Масштабные эффекты изменения гидрологических характеристик по длине русловых систем

Конференция памяти Ю.Б.ВиноградоваСанкт-Петербург, 16-18 ноября 2013 г.

Масштабные эффекты изменения гидрологических характеристик по длине

русловых систем

Алексеевский Н.И

МГУ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

рп QQdt

dW W – объем воды в стоковом элементе, м3; Q – расходы воды, м3/c (Qп - поступления, Qр − удаления воды из этого элемента)


max

max

0

п0 τ)(τ

),(vs

vsvs vsvs

dshFtxQ

Q – расход воды, м3/c; F − площадь, с которой вода поступает в данный створ в момент времени t = ; - время добегания воды, ho и sп− соответствующий слой стока и потерь стока


Qр = [exp (W) – 1]

β)])((exp[

β1

β)(

п00

0п

пp

QttQ

QQ

QtQ

,

Qо – расход воды из стокового элемента в начальный момент времени tо, и – коэффициенты, характеризую-щие процесс истечения воды из стокового элемента; = а = а*F; =b=b*F; F – площадь стокового элемента

№№ стоково-

го элемента

Тип стока Параметр

а, м-1

Характерные величины склоновых элементов

время ab,

с

интенсивность истечения воды q,

лс-1км-2

запасы воды hз, мм

1быстрый грунтовый

10 105 103 692 3,16 3,16∙105 4,64∙102 1213 1 106 2,15∙102 1954

грунтовый3,16∙10-1 3,16∙106 102 301

5 10-1 9,85∙106 4,64∙101 4546 3,16∙10-2 3,16∙107 2,15∙101 6747

верхний подземный

10-2 108 10 9958 3,16∙10-3 3,16∙108 4,64 14649 10-3 109 2,15 2152

10глубокий подземный

3,16∙10-4 3,16∙109 100 3161

11 10-4 1010 4,64∙10-1 4640

12 3,16∙10-5 3,16∙1010 2,15∙10-1 6812

13истори- ческий подземный

10-5 1011 10-1 10000

14 3,16∙10-6 3,16∙1011 4,64∙10-2 14678

15 10-6 1012 2,15∙10-2 21540


Индикационная гидрология - наука о закономерностях изменения осредненных характеристик речного стока, гидрографических и морфодинамических параметров русла и поймы рек


Речная сеть

Стволовая Древовидная Симметричная Асимметричн

ая

Правосторонняя Левосторонняя

Ст

СП

СК

ПП

ПК

ЛП

ЛК

СР

СФ

ПР

ПФ

ЛР

ЛФ

Типы рисунков речной сети


Порядок реки N–критерий (признак) подобия характеристик Mi системы поток-русло на разных участках русловой сети

Mi = aiexp(biN)


Схемы кодирования рек: традиционная (а), Хортона (б), Стралера-Филосова (в), Ржаницына (г), Шриве (д), Шайдеггера (е)

Что такое река

1 порядка?

верхнее звено эрозионной сети (порядок «реки»?)

река с длиной 10-15 км

верхний неразветвленный водоток -

река с длиной менее 10 км


Р. Хортона Н.А.Ржаницына Е.А.Черных А. Шайдеггера

Методы расчета N

N = log2S +1 S – число водотоков

1 порядка

Общая идеяNч

Nр

Nдр

Nш

Nш= Nч+5

L =aNp

F =bNd

Зональные закономерности соответствия длины L, уклона I , площади водосбора F и порядка рек N

N

L, км

F, км2

I

I =cN-d


Коэффициенты

масштабного изменения площади

водосбора (КF), длины и

уклона рек (КL

и КI) (Косицкий,

2003)

Река Природная зона

КF КL КI

Колыма тайга 2,0 1,3 -

Лена тайга 2,0 1,3 0,7

Енисей тайга 2,0 1,3 -

Печора тайга 2,0 1,3 0,7

Северная Двина

тайга 2,0 1,3 0,8

Кама тайга,см.леса 2,1 1,3 -

Ока см.леса 2,1 1,3 -

Дон лесостепь 2,0 1,4 0,7

Амур тайга 2,0 1,3 -

Ki =МN+1,i/MN,i


0

50

100

150

200

250

300

350

7 8 9 10 11 12 13 14N Ш

Q 0, м3/с

Модуль стока для характерного расхода воды

а0 а1 а2 а3 R σε σ∆

среднегодового -4,86 0,02 -0,10 0,38 0,90 1,51 28максимального 110,6 0,31 -2,29 -6,75 0,57 59,2 49минимального (летне-осеннего) -3,56 0,01 -0,04 0,29 0,83 1,69 58Минимального ( зимнего) -3,13 0,004 0,01 0,01 0,78 0,41 69

Зависимость модуля стока воды M от годовой суммы осадков P, суммы положительных температур T и порядка р. Амур N [Соколова, 2013]:

Мi = a0+a1P+a2T+a3N

Влияние рисунка сети на водоносность рек

Зональное соответствие нормы стока Q0 и порядка

реки Nш



Район Природные условия KQ0 KQmax KQmin л KQmin з

СевернаяДвина

тайга 2,0 1,8 2,2 2,1

Печора тайга 2,0 1,9 2,1 2,1

Ока смешанные и широколиственные

леса

2,1 1,7 2,4 2,3

Кама

тайга 2,0 1,8 2,4 2,4

смешанные и широколиственные

леса

2,1 1,7 3,0 2,9

Дон лесостепь 2,1 1,7 2,6 2,4

Река Природная зона КQ КR КG

Амур тайга 2,0 2,2 1,2

Северная Двина тайга 2,0 2,0 1,4

Кама тайга, смешан.леса 2,1 2,3 1,6

Ока смешанные леса 2,1 1,8 1,4

Дон лесостепь 2,1 2,0 1,4

Коэффициенты масштабных изменений характерных расходов воды KQi

взвешенных КR

и влекомых наносов КG

Ki =МN+1,i/MN,i


Nш 6 7 8 9 10 11 12 13 14

B, м 14 20 28 40 58 82 120 170 240

B =f(Nш) для рек в бассейне Дона

Река Печора Северная Двина

Дон Колыма

KB 1,6 1,4 1,4 1,3

Коэффициенты масштабных изменений ширины русел для некоторых рек

KB = BN+1/BN

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 2 4 6 8 10 12 14 16N р

h /B

1

2

Зависимость относительной глубины потока h/B

на плесах (1) и перекатах (2) от порядков рек NР [Ржаницин, 1960]

fср,i = 100,3 Nш − 1,52

Зависимость средней площади пойм от порядков рек и ее использование для определения их суммарной площади [Алексеевский, Нестеренко, 2012]


Порядок Nш

Бассейн р.Ветлуга Бассейн р.Чепца

Количество рек с

порядком Nш

Площадь поймы, км2

Количество рек с

порядком Nш

Площадь поймы, км2

1 39 58 13 19

2 42 110 10 26

3 58 209 37 133

4 77 351 38 173

5 49 277 29 164

6 26 184 17 120

7 24 220 12 110

8 9 115 4 51

9 2 40 3 59

10 1 36 1 36

11 1 77 0 0

12 0 0 1 197

13 1 606 - -

Суммарная площадь 2282 Суммарная площадь

1089


Линии функций hg=f(N)

lghg,м

lgN

Линии раздела для разных (А,…Д) типов

гряд

А

Зависимость высоты hg различных типов гряд от порядков рек N [Алексеевский, 1987]

Д

Фаза водного режима j

Пара-

метры

Тип гряд h gi, м

А Б В Г Д

половодьеki1

0,046 0,018 0,032 0,023 0,005

ki21,95 2,00 1,50 1,40 1,90

меженьki1

0,046 0,018 0,018 0,005 0,003

ki21,95 2,00 2,00 2,00 2,00Параметры зависимости

hgi,j = ki1 exp (ki2Nч)

hgij – высота гряд i-того типа в j–тый сезон года

Nч – порядок реки по Е.А.Черных (1971)


Дельтовые разветвления

неразветвленный, бесприточный участок

разветвленный участок


Nу

Q i

Расходы воды рек(lgQ, м3/с)

Порядки рек (lg N)

Q =f (N)

Характеристики участков разветвлений

К концепции «условных порядков» водотоков


Нерациональная (а) и рациональная (б) структура мониторинга в

дельтовых рукавах

Nу = 10Nу = 9

Nу = 9

Nу = 8

Nу = 8

Nу = 8

Nу = 8

У = 1

У = 2

У = 3

активизация

стабилизация

отмирание

Состояние водотока

пункт наблюдений

N = 10

Nу = 9

Nу = 9

Nу = 8

Nу = 8

Nу = 8

Nу = 8

У = 1

У = 2

У = 3

Характеристика отличий

неразветвленных и разветвленных участков рек по

плотности нерестилищ

[Ермакова, Чалов, 2008]

Проблемы структурной организации водно-эрозионной сети

Временные нерусловые потоки

Временные русловые потоки

Постоянные русловые потоки



Проблемы создания единой системы кодировки элементов временных и постоянных водотоков

неоднозначность выделения рек первого порядка

ограничения дихотомической схемы кодирования элементов сети

(N 1)

различия в выделении порядков постоянных и временных водотоков

Склоновые потоки

Ручьи в оврагах и балках

РекиQmax=f (F)

Связь максимальных расходов и порядков водотоков

1 100,121


Номограмма для определения порядков временных и постоянных водотоков Nш в зависимости от расхода воды (Qm) и площади водосбора (F)


Изменение максимальных расходов (м3/с), площадей (км2) и условных порядков временных и постоянных водотоков в бассейне р. Пола

Водоток

Рас-стояние

от истока,

км

Площадь водосбора,

км2

Максима-льный расход

воды, м3/с

Условный порядок

Еловый 0,03 0,0023 0,000085 0,11

Центральный 0,18 0,01 0,000343 0,16

Сосновый 0,43 0,093 0,00193 0,29

Таежный 1,3 0,45 0,0136 0,44

Архиерейский 4,7 2,67 0,0632 0,72

Насва 31 1080 11,9 3,7

Полометь 112 2180 33,7 4,4

Пола 200 6450 84,3 6,0


Documents

Масштабные эффекты изменения гидрологических характеристик по длине русловых систем