ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2013, том 40, № 6, с. 531-543
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.522
ПОДОБИЕ РЕК И ИХ СИСТЕМ1 © 2013 г. Н. И. Алексеевский, А. Г. Косицкий, В. В. Носань, А. В. Христофоров
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы E-mail: alexhydro@mail.ru Поступила в редакцию 05.12.2012 г.
Изучены критерии подобия рек и речных систем. Определен состав зональных и азональных признаков их подобия. Рассмотрена роль рисунка речных систем в изменении гидрографических и гидрологических характеристик рек от истоков к их устьям. Исследованы результативности методов фрактального и индикационного анализа речных систем. Установлено, что величина и масштабный эффект изменения различных характеристик системы поток—русло зависят от изменения порядков рек. Проведено сопоставление фрактальной размерности и масштабных эффектов их изменения. Получена универсальная зависимость порядка рек от площади водосборной территории и густоты речной сети. Вычисленная по 274 водосборам общая средняя квадратическая погрешность этой формулы равна 0.27, что доказывает возможность ее использования для гидрологических расчетов в различных ландшафтных условиях.
Ключевые слова: подобие рек и речных систем, фракталы, порядки рек, масштабные эффекты, гидрологические расчеты.
DOI: 10.7868/S0321059613060035
Огромное разнообразие рек затрудняет систематизацию информации об их состоянии и режиме, создает уникальность каждого водотока. При этом существует зональное изменение характеристик речного стока, типы водного режима рек, закономерное увеличение или уменьшение гидрологических характеристик при изменении площади речного бассейна [5, 7, 10, 15, 17]. В географо-гидрологических исследованиях указанные закономерности трансформации гидрологического режима рек широко используются для обоснования методов расчета и прогноза характеристик неизученных рек, являются основой для разработки разнообразных классификаций рек. Существенно реже эти закономерности используются при изучении подобия гидрологических объектов и процессов. Это мощное средство обобщения и интерпретации эмпирического материала редко применяется для характеристики пространственных или временный закономерностей изменения характеристик стока, других гидрологических процессов. Часто интуитивное использование при обобщениях признаков подобия процессов и территорий их проявления осу-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 12-05-00069).
ществляется без особого внимания к смыслу последующего их применения. В частности, большинство обобщений пространственных распределений гидрологических характеристик [6] отражает подобие средних рек по условиям формирования их стока. Оно утрачивается при переходе к малым водотокам, формирующим сток под большим влиянием азональных факторов, и к крупным рекам, сток которых зависит от особенностей формирования стока в нескольких природных зонах. Поскольку на этом обстоятельстве исследователи обычно не заостряют внимания, считая его очевидным, то формируются представления о "безразмерности" рек. Даже в наиболее известных учебниках по гидрологии роль размера рек в изменении их режимных характеристик часто не рассматривается вообще или оценивается в частных случаях. Все это порождает проблемы, когда расчетные зависимости, полученные на одних водных объектах, пытаются применить на других объектах. Масштабные искажения — одна из наиболее старых и острых проблем науки, которая не может быть преодолена без решения задачи учета размера рек в разнообразных методах гидрологических расчетов и прогнозов. В предлагаемой статье представлены современные взгляды на важ-
Таблица 1. Зональное изменение водоносности рек Q0, м3/с [13]
Природная зона Площадь водосбора, км2
100 1000 10000 100000
Тундра 10.3 47.9 223 1040
Тайга 2.24 17.2 132 1010
Смешанный лес 5.52 30.0 163 885
Лесостепь, степь 0.46 3.48 26.6 203
Полупустыни, пустыни 0.03 0.67 13.0 254
ность учета размера рек при характеристике их подобия, а также подобия структуры речной сети.
ГИДРОЛОГИЧЕСКОЕ ПОДОБИЕ РЕК
Реки и гидрологические процессы могут быть подобны, если для них одинаковы признаки подобия. На основе учета этих признаков созданы многочисленные гидрологические классификации [9, 16]. Основной признак подобия рек — сходство ландшафтных условий формирования их поверхностного стока. Две реки подобны друг другу, если для средних многолетних условий разности между слоями осадков х и испарения г в их бассейнах идентичны. Это условие следует из нормированного (на слой осадков) уравнения водного баланса для бассейна реки за многолетний период [2]. Равенство коэффициентов стока и испарения (соответственно у/х и г/х, где у — слой стока) — признак подобия рек по климатическим условиям формирования стока воды.
Различия рек одной природной зоны определяются степенью влияния азональных факторов. Азональность рек обычно проявляется в отклонении характеристик их состояния или режима от регионального фона. В частности, эти отклонения возникают вследствие различий сопоставляемых рек по средней высоте [2]. Орографический фактор определяет высотную зональность, который влияет на отношение разности между х и г, нарушение зонального характера ее распределения по территории, оказывает заметное воздействие на густоту речной сети. Реки, формирующие сток в одной природной зоне, будут заметно различаться между собой, если их бассейны расположены на равнине или в горной местности. Поэтому различают равнинные, полугорные и горные водотоки. Зависимость среднего многолетнего модуля стока М0 от средней высоты речного бассейна Нср особенно четко проявляется в горных районах. Однако и сравнительно неболь-
шие возвышенности на равнинных территориях существенно влияют на величину стока [18].
Мощный азональный признак подобия рек — их размер. В качестве характеристик размера рек обычно принимаются их длина, площадь речного бассейна и водоносность (средний многолетний расход воды или норма стока). Наиболее часто для этой цели в гидрологии используется величина площади водосбора F.
Варианты включения F в расчетные зависимости выражают значения этого предиктора в функциях изменения гидрологических характеристик по длине рек. При прочих равных условиях конкретному значению F соответствуют близкие гидрографические и осредненные гидрологические характеристики (расходы воды, наносов, растворенных веществ, биологических субстанций, тепла) [1, 12, 13, 19]. Если для двух и большего числа зональных рек F1 =F2 = ....F„ = const, то эти реки должны мало различаться по средним гидрологическим характеристикам. Увеличение абсолютного значения F (при равенстве других условий) соответствует однозначному и нелинейному возрастанию средних многолетних расходов воды (табл. 1). При переходе от условий избыточного увлажнения (тундра) к аридным происходит уменьшение нормы стока (F = const). Водоносность рек, формирующаяся в разных зональных условиях, может различаться в 5—300 раз и больше. Чем больше площадь водосбора реки, тем меньше зональные различия средних многолетних расходов воды вследствие увеличения естественной зарегулированности стока [4, 11, 20].
Площадь водосбора — количественный критерий для разделения рек на малые, средние и крупные. Малыми считаются реки с F < 2000 км2. К средним относятся водотоки, площадь бассейна которых составляет 2000 < F < 50000 км2. К большим относят реки с площадью бассейна >50000 км2 [8]. Целесообразно большие реки делить на крупные (50000 < F < 250000 км2), очень крупные (250000 < < F < 1000000 км2) и крупнейшие (F > 1000000 км2).
Бассейны больших рек расположены в нескольких природных зонах, что обуславливает полизональный тип их гидрологического режима. Для средних рек характерны зональные, а для малых — азональные особенности формирования их гидрологического режима. Это проявляется, в частности, в большем или меньшем дренировании подземных водоносных горизонтов, питающих реки. Большие и средние реки полностью дренируют подземные водоносные горизонты в пределах их водосбора, а малые — некоторую их часть. Вследствие этого возникают особые усло-
Рис. 1. Классификация типов рисунка речной сети. Ст — стволовая, СР — симметричная равномерная, СП — симметричная привершинная, СФ — симметричная Ф-образная, СК — симметричная корневая, ПР — правобережная равномерная, ПП — правобережная привершинная, ПФ — правобережная Ф-образная, ПК — правобережная корневая, ЛР — левобережная равномерная, ЛП — левобережная привершинная, ЛФ — левобережная Ф-образная, ЛК — левобережная корневая сеть.
вия формирования их водоносности, продолжительности фаз водного режима [10]. Интегральный признак подобия рек по совокупности азональных факторов — густота речной сети водосборных территорий [11]. Соотношение суммарной длины водотоков и площади, на которой развивается их сеть, уменьшается на равнинных территориях, в условиях слаборасчлененного рельефа, при распространенности на водосборах легкопроницаемых пород, почвенного покрова с преобладанием частиц легкого механического состава. Увеличение густоты речной сети сопровождается значительным расчленением водосборов. При этом возрастает доля площади водосбора, занятая труднопроницаемыми отложениями, коренными породами, лесными массивами. В соответствии с изменением этого фактора происходит трансформация зональных значений стока (при F = const).
ПОДОБИЕ РЕЧНЫХ СИСТЕМ
Изменение осредненных стоковых, гидрографических и морфодинамических характеристик по длине средней и большой реки происходит за счет впадения малых водотоков. Ниже слияния рек эти изменения носят скачкообразный характер вследствие соответствующего изменения площади водосбора. Поэтому трансформация характеристик реки по ее длине зависит от типа рисунка речной сети [2, 12]. В общем случае речные сети имеют стволовой или древовидный рисунок
(рис. 1). Стволовые сети характеризуются довольно малым числом водотоков (часто одним). Такой рисунок сети возможен в самых верхних звеньях речной сети. При увеличении размера главной реки маловероятно сохр
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.