1)

где а - параметр, определяющий значение градиента изменения максимальных снегозапасов по высоте, а = 0,4 мм/м; Н - высота местности, м; b - эмпирический параметр. Для восточных склонов Среднерусской возвышенности b - 24 мм, для западных b = 0.

Довольно четкая зависимость Smax=f(H) отмечается и для ограниченных по территории районов с однообразными физико-географическими и климатическими условиями. Характерными в этом отношении являются районы исследований Нижнедевицкой и Болховской воднобалансовых станций.

В пределах равнин и низменностей со средней высотой менее 150 м, где относительные превышения невелики, вертикальной зональности в распределении снегозапасов нет. Неравномерность залегания здесь вызвана другими азональными факторами. Вопрос о влиянии рельефа на вариацию снегозапасов во времени для равнинных территорий с относительно невысокими возвышенностями не изучен. Материалы многолетних наблюдений на 20 водосборах Нижнедевицкой и Болховской станций показывают, что между коэффициентом вариации максимальных снегозапасов Cvs и высотой местности Н имеется тесная обратная линейная связь, которая четко выражена лишь для районов с высотой местности более 150 м БС.

В соответствии с географическим положением, рельефом местности, экспозицией по отношению к метелевым ветрам и продолжительностью залегания снежного покрова, на территории Центрального Черноземья по условиям снегонакопления можно выделить четыре области (Мишон, 1971). Наиболее благоприятные условия для накопления снега имеются на западных склонах Приволжской возвышенности (водосборы рек Ворона, Хопер). Там наблюдается наибольшая (134-143 суток) продолжительность залегания снега: она на 15-20 суток больше, чем на Среднерусской возвышенности, и на 10-11 суток больше, чем на Окско-Донской равнине. В благоприятных условиях снегонакопления находятся повышенные части бассейна Дона, расположенные в пределах восточных склонов Среднерусской возвышенности (реки Сосна, Тим, Любовша и др.). Менее благоприятны условия снегонакопления на водосборах рек западных склонов Среднерусской возвышенности (реки Ока, Сейм, Свапа и др.). Максимальные снегозапасы здесь при прочих равных условиях на 20-25 мм меньше, чем в бассейнах первой и второй групп. Наконец, наименее благоприятные условия снегонакопления имеют водосборы рек, сток которых формируется только в пределах Окско-Донской равнины (реки Битюг, Икорец, Савала и др.). Максимальные снегозапасы на указанных водосборах на 30-40% меньше, чем на возвышенных частях бассейна Дона.



1.2. Снегозапасы на склонах разных экспозиций

На характер распределения снежного покрова оказывают влияние не только рельеф местности и очевидные различия таких угодий, как, например, поле, лес, кустарник, лесные полосы, или изменения высоты растительного покрова (озимь, стерня, залежь и т.д.), но и экспозиция склонов.

Основными физическими причинами, которые обусловливают разницу в снегозапасах на склонах различных экспозиций, являются ветровой перенос снега и зимние оттепели.

Снегомерные съемки в районах Нижнедевицкой и Бол­ховской воднобалансовых станций показывают, что на распределение снегозапасов полевых склонов различных экспозиций, помимо метеорологических условий зимы существенное влияние оказывают особенности геоморфологического строения и размеры морфологических элементов водосборов, их форма и ориентация по отношению к господствующим ветрам. На основании обобщения материалов многолетних наблюдений на 25 водосборах обеих станций нами получены средние значения коэффициента снегонакопления для различно экспонированных склонов.

На водосборах Нижнедевицкой воднобалансовой станции средний многолетний коэффициент снегонакопления на южных склонах изменяется от 0,72 (лог Малютка) до 1,07 (руч. Ясенок), на северных - от 1,27 (лог Барсук) до 1,66 (лог Малютка). Еще больше разнятся его значения для западных и восточных склонов. Для юго-западных склонов логов Барсук и Татьянин средние значения коэффициента снегонакопления равны 0,98 и 1,82. Столь большое их различие вполне объяснимо, если учесть, что до 80% склонов лога Татьянин - аномально крутые с уклоном 120%о, а склоны лога Барсук- пологие (Мишон, 1971).

1.3. Снегозапасы в овражно-балочной сети

В условиях сильно расчлененной местности ежегодно в гидрографической сети скапливается большое количество снега. Особенно велика роль снега, накопленного в овражно-балочной сети в малоснежные зимы, когда за его счет практически полностью формируется весеннее половодье.

С водораздельных пространств, наветренных склонов холмов и приовражных плато снег сдувается в понижения рельефа – овраги, балки, русловую сеть, а также в зоны его перехвата - опушки лесов, лесные полосы и т.д. Перенос рыхлого свежевыпавшего снега начинается при скорости ветра над снежной поверхностью 2,4м/с, в исключительных случаях – 1,3м/с. Слежавшийся снег требует для своего отрыва значительно большей скорости ветра - до 5 м/с. Основная масса снега (до 95%) переносится во время поземок на высоте 10-15 см от поверхности земли.

При наличии в бассейнах рек значительных площадей, занятых оврагами и балками, неучет снега, снесенного в них ветром, приводит к большим погрешностям в расчетах и прогнозах весеннего стока. Например, в условиях центральной лесостепи и севера степной зоны неучет снега, снесенного в овраги и балки, приводит к уменьшению фактических снегозапасов до 30% и более (Мишон, 1970, 1971, 1979).

Вследствие множества факторов, воздействующих на снегонакопление в пониженных формах рельефа, расположенные на ограниченной территории с однообразными физико-географическими и климатическими условиями овраги и балки могут накапливать разное количество снега. Так, на величину сноса снега в пониженные формы рельефа, помимо ширины овражно-балочной сети и климатических условий, большое влияние оказывают густота гидрографической сети, определяющая размеры площади снегосбора оврагов и балок, крутизна прилегающих склонов и их форма, облесенность и ориентация оврагов и балок по отношению к направлению господствующих ветров зимой.

Для оценки снегозапасов в овражно-балочной сети и пространственно-временной изменчивости коэффициента снегонакопления нами были использованы материалы многолетних (1952-1984 гг.) сетевых снегосъемок в 90 оврагах и балках Центрального Черноземья. По морфометрическим и геоморфологическим характеристикам, а также ориентации по отношению к направлению господствующих ветров овраги и балки типичны для данного района. Средняя ширина оврагов - не менее 30-40 м, балок и логов - от 40-50 до 220-230 м. Наблюдениями были охвачены все основные орографические формы рельефа - Среднерусская и Калачская возвышенности, Окско-Донская равнина и западные склоны Приволжской возвышенности.



Рис. 2. Средние значения коэффициента снегонакопления в овражно-балочной сети (1) и лесах (2) Центрального Черноземья.

Цифры в кружках - номера гидрологических районов: I – Окский; II – Псело-Оскольский; III – Потуданьский; IV – Подгоренский; V – Соснинский; VI – Цнинский; VII – Воронинский; VIII - Воронежский; IX – Битюго-Еланский.

По результатам указанных снегомерных съемок определены средние многолетние наибольшие за зиму снегозапасы в овражно-балочной сети Sоб, коэффициент вариации снегозапасов CvS, коэффициент снегонакопления Коб и коэффициент вариации коэффициента снегонакопления Cvk. Как правило, наибольшие снегозапасы в поле и в овражно-балочной сети скапливаются одновременно (Мишон, 1988).

Пространственно-временной анализ показал, что достаточно четкой зональной закономерности в распределении снегозапасов в овражно-балочной сети So6 и коэффициента снегонакопления Коб на территории Центрального Черноземья не наблюдается (рис. 2). Для районов с одинаковым эрозионным расчленением (Окско-Донская равнина - бассейны Цны, Битюга и др.) значения коэффициента снегонакопления в оврагах и балках колеблются от 1,13 до 3,32, для районов с разным расчленением (Среднерусская возвышенность - р. Свапа, Окско-Донская равнина - р. Савала) коэффициент снегонакопления имеет примерно одинаковые значения- 1,90-1,93. Это объясняется влиянием на величину сноса снега многих факторов, в том числе и таких (размер снегосборной площади, ширина оврагов и балок и т.д.), в распределении которых по территории отсутствует зональная закономерность. Вместе с тем, если рассматривать снегозапасы в овражно-балочной сети и значения коэффициента снегонакопления осредненными для достаточно больших площадей (например, для гидрологического района), в их распределении по территории можно отметить тенденцию увеличения с юго-запада на северо-восток. Так, снегозапасы в оврагах и балках увеличиваются от 83 мм на юго-западе Воронежской области до 181 мм на северо-востоке Тамбовской. Осредненные значения коэффициента снегонакопления овражно-балочной сети по административным областям изменяются следующим образом: Белгородская-1,64; Воронежская- 1,81; Курская – 1,82; Орловская – 1,89; Тамбовская – 2,02; Липецкая – 2,14.

В оврагах и балках Центрального Черноземья к началу весеннего половодья в среднем за многолетний период накапливается 27,2 % всех снегозапасов, или 4,49 км3 талой воды. Наибольшее накопление снега – 33,5 % (0,81 км3) наблюдается в Липецкой области, где оврагами и балками занято 20,4 % площади. Далее по степени снегонакопления следуют Белгородская (32,3 %, или 0,67 км3) и Орловская (30,4%, или 0,76 км3) области, где площади овражно-балочной сети составляют 24 и 19,4 %. Большое количество снега (24,5 %, или 0,62 км3) аккумулируется в пониженных формах рельефа Курской области (площадь оврагов и балок 16 %). В Тамбовской и Воронежской областях с овражностью 14,4 и 11,9 % в оврагах и балках накапливается 23,6 и 18,7 % снега, или 0,91 и 0,72 км3 талой воды.

Между овражностью водосборов и величиной сноса снега в овраги и балки существует достаточно тесная линейная зависимость: на 1 % овражности приходится в среднем около 1,1 мм снегозапасов, накопленных овражно-балочной сетью (Мишон, 1966). Коэффициент снегонакопления для того или иного оврага или балки зависит от снежности зимы, метеорологических условий зимнего периода (частота и продолжительность метелей и поземок), состояния поверхности снежного покрова (ледяная корка, наст и т.д.), а также от частоты, интенсивности и продолжительности зимних оттепелей, во время которых снег на полях стаивает быстрее, чем в овражно-балочной сети. Поскольку перечисленные факторы изменяются от года к году, изменяются и значения снегозапасов в овражно-балочной сети Sоб и коэффициента снегонакопления Коб.



Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет