Максимальный
сток быстроразвивающихся паводков на
реках бассейна р. Кубань
Василенко
Н.Г., Банщикова Л.С.,
Санкт-Петербург,
Федеральное
государственное бюджетное учреждение
«Государственный гидрологический институт» (ФГБУ «ГГИ»)
Объектом
исследований являются левобережные
притоки р. Кубань. Основное внимание уделено процессам формирования
быстроразвивающихся дождевых паводков на реках с площадями водосборов до 5000км2,
и средними высотами водосборов от 1200 до 2580м (зона формирования стока реки
Кубань).
По данным
многолетних наблюдений за осадками и стоком выполнен анализ особенностей
формирования максимального стока
дождевых паводков. Для притоков зоны формирования стока р. Кубань проведена оценка применимости методики
расчета максимального стока дождевых паводков, основанной на одновременном
учете слоя и интенсивности осадков, формирующих максимальные расходы воды,
потерь осадков на водосборе в ходе дождевых паводков, параметров структуры
водосбора (русловой сети, уклонов водосборов, и густоты русловой сети) [1]. Экспериментальное дождевание малых площадок
(естественных водосборов) и наблюдения на малых водосборах показали, что осадки
большой интенсивности при малой продолжительности формируют максимальные расходы воды на водосборах с предельно малыми площадями. При увеличении
размеров водосборов влияние предельных интенсивностей дождя на формирование
максимальных расходов снижается. Выявлено, что при значительных средних
интенсивностях дождя (более 40 мм/час)
время наступления максимального расхода воды приближается к моменту конца
эффективной части дождя. В условиях выпадения интенсивных ливневых осадков не
представляется возможным выделить преобладающее влияние на формирование
максимумов стока слоя дождя или его интенсивности. Для оценки совместного
влияния слоя и интенсивности осадков предложен параметр, учитывающий
одновременно слой и интенсивность эффективной части дождя, которая формирует
максимальные расходы в руслах малых рек. Этот параметр представляет собой
произведение слоя осадков (Н) на их среднюю интенсивность (а). Терминологически
в дальнейшем этот параметр рассматривается как «метеорологическая сила дождя» (N=Н* а). В качестве информационных индикаторов
преобразования выпадающих на водосбор осадков в сток использованы густота русловой сети, ( с учетом временной,
сформировавшейся в ходе дождя) (J ), уклон
водосбора (i) и коэффициент стока (α).
Гидрографическая сеть водосбора содержит сведения о
геологических преобразованиях и режиме климатических изменений (температур,
осадков, - в том числе и экстремальных) и является его естественной дренажной
системой, способствующей поступлению выпавших на водосбор осадков в русло реки.
Натурные и экспериментальные наблюдения на водосборах полигона Могот показали,
что, в специфических условиях района (значительная расчлененность рельефа,
маломощный почвенный профиль, высокая щебенистость и каменистость всех
горизонтов почво – грунтов и др.) поверхностный сток отсутствует. В ходе
выпадения дождей на водосборе формируется быстрый грунтовый сток по естественным
приповерхностным дренам и временной русловой сети, формирующейся на склонах,
(часто ниже дневной поверхности). Характер и протяженность временной русловой
сети определяется уклонами и
расчлененностью рельефа, свойствами подстилающей поверхности, увлажнением
водосбора перед выпадением дождя, слоем и интенсивностью эффективной части
дождя. Как показали натурные наблюдения при дождевании естественных площадок и
выпадении значительных по слою и интенсивности дождей, общая длина временной
русловой сети может составлять от 30 до 120% от длины русловой сети постоянных
водотоков [1]. Установлено, что при выпадении дождей значительной
интенсивности и слоя в формировании
максимального расхода значительно возрастает роль временной русловой сети. При
выпадении осадков более 50 мм/сутки, густота русловой сети возрастает в 1,2 –
1,5 раза, а при выпадении более 100 мм за сутки, густота русловой сети
(постоянной и временной) возрастает в 1,5 – 2,2 раза.
Безвозвратные потери осадков на водосборе при
выпадении дождей и прохождении паводков оценивались по величине коэффициентов
стока за паводок. Выявлено, что в ходе теплого сезона года (от мая к сентябрю)
значительно возрастает аккумулирующая емкость водосбора [2]. Значения
коэффициентов стока за дождевые паводки теплого сезона изменяются от 0,9 в мае
до 0,10 в августе. При устойчивой тенденции изменения коэффициентов стока в
сезоне, абсолютные величины их в значительной мере определяются общей водностью
теплого сезона года. Для расчета возможных экстремальных максимальных расходов
дождевых паводков целесообразно опираться на предельные значения коэффициентов
стока в сезоне.
Предложенная расчетная формула имеет вид:
Q = Кj J α Ni F (1)
где
N - «метеорологическая сила дождя», (N = Н*а),
равная произведению эффективной части
слоя осадков, формирующих паводки на
среднюю интенсивность выпадения этих осадков, мм2 /с; α
– коэффициент стока дождевых паводков; J
–густота русловой сети, определенная по крупномасштабным картам; Кj
- коэффициент увеличения густоты русловой сети на водосборе за счет временных
русел, образовавшихся при выпадении дождя; F – площадь водосбора, км2 ;
I – уклон водосбора, в долях от 1.
По исследуемым рекам бассейна р. Кубань
выполнен анализ связи между максимальными модулями стока (q),
наблюденными величинами коэффициентов стока паводков (α),
густоты русловой сети (J). Условия подстилающей
поверхности представлены в виде параметра (q/Jα), фактор дождя
оценивался метеорологической силой
дождя (N). Связь указанных параметров достаточно тесная (корреляционное
соотношение r=0,8) и может быть представлено
в виде уравнения:
q / J α = 1,6 (Nд)0,38 , (2)
Следует
отметить, что значения показателя степени этой связи близки к средним величинам
уклонов водосборов.
Особенности
режима выпадения осадков в рассматриваемом районе в значительной мере
определяются влиянием положения хребтов по отношению к несущим влагу воздушным
потокам, углом наклона склонов, сочетанием горных котловин и хребтов и др.
факторами. Пространственная структура ливневых осадков на Кавказе отличается
тем, что дожди со значительной интенсивностью выпадают преимущественно полосой,
в 3-4км. Продолжительность ливневых дождей и площадь распространения оказывают
примерно одинаковое влияние на величину его интенсивности [3]. В исследуемом
районе ливневая часть дождя по продолжительности, как правило, составляет
11-28% общей продолжительности дождя. За этот период выпадает от 56 до 80% от
общего количества осадков за дождь [4,5]. Общей тенденцией для осадков района
является возрастание их суммарного
количества с высотой (до уровня высокой конденсации), выше которого
происходит уменьшение осадков. Высота
максимума нарастания годовых сумм осадков возрастает с запада на восток от 2000
- до 2500м. [5]. На примере значительных осадков, выпавших в июне 2002 года и
вызвавших катастрофическое наводнение в предгорной и равнинной части водосбора
р. Кубань, можно проследить тенденцию в
изменении эффективной части паводкообразующих осадков с высотой. (Рис.
1) В паводок 2002 года в диапазоне высот от 250 до 1000 метров осадки за период
формирования максимальных расходов (эффективная часть дождя), составили по
различным метеостанциям от 80 до 152мм. Выше 1000м по метеостанциям Кулухарский
перевал (Н=2032м) и Теберда (Н=1328м) наблюденные осадки за эффективную часть
дождя ниже, соответственно 88,5 и 96,7мм. Несмотря на не достаточную
освещенность наблюдениями диапазонов высот выше 1000м, можно допустить, паводок
был сформирован дождями, выпавшими в предгорной части бассейна, на высотах до 1000м.
Рис. 1. Изменение
метеорологической силы эффективной части дождя с высотой
Гидрографы стока за период с 12 июня по 6
июля 2002 года позволяют отметить, что при выпадении осадков, вызывающих
значительные по максимальному расходу паводки, максимальные расходы воды в
горной части бассейна формируются, как правило, сразу после окончания
эффективной части дождя. Паводки,
вызвавшие катастрофические разрушения в предгорной и равнинной части бассейна
р. Кубань в зоне формирования этих паводков проходили на фоне повышенной пред
паводочной увлажненности бассейнов. Коэффициенты стока этих паводков изменялись в пределах от 0,36 (р. Зеленчук –
Архыз) до 0, 87 (р. Лаба – Бурное). Многочисленные исследования показали, что
аккумулирующая емкость водосборов в многолетнем разрезе увеличивается от начала
к концу теплого сезона. Численно это проявляется в снижении коэффициентов стока
за дождевые паводки в ходе теплого сезона года. В апреле – мае и начале июня
коэффициенты стока дождевых паводков рассматриваемых рек в различные годы
изменяются от 0,1 до 0,89, тогда как в августе - сентябре их предельные
значения не выше 0,4, возрастая в октябре – ноябре до 0.78 (в предельных
случаях).
По предложенной методике (формула 1) выполнен расчет наблюденных
максимальных расходов дождевых паводков. Средние отклонения наблюденных
максимальных расходов воды от вычисленных составили ± 14,8%. В 60%-ах случаев
расхождение между наблюденными и рассчитанными расходами составляет ± 30%. В 17
– ти случаях расчетные расходы ниже наблюденных (от -2 до -311%), а в 39
случаях расчетные выше наблюденных (от 8 до 85%) (Таблица 1). Применимость расчетной методики определения
максимальных расходов дождевых паводков оценивалась по данным за отдельные годы.
Полученные результаты следует
рассматривать как ориентировочные, хотя тенденция увеличения максимальных
модулей стока с увеличение значений «метеорологической силы дождя» (N)
прослеживается достаточно отчетливо по всем левобережным притокам бассейна р.
Кубань. Поверочные расчеты свидетельствуют, принципиальных противоречий в
возможности использования данного метода к расчетам максимального стока быстро
развивающихся дождевых паводков в исследуемом районе нет. Обработка всех наблюденных
паводков по всем водотокам за многолетний период позволит выполнить районирование территории по характеру
изменения формирующих максимальный сток факторов и адаптировать предложенную
расчетную схему определения фактических и обеспеченных максимальных расходов
дождевых паводков для рек района.
Литература
1.
Василенко Н. Г,
Херсонский Э. С. Расчет максимальных расходов дождевых паводков в районе трассы БАМ. Л., Гидрометеоиздат.
Труды ГГИ, вып. 212, с. 93-103.
2.
Василенко Н. Г,
Херсонский Э. С. О коэффициентах
подводного стока рек центрального участка БАМ. Л., Гидромтеоиздат, Тр.
ГГИ, 1978г., вып. 254, с. 42-54.
3.
Фигуровский И. В. Ливни
на Кавказе. тр. НТК НКПС, 1928г, вып. 86, с. 86-103
4.
Алибегова Ж.Д. Структура
полей жидких осадков за короткие
интервалы времени. Гидрометеоиздат, Ленинград,
1975г. 135с.
5.
Лурье П.М, Панов
В.Д, Ткаченко Ю.Ю. Река Кубань.
Гидрография и режим стока. Гидрометеоиздат, Санкт-Петербург, 2005г., 498с.