ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2012, том 39, № 6, с. 598-607
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ^^^^^^^^^^ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.535.6(571.6)
ЭФФЕКТ ГИСТЕРЕЗИСА В СЕЗОННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СООТНОШЕНИЯ РАСХОДА И МУТНОСТИ ВОДЫ РЕК КРИОЛИТОЗОНЫ СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
© 2012 г. Н. И. Тананаев
Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН 663200 Игарка Красноярского края,1-й микрорайон, д. 8А E-mail: nikita.tananaev@gmail.com Поступила в редакцию 04.05.2011 г.
Исследованы закономерности проявлений гистерезисного эффекта в соотношении расходов и мутности воды рек криолитозоны Сибири и Дальнего Востока в отдельные фазы водного режима. Рассмотрены существующие типизации гистерезисных кривых, механизмы формирования пиков мутности на реках криолитозоны. На основании данных режимных наблюдений определены преобладающие типы гистерезисных кривых расход—мутность для 27 гидрологических постов на 16 крупных реках региона. Выявлена роль мерзлотных условий и процессов в формировании гистерезисного эффекта, установлена связь между типом гистерезисной кривой и преобладающим источником наносов.
Ключевые слова: соотношение расход—мутность, гистерезисный эффект, геокриологические условия.
Формирование стока наносов и их перемещение по русловой сети — важный фактор, определяющий условия и возможности хозяйственной деятельности, связанной с комплексным использованием рек и прилегающих участков речных долин. Количественные и режимные характеристики стока наносов определяют объем и режим заносимости водохранилищ, качество воды и условия существования водных биоценозов, оказывают влияние на функционирование объектов водоочистки и водоподготовки. Являясь одним из факторов русловых процессов, они воздействуют на динамику руслового потока, состояние водного пути (в особенности на перекатных участках), условия проектирования сооружений в прирусловых зонах рек [8]. Сток наносов остается одним из наименее изученных компонентов суммарного речного стока и элементов динамики русловых систем. В наибольшей степени это относится к рекам криолитозоны Сибири и Дальнего Востока, где мерзлотные условия влияют на специфику закономерностей формирования и транспорта наносов, а сеть централизованных наблюдений редка и не всегда репрезентативна.
Динамика стока наносов тесно связана с гидрологическим режимом водотока, а также с процессами денудации на его водосборе. Водный режим в заданном створе зависит от источников формирования стока (снеготаяние, дождевое событие), процессов его движения по водосбору ("хортоновский", подповерхностный или внут-
рипочвенный сток, концентрация стока в малые водотоки, перемещение по русловым системам), характеристик добегания с отдаленных частей водосбора. Интенсивность процессов денудации, выраженная через мутность потока в заданном створе, определяется количеством и объемом потенциальных источников наносов, их связью с приемным водотоком [1], а также потенциальной возможностью поступления материала в русло -вую сеть под действием тех или иных процессов (так называемой "доступностью" наносов) [27].
По результатам анализа обширного массива наблюдений исследователями получено эмпирическое соотношение
* = аОт, (1)
где О и ж — наблюденные (моментальные) величины расхода воды и мутности речного потока соответственно, а и т — эмпирические коэффициенты. Приведенная функциональная зависимость адекватно применима только к полю точек за многолетний период, для которого она приблизительно соответствует центральной линии [7]. Кроме того, использование этого уравнения для аппроксимации набора данных с целью получения в дальнейшем расчетной модели приводит к существенной недооценке суммарного стока наносов (с ошибками до 50%) [20]. Основные причины недооценки — неучет внутригодовой изменчивости стока наносов, поскольку лишь в редких случаях связь расхода и мутности воды имеет ли-
Расход воды Расход воды Расход воды Расход воды
Рис. 1. Внутригодовая изменчивость связи мутности и расхода воды (по [28]).
нейный характер [32]. В течение года изменения расхода воды и мутности потока приводят к значительным отклонениям от линии статистической связи, образуя кривые и петли разнообразных форм, которые могут быть получены как для отдельных сезонов и года в целом [29—30], так и для отдельных гидрологических событий — половодий, паводков, штормовых событий [1, 19, 27].
ЭФФЕКТ ГИСТЕРЕЗИСА: ВРЕМЕННОЕ
МАСШТАБИРОВАНИЕ И ТИПИЗАЦИЯ
Неоднозначность связи расхода и мутности воды, приводящая к тому, что при одном и том же расходе воды мутность может изменяться в широких пределах, принято называть эффектом гистерезиса [21]. Кривая гистерезиса применительно к соотношению расхода и мутности воды в общем случае имеет петлеобразную форму и состоит из соединяющихся между собой ветвей подъема и спада, соответствующих периоду увеличения расхода воды до момента пика, и последующего его снижения. В случае превышения ветви подъема над ветвью спада кривая гистерезиса направлена по часовой стрелке и называется положительной, в обратном случае — отрицательной.
В отдельные сезоны и за год в целом основным фактором формирования нелинейности в соотношении расхода и мутности воды являются различия в источниках питания рек, скорость движения волн расходов и мутности по гидрографической сети, а также неодновременность протекания отдельных эрозионных процессов [28] (рис. 1). Весенние талые снеговые воды на реках с преимущественно ледниковым питанием имеют меньшую мутность относительно вод ледников, тающих в середине и конце лета, что приводит к формированию отрицательной кривой гистерезиса (рис. 1а). На реках с преимущественно снеговым питанием максимум мутности приходится на период снеготаяния, в дальнейшем мутность значительно снижается, в этом случае формируется положительная кривая (рис. 1б). График связи в виде двойной петли характерен для рек, в пределах водосбора которых имеется один или несколько источников поступления наносов, в
режиме функционирования которых наблюдается сезонная изменчивость. В этом случае снижение расходов воды в осенне-летний период не связано с уменьшением значений мутности (рис. 1в). Хаотическая связь (рис. 1г) характерна для участков крупных рек с малыми значениями мутности (например, вытекающих из озер), где значительную роль играют притоки, определяющие асинхрон-ность наступления отдельных фаз водного режима, а также для арктических рек [28].
Эффект гистерезиса характерен и для наиболее динамичных отрезков годового гидрографа — отдельных гидрологических событий (половодий, паводков, штормов). Его учет связан с понятием "эффективного", или "доминантного", расхода и выводами Уолмэна и Миллера, согласно которым основное количество наносов проходит через заданный створ за отдельные события крайне малой повторяемости. Следовательно, роль остальных периодов года даже в многолетнем разрезе пренебрежимо мала [33]. Использование различных уравнений вида (1) для ветвей подъема и спада значительно повышает точность расчетного определения стока наносов как за единичное событие, так и в сумме за год [30]. Связь типов гистерезисных 5(0-кривых с источниками наносов и их истощением предложено использовать как идентификатор для определения превалирующего источника наносов в отдельные фазы водного режима. С помощью анализа кривых гистерезиса проводится оценка роли отдельных факторов и процессов в формировании суммарного потока наносов на водосборе и его доставке в приемный водоток [26].
В многоводную фазу водного режима вид связи расхода и мутности воды 5 = 5(0 зависит от интенсивности изменения этих параметров во времени, от синхронности их колебаний. Выделение типов кривых связи 5(0 на основе качественного сопоставления идеализированных графиков хода мутности и гидрографов с различными соотношениями времени прохождения и высоты пиков, а также их асимметрии выполнена в [32]. Работа не предлагает строгого, математически обоснованного подхода к формализации гидрографов и графиков хода мутности; на качественном уровне
Рис. 2. Основные типы связей между мутностью воды ж, г/м3, и расходом воды О, м3/с (по [32] в модификации Н.И. Алексеевского [1]), Г - время, с.
выделено пять основных классов кривых ж(О)-свя-зи (редуцированных Н.И. Алексеевским [1] до 4), которые в свою очередь делятся на 13 типов (рис. 2).
Типы кривой 1а—1в и 11а—11б, описывающие однозначную (прямолинейную или криволинейную) связь между расходом и мутностью воды, по материалам натурных наблюдений различных авторов, имеют наименьшую встречаемость [31]. Для их формирования необходима синхронность в прохождении пиков расхода и мутности воды и одинаковая интенсивность изменений этих характеристик во времени. Это условие выполняется в период прохождения резких паводков на малых водосборах, низкая инерционность которых обеспечивает быструю доставку в поток эродированного материала [4], или при нахождении основного источника поступления наносов в непосредственной близости от створа поста. Отсутствие ограничений в количестве потенциально доступных для размыва наносов также может приводить к тому, что мутность потока в период прохождения единичного события связана только с транспортирующей способностью потока и его гидравлическими характеристиками [6, 18].
Фазовое смещение пиков О и ж, изменение асимметрии и полноты графиков проводит к формированию в их соотношении кривых гистерезиса (тип III) как положительных (Ша—Шг), так и отрицательных (Шд—1Уе), являющихся наиболее изученными и встречаемыми при натурных наблюдениях по всему миру [15]. Формирование
положительных петель объясняется в общем случае снижением величин мутности в период прохождения пика расходов или резким их увеличением на подъеме гидрографа.
Основные причины уменьшения мутности потока — уменьшение количества наносов на водосборе или в русле, потенциально доступных для смыва в данное эрозионное событие, до прохождения максимума расхода воды либо асинхронное поступление наносов из вышерасположенных притоков [16, 26]. В случае хорошей инфильтра-ционной проницаемости грунтов на водосборе мутность потока может снижаться из-за разбавлен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.