Основные гидрологические характеристики рек бассейна верхней волги

«НАУЧНО-ПРИКЛАДНОЙ СПРАВОЧНИК ОСНОВНЫЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕК БАССЕЙНА ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ Под редакцией В. Ю. ГЕОРГИЕВСКОГО Ливны, 2015 УДК . »

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Федеральное государственное бюджетное учреждение

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

НАУЧНО-ПРИКЛАДНОЙ СПРАВОЧНИК

ОСНОВНЫЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕК

БАССЕЙНА ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ

Под редакцией В. Ю. ГЕОРГИЕВСКОГО Ливны, 2015 УДК 556.5.04 ББК 26.222 Н346 Научно-прикладной справочник: Основные гидрологические характеристики рек бассейна Верхней Волги [Электронный ресурс] / Коллектив авторов; под редакцией Н346 Георгиевского В.Ю. — Электрон. Текстовые и граф. дан. в формате PDF (2 файла: 35Мб). – Ливны: Издатель Мухаметов Г.В., 2015. — 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) — Систем.

требования: ПК 486 или выше; 8 Мб ОЗУ; Windows 95; SVGA; 4х CD-ROM дисковод; мышь;

Acrobat Reader 3.0 или старше. — Загл. с экрана. — Диск помещен в контейнер 12,5×14 см.

ISBN 978-5-904246-64-8 В справочнике представлены результаты расчетов основных гидрологических характеристик по 462 постам бассейна рек Верхней Волги за период по 2010 год: среднемноголетние и вероятностные значения средних годовых расходов и слоев стока, максимальные расходы и слои стока весеннего половодья и дождевых паводков, минимальные суточные и 30-суточные расходы зимнего и летнего периодов.

Справочник предназначен для специалистов в области инженерных расчетов гидрологических характеристик, мелиоративной гидрологии, гидротехники и охраны водных ресурсов территории.

УДК 556.5.04 ББК 26.222 Seientific and Applied Reference: The main hydrological characteristics river basins of the Upper Volga River The reference manual presents the results of calculations of the main hydrological characteristics by 462 gauge stations of the Upper Volga river basin for the period up to 2010: average long- term discharges and probabilistic values of average annual runoff and layers of flow, maximum discharges and layers of spring floods and rain-induced floods, the minimum daily and monthly discharges for winter and summer periods.

The reference manual is intended for specialists in the field of engineering calculations of hydrological characteristics, land reclamation, hydraulic engineering and water resources conservation.

© ФГБУ «ГГИ», 2015 ISBN 978-5-904246-64-8 © Оформление. Издатель Мухаметов Г.В., 2015

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

1 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАССЕЙНА ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ. 17

1.2 Геология и ландшафты

1.3 Растительный покров

1.4 Подземные воды

2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ И ЕЕ ИЗУЧЕННОСТЬ. 44

2.1 Гидрографическая сеть

2.2 Гидрологическая изученность

2.3 Основные гидрографические характеристики водосборов до гидрометрических створов

3 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ

3.1 Определение расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений

3.2 Однородность и стационарность многолетних рядов гидрологических характеристик. 60

3.3 Определение расчетных гидрологических характеристик при неоднородности ряда гидрометрических наблюдений

3.4 Погрешности определения расчетных параметров гидрологических характеристик. 62

3.5 Технологическое обеспечение инженерных гидрологических расчетов

3.6 Методика определения внутригодового распределения стока рек

3.7 Методика картирования расчетных параметров основных гидрологических характеристик

3.8 Уточнение параметров распределения гидрологических характеристик методом объединения данных наблюдений по группе постов

4.1 Характеристика годового стока

4.2 Исходные данные

4.3 Однородность и стационарность

4.4 Расчетные параметры распределения

4.5 Карты расчетных параметров

5 ВНУТРИГОДОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СТОКА РЕК БАССЕЙНА ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ. 78

5.1 Факторы формирования внутригодового распределения стока в бассейне Верхней Волги

5.2 Характеристика внутригодового распределения стока рек

6 СТОК ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ

6.1 Характеристика весеннего половодья

6.2 Исходные данные

6.3 Однородность и стационарность

6.4 Расчетные параметры распределения

6.5 Карты расчетных параметров

7. СТОК ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ

8 МИНИМАЛЬНЫЙ СТОК

8.1 Условия формирования минимального стока

8.2 Минимальный летне-осенний сток

8.2.1 Исходные данные

8.2.2 Однородность и стационарность

8.2.3 Расчетные параметры распределения

8.3 Минимальный зимний сток

8.3.1 Исходные данные

8.3.2 Однородность и стационарность

8.3.3 Расчетные параметры распределения

8.4 Карты расчетных параметров

9. РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ ВЕРХНЕВОЛЖСКОГО БАССЕЙНА ПО

СООТНОШЕНИЮ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВАРИАЦИИ И АСИММЕТРИИ

МАКСИМАЛЬНЫХ РАСХОДОВ ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДИКИ СОВМЕСТНОГО АНАЛИЗА

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Перейти к приложениям

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А.1 Список гидрологических постов Приложение А.2 Основные гидрографические характеристики водосборов в пунктах гидрологических наблюдений Приложение А.3 Параметры и расчетные значения среднегодового стока Приложение А.4 Параметры сезонного стока по изученным рекам бассейна Приложение А.5 Распределение стока по месяцам и сезонам в пунктах наблюдений (в процентах от годового) Приложение А.6 Внутригодовое распределение стока методом реального года (в слоях и в процентах от годового) Приложение А.7 Параметры и расчетные значения максимальных расходов воды весеннего половодья Приложение А.8 Параметры и расчетные значения слоя стока весеннего половодья Приложение А.9 Основные характеристики наибольших за многолетний период максимальных расходов дождевых паводков Приложение А.10 Расчетные значения максимальных расходов и слоев стока дождевых паводков Приложение А.11 Параметры и расчетные значения минимальных 30-суточных расходов воды за летне-осенний период Приложение А.12 Параметры и расчетные значения минимальных суточных расходов воды за летне-осенний период Приложение А.13 Параметры и расчетные значения минимального 30-суточного расхода воды за зимний период Приложение А.14 Параметры и расчетные значения минимального суточного расхода воды за зимний период

Перейти к приложениям

CONTENT

1. Upper Volga Basin physical-geographical characteristics……………………………. 17

2. General characteristics of the hydrological network and its investigation……. ……..44

2.2. The hydrological investigation…………………………………………………………..…53

2.3. Main hydrographic characteristics of the basins before the hydrometric ranges…………..57

3. Calculation data hydrological characteristics determination techniques……………. 59

3.1. Rated hydrological data determination in the presence of hydrometric observation……. 59

3.2. Homogeneity and stationary basic hydrological characteristics…………………………..60

3.3. Rated hydrological data determination in a case of series nonhomogeneity of observation……………………………………………………………………………………. 61

3.4. Errors in a rated hydrological data determination…………………………………………62

3.5. Technological maintenance of engineering hydrological calculations, based on modern automated system………………………………………………………………………………..64

3.6. Intra-year river runoff distribution determination techniques……………………………. 64

3.7. Method of mapping of rated data main hydrological characteristics………………………67

3.8. Tuning of a hydrological characteristics distribution parameters by combining method of observation data on gouge stations groups…………………………………………………. 69

4.1. Characteristics of the annual runoff……………………………………………………….72

4.3. Homogeneity and stationary……………………………………………………………….73

4.4. Estimated parameters of the distribution…………………………………………………..73

5. Intra-year river runoff distribution of the Upper Volga basin………………………. 78

5.1. Factors of formation of intra-year runoff distribution in the Upper Volga Basin…………78

5.2. Intra-year river runoff distribution characteristics…………………………………………81

6.1. Spring flood characteristics………………………………………………………………..93

6.3. Estimation of the uniformity and stationary……………………………………………. 95

6.4. Determination of the distribution parameters…………………………………………. …96

8.1. Minimum runoff forming conditions……………………………………………………..106

8.2. Minimum summer-autumn runoff………………………………………………………. 108 8.2.1. Initial data ……………………………………………………………………………..108 8.2.2. Uniformity and stationary……………………………………………………………. 109 8.2.3. Estimated parameters of the distribution………………………………………………110

8.3. Minimum winter runoff…………………………………………………………………. 111 8.3.1. Initial data……………………………………………………………………………. 111 8.3.2. Uniformity and stationary……………………………………………………………. 112 8.3.3. Estimated parameters of the distribution………………………………………………113

8.4. Maps of rated parameters………………………………………………………………. 114

9. Regionalization of the Upper Volga Basin area by the ratio of the variation coefficients and maximum spring flood discharge asymmetry, using joint analysis method…………120 Conclusion………………………………………………………………………………….…122 References……………………………………………………………………….………….…124 Appendix A.1. List of hydrological stations Appendix A.2. Main hydrographic basin characteristics in the hydrological gauge stations Appendix A.3. Average annual runoff parameters and rated data Appendix A.4. Seasonal runoff parameters on investigational river basin Appendix A.5. Runoff distribution on months and seasons (as a percentage of annual) in gauge stations Appendix A.6. Intra-year runoff distribution by real year method (in layers and in % of annual) Appendix A.7. Parameters and estimated values of maximum water discharges of spring flood Appendix A8 Parameters and estimated values of the spring flood Runoff layer Appendix A.9 Main characteristics of the largest maximum discharges of rain floods for longyear period Appendix A.10 Estimated values of the maximum discharges and layers of rainwater flooding Appendix A.11 Parameters and estimated values of the minimum 30- day water discharge for the summer-autumn period Appendix A.12 Parameters and estimated values of the minimum daily water discharges during the open channel period Appendix A.13 Parameters and estimated values of the minimum 30-day water discharge for the winter period Appendix A.14 Parameters and estimated values of the minimum daily water discharge for the winter period

ПРЕДИСЛОВИЕ

В соответствии с «Водной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года» [126] одной из важнейших научно-прикладных задач является обобщение по территории Российской Федерации гидрологических материалов в виде справочных изданий и актуализированных карт расчетных гидрологических характеристик водных объектов. Актуальность задачи обусловлена тем, что последние обобщения гидрологических характеристик для территории СССР/России были выполнены более 40 лет назад при подготовке монографии «Ресурсы поверхностных вод СССР» [2] и в «Пособии по определению основных расчетных гидрологических характеристик»

включающих Атлас карт, обобщающих материал по основным гидрологическим [3], характеристикам на основе данных наблюдений до 1975 года. Использование результатов расчетов основных гидрологических характеристик и выполненных обобщений, представленных в этих монографиях, в настоящее время не представляется возможным, поскольку они не учитывают данных гидрометрических наблюдений за последние десятилетия. Именно в этот период в бассейне Волги произошли климатические изменения, оказавшие значительное влияние на внутригодовое распределение стока, формирование максимальных и минимальных расходов воды.

Научно-прикладной справочник подготовлен в рамках выполнения Государственного контракта «Обобщение по территории Российской Федерации данных гидрологического мониторинга в виде справочных изданий и актуализированных карт расчетных гидрологических характеристик рек бассейнов Верхней Волги, Камы и Нижней Волги». Контракт был заключен между ФГБУ «Государственный гидрологический институт» и ФГБУ «Информационноаналитический центр развития водохозяйственного комплекса» за счет средств федеральной целевой программы «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012– 2020 годах».

Справочник подготовлен в ФГБУ «Государственный гидрологический институт» при участии ФГБУН «Институт водных проблем РАН», Географического факультета ФГБОУВО «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова», ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных», ФГБУН «Институт географии Российской академии наук».

Научное руководство подготовкой справочника и его редактирование осуществлял д.г.н.

Георгиевский В. Ю.

В составлении отдельных разделов научно-прикладного справочника принимали участие:

глава 1 «Физико-географические характеристики бассейна Верхней Волги», раздел 1.1 – к.г.н. Суркова Г. В. (МГУ); раздел 1.2 – к.г.н. Панин А. В., к.г.н. Горбунова И. А. (МГУ), к.г.н.

Георгиади А. Г., д.г.н. Коронкевич Н. И. (ИГ РАН); раздел 1.3 – д.г.н. Огуреева Г. Н. (МГУ), д.г.н.

Коронкевич Н. И., к.г.н. Георгиади А. Г. (ИГ РАН); раздел 1.4 – д.г.-мн.н. Зекцер И. С. (ИВП РАН), комплект карт — к.г.н. Агафонова С. А. (МГУ);

глава 2 «Общая характеристика гидрологической сети и ее изученность», раздел 2.1 – д.г.н.

Алексеевский Н. И., к.г.н. Косицкий А. Г. (МГУ); раздел 2.2 – вед. инж.-программист Молчанова Т. Г., вед. инженер Грек Е. А. (ГГИ); раздел 2.3 – к.г.н. Журавлев С. А., вед. инженер Сазонова Д. Г., вед. инженер Бузмаков С. В., инж.-программист Журавлева А. Д. (ГГИ);

глава 3 «Методика определения расчетных параметров гидрологических характеристик», разделы 3.1–3.5 – к.т.н. Лобанова А. Г. (ГГИ); раздел 3.6 – вед. инж.-программист Молчанова Т. Г.(ГГИ); раздел 3.7 – к.г.н. Журавлев С. А. (ГГИ); раздел 3.8 – д.т.н. Болгов М. В., Осипова Н. В. (ИВП РАН);

глава 4 «Годовой сток» – к.г.н. Лобанова А. Г., вед. инженер Шалашина Т. Л. (ГГИ);

глава 5 «Внутригодовое распределение стока», раздел 5.1 – д.г.н. Алексеевский Н. И., к.г.н.

Повалишникова Е. С., д.г.н. Фролова Н. Л. (МГУ); раздел 5.2 – д.г.н. Фролова Н. Л., к.г.н.

Киреева М. Б. (МГУ), вед. инж.-программист Молчанова Т. Г., вед. инженер Кузнецова О. М.

(ГГИ), комплект карт – к.г.н. Агафонова С. А. (МГУ);

глава 6 «Сток весеннего половодья» – вед. инженер Грек Е. А. (ГГИ);

глава 7 «Сток дождевых паводков» – к.г.н. Василенко Н. Г., к.г.н. Банщикова Л. С., вед. инженер Шаромова Т. А. (ГГИ);

глава 8 «Минимальный сток» – к.г.н. Марков М. Л., к.г.н. Гуревич Е. В., вед. инженер Георгиевский Д. В. (ГГИ);

глава 9 «Районирование территории Верхневолжского бассейна по соотношению коэффициентов вариации и асимметрии максимальных расходов воды весеннего половодья» – д.т.н. Болгов М. В., Осипова Н. В. (ИВП РАН).

Работы по критическому анализу и подготовке исходной информации по характеристикам речного стока от начала наблюдений до 2010 г. включительно (средние месячные данные за все годы наблюдений, средние годовые, максимальные расходы и слои стока весеннего половодья, максимальные расходы дождевых паводков, минимальные суточные и 30-суточные расходы за зимний и летний периоды), подготовке программного сопровождения для создания архивов исходной информации и расчетов максимальных слоев стока весеннего половодья, 30-суточных минимальных летних и зимних расходов за период 1981–2010 гг. выполнены сотрудниками ВНИИГМИ-МЦД: д.т.н. Копыловым В. Н., к.ф.-м.н. Ковалевым Н. П., зав. лабораторией Шевченко А. И., н.с. Готовченковой И. Л., к.т.н. Яковенко Л. И., программистом Бехтяновой И. В., программистом Андреевым А. Г., н.с. Дегтяренко Т. И., зав. сектором Атапиной Н. М.

Карты, представленные в разделах 1 и 5, построены к.г.н. Агафоновой С. А. (МГУ), в разделах 2, 4–8 – к.г.н. Журавлевым С. А., вед. инженером Сазоновой Д. Г., вед. инженером Бузмаковым С. В., вед. инженером-программистом Журавлевой А. Д. (ГГИ).

В основу помещенных в справочнике материалов, анализа, расчетов и обобщений положены данные наблюдений по 462 постам Государственной гидрологической сети Росгидромета за весь период наблюдений по 2010 г. включительно.

В работе использованы современные методы гидрологических расчетов, реализующих требования официальных нормативных документов [4] и методических рекомендаций [5–8].

Расчеты выполнены с применением сертифицированного программного комплекса HydroStatCalc, разработанного в Государственном гидрологическом институте [9].

Представленные в научно-прикладном справочнике материалы предназначены для широкого применения при проектировании, строительстве и эксплуатации водохозяйственных объектов, в том числе предназначенных для обеспечения защиты социально-экономических объектов от негативного воздействия вод.

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

ГОСТ 19179-73 Гидрология суши. Термины и определения ГОСТ 28441-99 Картография цифровая. Термины и определения ГОСТ 7.32-2001 Отчет о научно-исследовательской работе ГОСТ Р 50828-95 Геоинформационное картографирование. Пространственные данные, цифровые и электронные карты. Общие требования СНиП 11-02-96 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения СП 11-103-97 Инженерные гидрометеорологические изыскания для строительства СП 33-101-2003 Определение основных расчетных гидрологических характеристик

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Автокорреляция – корреляция ряда величин с этим же рядом, сдвинутым на некоторый интервал времени или расстояния.

Азональность гидрологических явлений – особенности режима поверхностных и подземных вод, отклоняющихся от общих закономерностей зонального (широтного и вертикального) распределения гидрологических характеристик.

Антропогенная (техногенная) нагрузка – мера прямого и косвенного воздействия человека и народного хозяйства на природу в целом или на ее отдельные компоненты (ландшафты, почвы и др.).

Антропогенные факторы – факторы, обусловленные хозяйственной деятельностью человека и влияющие на природную среду.

Внутригодовое распределение стока – распределение стока по частям года (сезонам, месяцам, декадам); обычно выражается в долях или процентах от величины годового стока.

Водность – относительная характеристика стока за определенный интервал времени по сравнению с его средней многолетней величиной или величиной стока за другой период того же года.

Водные ресурсы – поверхностные и подземные воды, которые находятся в водных объектах и используются или могут быть использованы.

Водный кадастр – систематизированный свод сведений о качественных и количественных характеристиках водных объектов за каждый год и за многолетний период.

Водный режим – изменение во времени уровней, расходов и объемов воды в водных объектах.

Водозаборное сооружение – гидротехническое сооружение, предназначенное для забора воды.

Водохозяйственная деятельность – деятельность граждан и юридических лиц, связанная с использованием, восстановлением и охраной водных объектов.

Водохозяйственный год – расчетный годичный период времени, начинающийся с самого многоводного периода.

Географическое положение бассейна – положение бассейна на поверхности Земли, выраженное совокупностью географических координат (широта и долгота), в пределах которых он располагается.

Гидрографическая длина реки – длина реки от наиболее удаленного истока.

Гидрографическая сеть поверхности суши – система постоянно и временно действующих водотоков и озер.

Гидрологическая изученность – сведения о количестве и размерах рек, их стационарной и экспедиционной изученности, о гидрологических станциях и постах.

Гидрологические данные – сведения о гидрологических явлениях, элементах и характеристиках.

Гидрологические карты – карты, отображающие распределение по территории гидрологических характеристик и параметров расчетных схем и формул.

Гидрологические наблюдения – систематические и эпизодические наблюдения (измерения) за гидрологическими характеристиками и элементами водного режима.

Гидрологические расчеты – раздел инженерной гидрологии, в задачи которого входит разработка методов, позволяющих рассчитать значения различных характеристик гидрологического режима на период эксплуатации гидротехнических сооружений при проектировании, строительстве, эксплуатации, консервации и ликвидации гидротехнических сооружений и других объектов.

Гидрологические характеристики – количественные оценки элементов гидрологического режима.

Гидрографические характеристики – совокупность морфометрических и морфологических характеристик водных объектов и их водосборов, дающих достаточно полное представление о характере, форме, размерах, протяженности водных объектов и некоторых физико-географических особенностях их водосборов.

Государственный мониторинг водных объектов – система регулярных наблюдений за гидрологическими или гидрогеологическими и гидрогеохимическими показателями их состояния, обеспечивающая сбор, передачу, обработку и обобщение полученной информации в целях своевременного выявления негативных процессов, прогнозирования их развития, предотвращения вредных последствий и определения степени эффективности осуществляемых водоохранных мероприятий.

Доверительные пределы – численные величины, дающие границы доверительного интервала по обе стороны соответствующей кривой.

Доверительный интервал – область допустимых значений, вероятность попадания в которую при принятии гипотезы однородности равна уровню значимости.

Дождевой сток – сток, возникший в результате выпадения дождей.

Естественный сток – сток в реке при естественных условиях.

Истощение вод – устойчивое сокращение запасов и ухудшение качества поверхностных и подземных вод.

Квазистационарность – стационарность гидрологических рядов, имеющих ограниченный период наблюдений во времени.

Климатические (метеорологические) условия – факторы, определяющие водный режим водоема.

Комплексное использование водных ресурсов – использование водных ресурсов для удовлетворения потребностей ряда отраслей народного хозяйства, являющихся как водопользователями, так и водопотребителями, с учетом перспективы развития этих отраслей.

Коэффициент асимметрии – безразмерный статистический параметр, характеризующий степень несимметричности рассматриваемой случайной величины относительно его среднего значения.

Коэффициент вариации – безразмерный статистический параметр, характеризующий изменчивость случайной величины, представляющий собой отношение среднего квадратического отклонения к его среднему значению.

Коэффициент корреляции – мера линейной взаимосвязи двух случайных величин.

Коэффициент лесистости – площадь леса на водосборе, выраженная в относительных величинах от всей площади водосбора.

Коэффициент множественной корреляции – мера линейной взаимосвязи более чем двух случайных переменных.

Коэффициент озерности – площадь зеркала озер и других водоемов, выраженная в относительных величинах от всей площади водосбора.

Коэффициент стока – отношение величины (объема или слоя) стока к количеству выпавших на площадь водосбора осадков, обусловивших возникновение стока.

Кривая распределения вероятностей – графическое или аналитическое выражение функции, характеризующей вероятность появления того или иного значения рассматриваемого ряда случайной величины.

Лимитирующий период – часть водохозяйственного года, неблагоприятная для осуществления проектируемых мероприятий либо по водопотреблению и водопользованию, либо по борьбе с наводнениями и осушению болот.

Максимальный сток – речной сток, наблюдавшийся в половодье или паводки.

Методы гидрологических расчетов – технические приемы, позволяющие рассчитать, обычно с оценкой вероятности их появления (превышения), значения характеристик гидрологического режима.

Модуль стока – количество воды, стекающей с единицы площади.

Морфометрические характеристики речного бассейна – основными показателями являются длина реки и площадь водосбора.

Нестационарный процесс – процесс распределения вероятностей, характер которого изменяется во времени.

Норма гидрологических характеристик – среднее арифметическое значение характеристик гидрологического режима за многолетний период такой продолжительности, при увеличении которой полученное среднее значение существенно не меняется.

Нормальное распределение – симметричное распределение, теоретически представляющее распределение случайных ошибок около их среднего значения.

Объем стока – количество воды, протекающее через рассматриваемый створ водотока за какой либо период времени.

Основные гидрологические характеристики: средний годовой сток, внутригодовое распределение стока, максимальные расходы воды, слои стока весеннего половодья и дождевых паводков, гидрографы стока, минимальные расходы воды летней и зимней меженей (срочные, 30суточные и за календарный месяц).

Паводочная волна – увеличение речного стока до максимума и его последующее снижение, происходящее в результате выпадения осадков, снеготаяния, прорыва плотины или сбросов воды гидроэлектростанциями.

Плотина – водоподпорное сооружение, перегораживающее водоток и (иногда) долину водотока для подъема уровня воды.

Подпор воды – повышение уровня воды из-за наличия в русле реки препятствия для ее движения.

Подстилающая поверхность – разнообразные компоненты земной поверхности, взаимодействующие с атмосферой и влияющие на ее состояние.

Половодье – фаза водного режима реки, ежегодно повторяющаяся в данных климатических условиях в один и тот же сезон, характеризующаяся наибольшей водностью, высоким и длительным подъемом уровня воды и вызываемая дождями или снеготаянием во время оттепелей.

Растительный покров бассейна – сведения об основных видах растительности, распространенной в пределах водосбора, размеры занимаемых ими площадей.

Расчетная гидрологическая характеристика – статистическая оценка гидрологических характеристик, которая используется при строительном проектировании.

Расчетная обеспеченность – обеспеченность гидрологической характеристики, принимаемая при строительном проектировании для установления значения параметров гидрологического режима, определяющих проектные решения.

Регулирование стока – перераспределение во времени объема жидкого стока в соответствии с требованиями водопользования, а также в целях борьбы с наводнениями.

Режим рек – ход многолетних, сезонных и суточных изменений речного потока в его русле.

Рельеф – фактор поверхности водосбора, определяющий характер выпадения и распределения осадков по территории водосбора, условия протекания воды по земной поверхности.

Речной сток – сток, проходящий по речной сети.

Свободное состояние русла – состояние русла, характеризующееся отсутствием препятствий (ледяных образований, водной растительности, сплавного леса и т. д.), которые влияют на зависимость между расходами и уровнями воды, а также отсутствием подпора.

Стационарность – однородность выборочных параметров и функций распределения во времени.

Стохастическая гидрология – гидрологические процессы и явления, которые описываются и анализируются при помощи методов теории вероятностей и математической статистики.

Тренд – однонаправленное, монотонное изменение расчетной или наблюденной величины.

Уровень значимости – достаточно малое значение вероятности, которое характеризует практически невозможное событие.

Физико-географические характеристики бассейна – географическое положение, климат, геологическое строение, почва, растительность и рельеф.

1 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАССЕЙНА ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ

Бассейн Верхней Волги расположен в центре Восточно-Европейской равнины. В пределах бассейна полностью или частично находится территория 25 субъектов Российской Федерации и столица России – г. Москва (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Административно-территориальное деление Верхней Волги

Район Верхней Волги относится к атлантико-континентальной европейской области умеренного пояса с умеренно-теплым летом, продолжительной холодной зимой с устойчивым снежным покровом. Континентальность климата увеличивается с запада на восток. В течение года в районе преобладает влияние умеренных морских и континентальных воздушных масс. Важным фактором формирования климата является регулярная адвекция арктического и тропического воздуха. Изменчивость атмосферной циркуляции создает большую неустойчивость режима увлажнения и температуры.

Радиационный баланс на территории имеет широтное распределение, средние многолетние его значения изменяются в пределах 1500–1200 МДж/(м2 год), убывая с юга на север. Наименьшие значения радиационного баланса чаще всего отмечаются в январе (–20–35 МДж/(м2 мес.). С марта по октябрь баланс положителен; достигает максимума в июне (300–350 МДж/(м2 мес.).

Существенные различия радиационного баланса по территории связаны с зональными условиями и особенностями подстилающей поверхности.

Средняя годовая температура воздуха в пределах Верхневолжского бассейна уменьшается с юго-запада на северо-восток и составляет 3,0–4,5 С. Годовая амплитуда (разность между средней месячной температурой самого теплого и холодного месяцев) составляет 26–33 С, возрастая к востоку.

В холодный период (ноябрь – март) распределение температуры воздуха существенно отличается от широтного вследствие увеличения континентальности климата с запада на восток.

Сезонные температуры воздуха приведены в таблице 1.1. Средние температуры самого холодного месяца (января) составляют –9–15 С. Они понижаются к северо-востоку. Зимние оттепели возможны в любой месяц. Они сопровождаются повышением температуры воздуха до 3–5 С, которое может продолжаться до 10–20 суток. Средняя зимняя температура в бассейне Верхней Волги составляет –8,5 С.

Глубина промерзания грунта в бассейне Верхней Волги в среднем для суглинков составляет 1,2–1,5 м, для песка 1,6–1,9 м, для крупнообломочного грунта 1,8–2,0 м. Эти предельно большие значения соответствуют высокому расположению зеркала грунтовых вод, сильным морозам, отсутствию снежного покрова. Фактическая глубина промерзания значительно меньше расчетных величин и обычно не превышает 1 м. От года к году она может меняться от 0,1 м и менее до 1,1 м и более.

Переход средней суточной температуры воздуха через 0 С в среднем происходит на югозападе территории в первой декаде апреля, на северо-востоке на 7–10 дней позднее. В теплый период года распределение температур воздуха в большей степени соответствует географической широте местности. Средняя температура самого теплого месяца (июль) составляет 16–20 С, убывая с юга на север. В зависимости от месяца года максимальные температуры воздуха колеблются от 3 до 37 С. Средняя температура воздуха за летний сезон в бассейнах Верхней Волги и Камы составляют около +17 °С.

В среднем годовом режиме направлений ветра преобладают южная и западная составляющие.

Вследствие выраженной разницы зимней и летней циркуляции соотношение преобладающих направлений изменяется от сезона к сезону года. Средние месячные скорости ветра заметно больше в холодное время года (3–5 м/с). На открытых пространствах скорость ветра примерно на 0,5 м/с больше по сравнению с другими ландшафтами. Средняя максимальная скорость ветра на большей части территории составляет 20–25 м/с. При порывах она может возрастать до 40 м/с и больше.

Суточный ход изменения скорости ветра лучше выражен в теплое время года. Он проявляется в увеличении скорости ветра в дневные часы.

Суммарное годовое испарение в западном секторе бассейна Верхней Волги максимально (525–550 мм) по сравнению с другими районами бассейна (рисунок 1.2). К востоку величина испарения резко сокращается и в бассейне Ветлуги достигает 475 мм и менее. В северной, южной и юго-восточной части региона годовые суммы испарения приближаются к 500 мм.

Рисунок 1.2 – Распределение средней интенсивности испарения в бассейне Верхней Волги, мм/год Бассейн Верхней Волги относится к зоне достаточного увлажнения – количество осадков превышает испарение.

В отдельные засушливые годы на юго-востоке региона это соотношение может меняться. На западных склонах водосборов и на возвышенных участках Валдайской, Среднерусской, Смоленско-Московской возвышенностей количество осадков возрастает. Средняя многолетняя годовая сумма осадков и сумма за теплый период убывает с северо-запада на юговосток (рисунки 1.3–1.4). Режим осадков в основном определяется циклонической деятельностью.

Летом заметный вклад в изменение количества осадков и интенсивности их выпадения вносят внутримассовый характер погоды и активизация атмосферных фронтов, определяющих выпадение конвективных осадков. В зимний и летний период интенсивность осадков заметно возрастает (таблица 1.1).

Межгодовая изменчивость средних годовых сумм осадков составляет 15–20 %. Среднее максимальное суточное количество осадков в году формируется обильными дождями в летние месяцы и может достигать 30–35 мм. Среднее суточное количество осадков в среднем за год составляет 3–4 мм. Жидкие осадки составляют 65–75, твердые – 15–25, смешанные – 10–15 % общего количества осадков за год. Сумма осадков за холодный период года на 26 % меньше, чем за теплый период.

Наибольшее количество осадков (70–90 мм и более) приходится на июль. Среднее максимальное суточное количество осадков составляет 20–30 мм и более. Наименьшая продолжительность осадков характерна для мая – августа.

Снежный покров в Верхневолжском бассейне появляется в основном в последней декаде октября – первой декаде ноября. Устойчивый снежный покров образуется к концу ноября, а разрушается в первой – второй декаде апреля. Высота снежного покрова достигает наибольших значений к концу февраля – началу марта; колеблется от 160 мм и более (на северо-востоке) до 80 мм и менее на юго-западе региона. В это время (рисунок 1.5) запас воды в снежном покрове может превышать 200 мм.

Окончательный сход снежного покрова в среднем происходит на 4–10 дней позже по сравнению со средними датами. Продолжительность залегания снежного покрова уменьшается с 170 дней (северо-восток) до 140 дней (юго-запад бассейна). В регионе велика вероятность стаивания, проседания и уплотнения снега во время оттепелей. Плотность снежного покрова по территории меняется незначительно и составляет 230–290 кг/м3.

1.2 Геология и ландшафты

Бассейн Верхней Волги характеризуется равнинным рельефом с максимальными абсолютными высотами 300–330 м. Он сложен осадочными породами, отличающимися по генезису и физико-химическим свойствам. На значительных площадях осадочные породы перекрыты покровом лессовидных отложений мощностью до нескольких метров.

Подзолистые почвы распространены в основном в северотаежной зоне под пологом хвойных и хвойно-мелколиственных пород деревьев, но встречаются и в зоне дерново-подзолистых почв.

Для них характерно наличие опесчаненного подзолистого (А2) и структурного оглиненного горизонта (ВТ). Повышенная влагоемкость суглинистых и глинистых почвообразующих пород, их относительно слабая водопроницаемость определяют медленную фильтрацию почвенных растворов, небольшие инфильтрационные потери поверхностного стока. Верхние горизонты подзолистых почв отличаются сильнокислой реакцией среды (рН = 3,5 – 4,5), высокой обменной и гидролитической кислотностью. Кислая реакция среды уменьшается вниз по профилю.

Подзолистые почвы малогумусны. Они содержат до 2–4 % гумуса, в составе которого преобладают фульвокислоты. Наличие плотного водоупорного горизонта (ВТ) и подстилки или моховой подушки, обладающих значительной водоудерживающей способностью, приводят к периодическому оглеению верхних почвенных горизонтов. Периодически существующие восстановительные условия обусловливают подвижность органо-железистых и других металлоорганических соединений, которые переходят в растворимые формы, мигрируя в системах склоновых потоков и вниз по профилю почв. Высокая устойчивость этих соединений обеспечивает их попадание в поверхностные и грунтовые воды из почвенных растворов [11].

Пылеватый гранулометрический состав способствует развитию эрозионных процессов.

Подзолистые, дерново-подзолистые контактно-элювиальные (контактно-осветленные) почвы формируются в зонах сочленения тяжелых суглинистых и глинистых отложений песчаносупесчаного состава. Эти породы распространены в среднетаежной и южнотаежной зоне региона [12]. В зависимости от глубины расположения пород тяжелого механического состава почвы могут быть заболочены под влиянием поверхностных и (или) грунтовых вод. Профиль двучленных почв резко дифференцирован по гранулометрическому составу, плотности, порозности и водопроницаемости. Вертикальная водопроницаемость верхних супесчаных слоев этих почв в 20– 100 раз больше водопроницаемости моренных суглинистых горизонтов [13]. Вследствие резкого различия водопроницаемости на контакте супеси и суглинка создаются благоприятные условия для образования верховодки. На контакте двух сред в весеннее время (и в годы избыточного увлажнения в летний период) возникает застой влаги, создаются восстановительные условия, в которых происходит мобилизация и частичный вынос ионов железа. Степень распаханности почв не превышает 10 %.

В иллювиально-гумусовых подзолах наличие мощного иллювиально-гумусового горизонта над уровнем грунтовых вод способствует заболачиванию плоских водоразделов речных бассейнов. Содержание гумуса в иллювиально-гумусовом горизонте почв не превышает 2 %, а на богатых основаниями породах – достигает 5–8 %. В данном горизонте накапливаются глиноземногумусовые соединения, а органо-железистые соединения поступают в грунтовые воды и реки.

Иллювиально-железистые подзолы формируются на «сухих» песчаных холмах, иллювиальногумусовые – на пологоволнистых равнинах. Иллювиально-гумусовые почвы часто расположены по периферии болот.

Дерново-подзолистые почвы – наиболее распространенные почвы региона и занимают всю центральную его часть (рисунок 1.6). Они формируются под пологом смешанных лесов с травянистым и травянисто-моховым покровом, на суходольных лугах, где дерновый процесс может сменять подзолистый вследствие вырубки леса и появления луговой растительности, а также под пашней, сенокосом, выгоном. Почвообразующими породами являются четвертичные отложения: моренные и покровные суглинки, древнеаллювиальные, флювиогляциальные, реже моренные пески и супеси, двучленные отложения.

Для дерново-подзолистых почв характерно наличие гумусово-элювиального горизонта. Ниже по профилю расположен подзолистый горизонт. Дерново-подзолистые почвы характеризуются малой мощностью дернового горизонта, обедненностью верхней части профиля (горизонты А1 и А2) полуторными оксидами (Al2O3 и Fe2O3). Они относительно обогащены кремнеземом, отличаются уплотненностью иллювиального горизонта, кислой и сильнокислой реакцией (рН солевой вытяжки равна 3,3–5,5). Кислотность почв уменьшается от верхних горизонтов к коренной породе.

В состав поглощенных катионов входит Са, Mg, Н и Аl. На долю Н и А1 приходится значительная часть этого состава. Поэтому насыщенность основаниями верхних слоев почвы редко превышает 50 %. Обменные основания представлены в основном кальцием, в меньшей мере – магнием. Эти почвы бедны азотом и фосфором. По сравнению с подзолистыми почвами верхний слой богаче гумусом, обладает большей влагоемкостью, нередко хорошо выраженной структурой. Дерновоподзолистые почвы различаются по степени оподзоленности и оглеения. Они образуют сочетания с болотно-подзолистыми и (в меньшей степени) с болотными почвами.

Эти почвы более плодородны по сравнению с подзолистыми почвами, издавна используются местным населением. В настоящее время распахано 30–50 % их площади. В районах расположения городов и промышленных центров распаханность достигает 70–80 %. Длительное использование почв ухудшило структуру почвенных горизонтов, что способствует ослаблению процессов оподзоливания и оглеения. На пахотных территориях возрастает интенсивность смыва почв.

На юге региона, на Среднерусской возвышенности распространены серые почвы в сочетаниях с лесостепными черноземами (выщелоченными и оподзоленными). Зона серых лесных почв имеет широтное простирание (рисунок 1.6). Узкая зона почв разрывается «внедрением»

дерново-подзолистых почв с севера и черноземов с юга. Серые лесные почвы разделяются на три подтипа [16]. На территории Верхневолжского бассейна наиболее распространены подтипы серых лесных и темно-серых лесных почв. Серые лесные почвы лесостепи сочетают черты дерновоподзолистых почв и черноземов. Они формируются на покровных, лессовидных или делювиальных суглинках. Зональное уменьшение коэффициента увлажнения определяет существование периодически промывного водного режима этих почв. Для всех горизонтов серых Легенда к карте на рисунке 1.6 Символ на Типы почв (в скобках типы почв по классификации [14]) рисунке 1.6 П Подзолистые Пкэ Подзолистые контактно-элювиальные (контактно-осветленные) ПБ Подзолисто- и торфяно-подзолисто-глеевые Пож Подзолы иллювиально-железистые Поиг Подзолы иллювиально-гумусовые Пог Подзолы торфянисто-глеевые (подзолы глеевые, в том числе торфяные) Пд Дерново-подзолистые Ппд Дерново-палево-подзолистые Пдв Дерново-подзолистые со вторым гумусовым горизонтом Пдж Дерново-подзолистые иллювиально-железистые (дерново-подзолы) Пдгг Дерново-подзолистые глубинноглееватые (глубокооглеенные) Пдг Дерново-подзолистые глеевые Пдк Дерново-подзолистые и подзолистые остаточно-карбонатные Дк Дерново-карбонатные (рендзины) Дг Дерново-глеевые (гумусово-глеевые)

Рисунок 1.6 Почвенная карта Верхневолжского бассейна лесных почв характерна высокая структурность.

Строение профиля серых лесных почв отражает сочетание элювиально-иллювиальной дифференциации и активного гумусонакопления.

Гумусовый горизонт имеет мощность 30–40 см. В профиле почв выделяется также темно-бурый иллювиальный горизонт. Миграция гуматов кальция по почвенному профилю сопровождается их накоплением в нижних горизонтах серых лесных почв. Содержание гумуса в серых лесных почвах составляет 5–10 %. В составе гумуса много гуминовых кислот, которые образуют слаборастворимые или нерастворимые соединения с катионами тяжелых металлов, что объясняет обогащение почв микроэлементами. Реакция среды слабокислая (в верхней части профиля), нейтральная или слабощелочная (в нижней части профиля). Серые почвы (и черноземы) почти полностью распаханы. Это усиливает развитие плоскостной эрозии, смыв почвенного покрова.

Черноземы занимают крайне южное положение в Верхневолжском бассейне (рисунок 1.6).

Доминируют черноземы выщелоченные и оподзоленные, встречаются и луговые черноземы.

Профиль черноземов включает два основных горизонта: темно-гумусовый и аккумулятивнокарбонатный. Они разделены бескарбонатным горизонтом со слабым содержанием глины.

Накопление почвенных карбонатов начинается с глубины 0,7–1 м. Содержание гумуса высокое – 4– 8 %, реакция среды нейтральная или слабощелочная. Первоначальная комковато-зернистая структура гумусового горизонта нарушается (в разной степени) на сельскохозяйственных землях.

Северные и центральные части территории характеризуются избыточным увлажнением, поэтому наряду с почвами подзолистого и дерново-подзолистого типов при определенных условиях формируются почвы разной степени заболоченности и торфяные (гидроморфные) почвы. Переувлажнение почв атмосферными осадками происходит на тяжелых почвах, подстилаемых очень плотной водонепроницаемой глиной. В этом случае вода плохо просачивается, возникает верховодка. Однако она не постоянна, формируется весной при таянии снега, летом и осенью во время затяжных или ливневых дождей. К гидроморфным относятся болотные и болотно-подзолистые почвы. В основном они формируются в среднетаежной зоне, но встречаются и в южной тайге (в пределах крупных песчаных низин). В составе болотных почв много торфяных почв верхового типа. В полесьях распространены почвы болот переходного типа.

В середине ХХ в. в бассейне проводились осушительные мелиорации на пашнях и в окрестностях торфоразработок. В результате в почвенном покрове выделяются разности осушенных болотных торфяно-глеевых и торфяных почв. Прекращение мелиоративных работ сопровождается естественным зарастанием дренажных канав и вторичным заболачиванием почв.

Болотно-подзолистые почвы формируются на водоразделах рек лесной зоны. В условиях избыточного увлажнения, при промывном и периодически водозастойном режиме в почвах формируется сплошной сизо-голубой (глеевый) горизонт. Торфяные почвы развиваются при постоянном избыточном переувлажнении. В них накапливается значительное количество неразложившегося органического вещества. Профиль этих почв образуют два слоя: горизонт торфяной (Т) и глеевый (G). Слой торфа может иметь толщину от 50 до 100 см и более. Верховые торфяные почвы отличаются высокой кислотностью (рН = 2,5 – 3,5), малой степенью разложения торфа, волокнистостью, значительной влагоемкостью, низким содержанием питательных веществ.

Болотные почвы низинного типа отличает высокая степень разложения торфа, слабокислая или нейтральная реакция, низкая влагоемкость. Большинство болотных почв отличает пониженное содержание фосфора, калия, магния и микроэлементов.

В хозяйственный оборот вовлечено более 40 % территории, что привело к изменению свойств почвенного покрова (рисунок 1.7) [13]. В естественном состоянии почвы сохранились более чем на 20 % общей территории района, а почвы, относительно слабо задетые хозяйственной деятельностью, покрывают 34 % территории.

В зависимости от типа почв и их свойств изменяются условия формирования составляющих речного стока. Для зоны, занятой подзолистыми почвами, их водный режим почв является промывным (рисунок 1.8). Он формируется в условиях превышения суммы осадков над суммарным испарением. В этом случае нисходящие потоки влаги преобладают (над восходящими), а почва промывается до уровня грунтовых вод. На территориях, расположенных к югу от Оки (27 % площади бассейна), покрытых серыми лесными почвами и черноземами, формируется периодически промывной режим. Он характерен для условий примерного равенства осадков и испарения. Лишь во влажные годы количество атмосферных осадков превышает испарение и, соответственно, формируется промывной режим. В сухие годы испарение превышает атмосферное увлажнение почв, что обеспечивает их непромывной водный режим. Возможны и другие типы водного режима почв (рисунок 1.8) [15].

Рисунок 1.8 – Типы водного режима почв Верхневолжского бассейна 1 – промывной (пермацидный); 2 – промывной водный режим с периодическим застоем поверхностных или грунтовых вод; 4 – периодически промывной; 6 – намывной; 7 – непромывной (импермацидный) В бассейне существует большая неоднородность дренирования почв.

В соответствии с классификацией на 78 % территории бассейна почвы характеризуются оптимальной дренированностью. При оптимальной дренированности вода просачивается через почву легко, но не быстро. Почва сохраняет оптимальное количество влаги, когда уровень увлажнения не препятствует росту корней растений в течение значительных по продолжительности периодов.

Более 10 % территории бассейна покрыты почвами со сравнительно хорошей дренирующей способностью (рисунок 1.9). Вода удаляется из почвы относительно медленно. Почва остается влажной в течение коротких периодов на глубине корневой системы. Более 5 % территории заняты почвами (на заболоченных землях), которые дренированы очень слабо. Для дерновоподзолистых почв бассейна запасы воды в метровом слое при влажности завядания растений варьируют в пределах от 120 до 150 мм (рисунок 1.10, а). В южных районах, где преобладают серые лесные почвы и черноземы, они возрастают до 160–200 мм [16–17].

Рисунок 1.9 – Дренированность почв Верхневолжского бассейна MP – интенсивная; W – оптимальная; MW – сравнительно хорошая; VP – очень слабая

Влагозапасы в метровом слое почвы, соответствующие полевой влагоемкости для дерновоподзолистых почв изменяются в пределах 360–390 мм; для серых лесных почв – 400 мм, а для черноземов – 460–480 мм (рисунок 1.10, б).

1.3 Растительный покров В пределах бассейна растительный покров отличается большой пространственной неоднородностью, обусловленной зональными условиям обитания растительности и особенностям ландшафтной структуры территории [18]. В пределах бассейна Верхней Волги выделяются Прибалтийско-Ветлужский, Смоленско-Приуральский и Днепровско-Приволжский экологические регионы (рисунок 1.11) [19].

Рисунок 1.11 – Экорегионы Верхневолжского бассейна Для Прибалтийско-Ветлужского экорегиона характерно сочетание бореальных южнотаежных и субнеморальных (с неморальными видами в травяном ярусе) еловых лесов.

Смоленско-Приуральский регион отличает распространение гемибореальных широколиственнохвойных (еловых, сосновых) лесов подтайги. В пределах Днепровско-Приволжского экорегиона доминируют широколиственные леса с небольшими участками лесостепей по его южной окраине.

Относительно небольшая северо-западная часть бассейна Верхней Волги относится к Прибалтийско-Ветлужскому экорегиону бореальных южнотаежных хвойных лесов. Северная граница бассейна практически совпадает с северной границей южной тайги. Восточноевропейские южнотаежные леса протягиваются полосой от Валдая до границ бассейна р. Кама. Они развиваются в условиях умеренно-континентального климата при достаточно хорошем соотношении тепла и влаги. Для их развития благоприятны условия, при которых средние годовые температуры воздуха не опускаются ниже +2 C, сумма активных температур выше 10 оС составляет около 2000 С, а годовое количество осадков колеблется в пределах 650–750 мм.

Для южной тайги характерно распространение темнохвойных еловых и светлохвойных сосновых травяных лесов и сфагновых верховых болот. Эти леса имеют сложную структуру с разнообразным подлеском и хорошо развитым травяно-кустарничковым ярусом; моховой покров отличается фрагментарностью. В пределах Верхневолжского бассейна они представлены валдайско-онежским комплексом формаций с характерными еловыми сообществами европейской ели с небольшой примесью березы и осины. Дренированные водоразделы малых рек заняты еловыми кисличными лесами. Равнинные территории с недостаточным дренажем покрыты кислично-черничными ельниками. На дренированных склонах высоких равнин и богатых карбонатных почвах (Валдайская возвышенность) распространены кислично-широкотравные еловые леса. В пределах пониженных и плоских равнин часто встречаются заболоченные еловые леса долгомошно-сфагновой группы типов. Сосновые леса распространены разрозненными массивами, приуроченными к песчаным и супесчаным почвам равнинных территорий.

Наиболее характерными являются зеленомошные, лишайниковые группы сосняков, занимающие дренированные территории, и долгомошные и сфагновые группы лесов – заболоченные водоразделы и речные террасы.

Широколиственно-хвойные подтаежные леса, окаймляющие тайгу с юга, протягиваются широкой полосой от Балтийского моря на северо-западе к востоку. Они занимают значительные пространства в Тверской, Московской, Владимирской, Рязанской и других областях региона.

Ширина этой полосы уменьшается в сторону Камского Заволжья [18]. Хвойно-широколиственные леса – самостоятельный зональный биом с характерным составом биоты [19].

Значительная часть бассейна Верхней Волги (34 %) относится к Смоленско-Приволжскому экорегиону, в котором доминируют широколиственно-еловые леса. Основные районы распространения этих лесов совпадают с бассейнами рек, находящимися в пределах СмоленскоМосковской, Валдайской и Клинско-Дмитровской возвышенностей. Южная его граница совпадает с границей распространения ели.

Широколиственно-хвойные леса формируются в условиях более мягкого климата (по сравнению с бореальными лесами) и на более богатых дерново-подзолистых почвах. Территория достаточно обеспечена осадками (от 650–750 мм/год в западной части до 500–600 мм/год – на востоке) и теплом (сумма активных температур выше 10 оС составляет 1850–2000 С).

Существование этих лесов оптимально при сравнительно умеренных зимах и отсутствии засушливого летнего периода.

В составе восточноевропейских широколиственно-хвойных лесов преобладают сообщества ели обыкновенной с участием в древостоях широколиственных пород: дуба черешчатого, липы сердцелистной, ясеня обыкновенного, клена платанолистного, вяза. Преобладают дубово-еловые, липово-дубовые, дубово-липово-еловые и ясенево-дубово-еловые группы лесов кисличного и широкотравного комплекса сообществ. Водораздельные поверхности в зональных условиях заняты преимущественно елово-дубовыми и елово-липовыми лесами. Липово-еловые леса занимают пологие поверхности с покровными суглинками на моренных отложениях. Дубовоеловые леса приурочены к южным склонам Клинско-Дмитровской гряды. Ясенево-дубово-еловые леса встречаются в южной части региона. По долинам рек в условиях избыточного увлажнения широко распространены березово-черноольховые леса.

Сосновые леса с участием широколиственных пород представляют эдафические варианты зональных типов лесов в долинах рек Москва, Ока, Десна, на Приволжской возвышенности, в бассейне Мокши. Сосново-широколиственные леса приурочены к обширным древнеаллювиальным равнинам с песчаными и супесчаными почвами, к террасам крупных рек и их водоразделам. Они развиты на рельефе флювиогляциального происхождения, в условиях перекрытия моренных суглинков отложениями более легкого механического состава [20].

Восточноевропейские широколиственные леса и фрагменты лесостепи ДнепровскоПриволжского экорегиона занимают в бассейне Верхней Волги 40 % его площади. Южная граница бассейна Верхней Волги практически совпадает с пределами распространения зональных широколиственных лесов. В этих условиях возможно взаимопроникновение участков леса и луговых степей. Как зональный тип растительности широколиственные леса (до начала активной хозяйственной деятельности) простирались сплошной полосой в направлении с запада на восток.

Северные границы распространения широколиственных лесов определены продолжительностью холодного периода и суммой активных температур. Максимальное продвижение на север характерно для участков речных долин. На южных границах лимитирующим фактором существования этих лесов является увлажненность территории. Широколиственные леса смещаются с водораздельных пространств (к югу от границы лесостепной зоны) по долинам рек в бассейнах Днепра и Волги. Под влиянием хозяйственной деятельности площади лесов в последние столетия сильно сократились. Одновременно существенные изменения претерпела их структура.

Сохранившиеся фрагменты широколиственных лесов имеют островной характер, окружены сельскохозяйственными землями, поселениями и другими измененными природными территориями.

Восточноевропейские широколиственные леса простираются от восточной окраины Приднепровской низменности к Волге, образуя сплошную полосу. К востоку от долины Волги и южнее эти леса встречаются отдельными массивами, чередуются с участками луговых степей. На север они проникают по долинам рек, встречаясь отдельными массивами и в подзоне широколиственно-хвойных лесов. Наиболее широко восточноевропейские широколиственные леса распространены на Среднерусской и Приволжской возвышенности, отдельными массивами

Крупные массивы восточноевропейских лесов вырублены, значительные лесные площади используются под пашни. На больших площадях хвойные леса сменились осиново-березовыми сообществами. За последние 200 лет залесенность бассейна Верхней Волги неоднократно менялась. В середине XVIII в. лесистость отдельных территорий достигала 70–80 %, составляя в среднем около 55 %. К концу XIX в. произошло ее снижение до 40–45 % [21]. Крупные массивы хвойных или широколиственно-хвойных лесов сохранились только в северо-западной части бассейна. Наименьших значений лесистость бассейна достигла к началу 1920-х годов.

Сокращению площади лесов способствовали потребности военного времени 1920–1921 гг. и крупные лесные пожары [22]. В результате лесистость снизилась в среднем до 30–35 %. В дальнейшем потребность в лесозаготовках продолжала нарастать, однако освоению лесных ресурсов препятствовала сильная степень истощения транспортно-доступных лесов. Леса утратили часть водоохранных и почвозащитных функций. В результате лесовосстановительных мероприятий уже к 1956 г. произошло увеличение площади лесов. Основные площади вырубок сместились на север и восток региона.

Несмотря на постепенное снижение объемов лесозаготовок в бассейне Верхней Волги, в некоторых его частях продолжалось уменьшение лесистости по сравнению с серединой 1950-х годов вследствие пожаров. К концу 1970-х годов лесистость бассейна составляла 45–50 %. В бассейне абсолютно преобладали мелколиственные леса (березовые, осиновые). Они отличались незрелостью (меньшим возрастом) меньшей густотой древостоя.

С 1980–1990-х годов возникла тенденция к увеличению лесопокрытых площадей, обусловленная кризисом в сельском хозяйстве, сокращением площади обрабатываемых земель, зарастанием полей, уменьшением площади вырубок. В некоторых районах Верхневолжского бассейна произошло снижение общих запасов древесины, связанное с вырубкой наиболее ценных продуктивных спелых лесов [23].

По состоянию на 1998 г. лесистость бассейна Верхней Волги достигла 50–55 %. Лесистость бассейна Верхней Волги на 2003 г. составляла около 45 % [23]. В пределах бассейна наибольшая лесистость характерна для северных, наименее освоенных областей. На территории Кировской области залесенность превышает 63 %, в Вологодской области – 70 %, а в Костромской области она достигает 74 %. В западных густо заселенных областях лесистость меньше. В частности, в Ярославской области залесенность равна 45 %, в Тверской – 54 %, Ленинградской – 56 %. К югу лесистость снижается, достигая в лесостепных областях (Саратовская, Курская, Липецкая, Орловская) 6–8 %. К 2008 г. площадь лесов возросла до 57–58 %. В Ивановской и Нижегородской области, Республике Марий Эл лесопокрытая площадь, наоборот, уменьшилась.

Изменение залесенности речных водосборов в значительной мере влияет на речной сток.

Уменьшение лесистости в среднем на 30 % уменьшает слой среднего годового стока рек в подзоне хвойно-широколиственных лесов на 25 мм (14 %). С залесенных бассейнов сток в летне-осенний период больше в среднем на 16,9 мм (или на 34 %), а за зимний период – на 6,4 м (33 %) [24; 25].

Эффективная инфильтрация на более залесенных водосборах возрастает в среднем на 25 мм или 41 %. В водно-ледниковых ландшафтах западных лесных районов Московской области (при лесистости бассейнов более 30 %) модуль стока увеличивается на 0,53 л/сек км.2 при возрастании площади лесов на каждые 10 %. В моренных ландшафтах возрастание стока с увеличением лесистости менее значимо: каждые последующие 10 % лесистости приводят к увеличению модуля стока на 0,46 л/сек км2 [25]. Максимальная прибавка к годовому стоку наблюдается при начальной лесистости водосбора более 40 %.

Большая часть лесов Верхневолжского бассейна имеет вторичное происхождение.

Водорегулирующие функции этих лесов в значительной мере изменены по сравнению с коренными лесами. Появление производных мелколиственных лесов сопровождается рядом негативных изменений качества воды малых рек. Под хвойными лесами в естественных условиях поддерживается кислая реакция внутрипочвенных вод, что обеспечивает малую подвижность многих видов загрязняющих веществ. Смена хвойных лесов осиново-березовыми производными сообществами приводит к формированию более щелочной среды и увеличению миграционной способности ряда химических элементов и соединений. Разгрузка почвенных горизонтов в малые водотоки может сопровождаться при этом снижением качества воды [26].

В бассейне Верхней Волги представлены три типа основных ландшафтных зон: таежная, смешанных лесов и лесостепная (рисунок 1.12). Более 30 % территории Верхневолжского района расположено в таежной зоне (провинции Северных Увалов и Низменного Заволжья). Ландшафты смешанных и лиственных лесов занимают около 60 % региона. Около 9 % территории бассейна относится к лесостепным ландшафтам (Среднерусская провинция и провинция Окско-Донской равнины) [15].

Рисунок 1.12 – Типы основных ландшафтов в бассейне Верхней Волги

В гидрогеологическом отношении бассейн Верхней Волги относится к Среднерусскому и (частично) к Восточно-Русскому артезианским бассейнам. В пределах этих бассейнов выделяются менее крупные гидрогеологические структуры: Московский, Ветлужский, Волго-Сурский и Приволжско-Хоперский артезианские бассейны [27; 28] (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 – Схема гидрогеологического районирования бассейна Верхней Волги 1 – граница артезианских бассейнов, 2 – водораздел бассейна Верхней Волги, артезианские бассейны: М – Московский, В – Ветлужский, ВС – Волго-Сурский, ПХ – Приволжско-Хоперский, СД – Северо-Двинский Ветлужский артезианский бассейн охватывает северо-восточную часть бассейна Верхней Волги.

Подземные воды водосборов р. Ветлуга и ее притоков в пределах Костромской и частично Нижегородской, Ивановской и Кировской областей приурочены к песчаным толщам четвертичных, юрских, триасовых и пермских отложений. На востоке Верхневолжского бассейна находится Волго-Сурский артезианский бассейн. Основные водоносные горизонты здесь приурочены к четвертичным аллювиальным, неогеновым, меловым, пермским и каменноугольным отложениям. Юго-западная часть бассейна (северная часть Тамбовской, Пензенской областей, большая часть Ульяновской области) соответствует местоположению Приволжско-Хоперского артезианского бассейна. Основные водоносные горизонты бассейна формируют четвертично-неогеновые (пески), меловые (пески, мергели и мелы), карбонатные отложения каменноугольного и девонского возраста.

Северо-Двинский артезианский бассейн лишь небольшим участком входит в пределы бассейна Верхней Волги. Основные водоносные горизонты бассейна приурочены к пермским (алевролиты, пески, известняки) и каменноугольным отложениям (известняки, доломиты).

Водоносный комплекс аллювиальных отложений в пределах территории Верхневолжского бассейна включает горизонты современных аллювиальных ( alQIV ) и древнеаллювиальных ( alQII III ) отложений.

Современные аллювиальные отложения приурочены к расположению крупных балок, оврагов, речных русел, террас и долин. Ширина зоны их распространения в долинах рек обычно не превышает 1–2 км. Лишь в долинах Волги и Оки она достигает 15 км. Мощность водосодержащей толщи колеблется от 1–2 м в балках и оврагах до 70 м и более в долине Волги.

Интенсивность фильтрации воды в современных аллювиальных отложениях достигает максимальных значений (125 м/сут) в долине р. Ветлуга. Водообильность горизонта относительно мала (порядка 0,1 л/сек). В долинах крупных рек (Волга, Ока, Клязьма, Москва, Мокша), где мощность обводненной толщи современных аллювиальных отложений достигает 10 м, дебиты родников и колодцев возрастают до 1 л/сек.

Древнеаллювиальные отложения приурочены к высоким речным террасам Волги, Оки, Москвы, Клязьмы, Угры и других рек. Они сформированы разнозернистыми песками с прослоями супесей, суглинков и глин. Мощность этих водовмещающих пород колеблется от 15 до 35 м.

Максимальная их мощность характерна для Тверской области, где она достигает 65 м. Мощность обводненной толщи обычно изменяется от 1,2 до 15 м. Лишь на переуглубленных участках долин Волги и Судогды она возрастает до 20 и более метров. Воды древнеаллювиальных отложений в основном безнапорные, залегают на глубине до 4 м, в областях развития покровных суглинков – до 20 м (г. Кимры). Питание водоносного комплекса осуществляется за счет атмосферных осадков и вследствие поступления воды из нижерасположенных дочетвертичных горизонтов.

Интенсивность фильтрации изменяется от 0,3–0,5 до 295 м/сут. Водообильность этого горизонта колеблется от 0,1–2 до 3–4 л/сек. Максимальные значения водообильности характерны для района г. Серпухов (5,7 л/сек), Владимира (13,9 л/сек), Ковровского района Владимирской области (16,6 л/сек).

Воды современных болотных отложений ( h, lQIV ) широко развиты на водосборах рек Тверца, Цна, Мста, Медведица, Молога. В северо-западной части региона, где находятся озера Селигер, Пено, Волго, Шлино, Вселуг, Серемо, Охват, Великое и др., преобладают озерные отложения. Мощность обводненной части болотных отложений составляет 5–7 м, а озерных – до 12 м. Вода содержится в торфе или в мелко- и тонкозернистых песках, чередующихся с прослоями глин (озерные отложения).

Водно-ледниковый комплекс отложений подразделяется на надвалдайский ( fgl, l glQIII v ), ( fgl,l glQII m QIII v ), ( fgl,l glQII dn m ) валдайско-московский московско-днепровский и днепровско-окский водоносные горизонты, а также на флювиогляциальные и аллювиальные отложения ( fgl,alQII dn QI ok ).

Надвалдайский водоносный горизонт широко распространен в бассейне Верхней Волги.

Водовмещающие породы: мелко- и среднезернистые пески с галькой и гравием, а также переслаивающиеся мелко- и тонкозернистые пески и суглинки. Их мощность колеблется от нескольких метров до 10–12 м, иногда достигая 20 м (г. Осташков). Воды надвалдайского водоносного горизонта в основном безнапорные, вскрываются на глубине до 9 м. Питание горизонта осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, реже – вследствие поступления вод из нижележащих горизонтов. Водообильность горизонта относительно мала (около 0,5 л/сек).

Валдайско-московский водоносный горизонт залегает к западу и северо-западу от городов Рославль, Кольчугино, Подольск, Калуга, граничит с зоной распространения валдайского оледенения. Водовмещающие породы представлены разнозернистыми песками с прослоями галечников и валунов. Мощность толщи колеблется от 3–4 м до 10–12 м, изредка достигая 20–45 м (Московская область). Воды этого горизонта безнапорны. Глубина залегания грунтовых вод существенно зависит от режима выпадения атмосферных осадков. Водообильность горизонта значительная. При напорном режиме подземных вод дебиты достигают 2,5 л/сек. В Верхневолжской низине, по склонам Клинско-Дмитровской гряды, по долинам рек Шоша, Нерль (приток Волги) и Нерль (приток Клязьмы) водоносный горизонт гидравлически связан с аллювиальными отложениями. Вследствие этого дебит источников воды достигает 3 л/сек.

Подземные воды московско-днепровских отложений образуют единый водоносный горизонт. Они являются напорными в области распространения отложений московского оледенения. Водоносный горизонт сложен преимущественно разнозернистыми песками с гравием и галькой (при наличии прослоев глин и суглинков). В древних погребенных долинах отложения представлены глинистыми частицами озерно-болотного генезиса. Мощность отложений составляет порядка 1012 м, иногда достигая 2530 м. Разгрузка вод происходит на склонах долин рек и балок, вызывает заболачивание речных долин. Водообильность горизонта сильно изменяется по площади. Наибольший дебит имеют скважины, вскрывающие гравийные прослои (от 0,010,1 до 23 л/сек, а иногда и до 10 л/сек). Максимальная водообильность характерна для района г. Мытищи, где горизонт связан с валдайско-московским и аллювиальным водоносным горизонтами.

Днепровско-окский водоносный горизонт не имеет сплошного распространения и залегает под днепровской мореной преимущественно в Верхневолжской, Мещерской и Окско-Мокшинской депрессии доледникового рельефа, а также в погребенных долинах и древних впадинах.

Водовмещающие породы представлены в основном мелко- и среднезернистыми песками с прослоями суглинков и глин. Общая мощность отложений не превышает 512 м, в погребенных долинах достигает 25 м, в глубоких впадинах 40–100 м. Водоносный горизонт залегает на глубине до 20 м от дневной поверхности в бассейне Оки и Клязьмы, а в зонах погружений и древних размывов еще ниже (на отметках до 90 м). Этот горизонт отличает высокая водообильность. Дебит отдельных источников, скважин и колодцев составляет 17 л/сек.

Ледниковые отложения распространены в основном в Верхнем Поволжье и в бассейне реки Медведица. Они слабо обводнены и имеют спорадический характер распространения. Мощность слоя отложений достигает 100 м. Грунтовые воды приурочены к линзам песков, супесей и галечников, залегающих в моренных отложениях.

Подземные воды неогеновых и палеогеновых отложений в основном распространены в южной части бассейна Верхней Волги. Отложения залегают в переуглублениях речных долин и перекрыты толщей четвертичных аллювиальных отложений. Общая мощность отложений колеблется от нескольких метров до 50–60 м. Обычно пески обводнены только в нижней части (мощность не более 10 м). Зеркало подземных вод фиксируется на глубине до 10–18 м от дневной поверхности.

Подземные воды юрско-меловых отложений (трещинно-пластовые и порово-пластовые) широко развиты в восточной части региона. Характер распространения и условия залегания водоносных горизонтов различаются для северо-восточных и юго-западных частей бассейна. Это обусловлено перерывом в осадконакоплении с конца палеозоя до начала мезозоя, следствием которого стала значительная денудация горных пород и несогласное налегание на горизонт мезозойских отложений.

В вертикальном разрезе представлено несколько водоносных горизонтов:

сантон-туронский ( K 2t st ), сеноман-альбский ( Kal cm ), апт-неокомский ( K1nc ap ), волжский ( J 3v ) и келловей-батский ( Jbt cl ). Водосодержащие породы представлены в основном песками различной степени зернистости и глинистости.

Юрско-меловые отложения не образуют единого водоносного комплекса. Верхнемеловые отложения представлены мергельно-меловыми и песчаными отложениями, которые характеризуются различной степенью обводненности. Верхнемеловые отложения развиты в долине Волги и Суры.

Подземные воды пермских и триасовых отложений распространены в восточной части Тверской, Ярославской, Костромской, Ивановской и большей части Владимирской областей. В толще отложений триасовского и пермского возрастов представлены отложения ветлужской серии нижнего триаса ( T1vt ) и татарского яруса верхней перми ( P2t ), а также водоносные горизонты казанского яруса верхней перми ( P2 kz ) и водоносный горизонт нижней перми ( P ).

Подземные воды ветлужской серии нижнего триаса и татарского яруса верхней перми имеют спорадическое распространение, приурочены в основном к глинам с переслаивающимися песчаниками и известняками. Взаимосвязь с нижележащими горизонтами пермского и карбонового возраста происходит по трещинам и разломам (Ярославская область).

Водообильность отложений в основном относительно мала. Локально дебит источников подземных вод достигает 8,0 л/сек.

Подземные воды в казанском ярусе верхнепермских и нижнепермских отложений отличает спорадическое распространение. Они накапливаются в толще карбонатных и сульфатнокарбонатных горных пород. Водовмещающие породы представлены доломитами и доломитизированными известняками с включениями гипса. Водообильность этих горизонтов достигает 7–9 л/сек.

В пределах Московской синеклизы подземные воды каменноугольных отложений имеют повсеместное распространение. К каменноугольным отложениям приурочены основные водоносные горизонты и комплексы: гжельско-ассельский ( C3 g P a ), касимовский ( C3 ksm ), подольско-мячковский ( C2 pd mc ), каширский ( C2ks ), протвинский ( C1 pr ) и алексинскотарусский ( C1al tr ). Водоносные комплексы разделены щелковским ( C3 sc ), кревякинским ( C3kr ), ростиславльским ( C2 rst ), верейским ( C2vr ) и стешевским ( C1st ) региональными водоупорами. Это обусловливает напорный режим существования подземных вод, различия в условиях питания, характере дренирования водоносных горизонтов.

Гжельско-ассельский (C3gP1a) водоносный горизонт – основной источник воды для водоснабжения Талдомского, Дмитровского, Сергиево-Посадского, Пушкинского, Щелковского, Ногинского, Павлово-Посадского и других районов Московской области. Глубина залегания водовмещающих пород колеблется от 2 до 190 м. Удельные дебиты скважин изменяются от 3 до 50 м3/сут.

Касимовский водоносный горизонт (C3ksm) отличает большая изменчивость водообильность (3–50 м3/сут) по площади распространения горизонта. Наибольшая водообильность характерна для речных долин. Водовмещающие породы представлены известняками различной степени трещиноватости с прослоями мергелей и доломитов. Глубина залегания кровли водоносного горизонта от 5–10 до 80 м, мощность – до 70 м. Воды горизонта напорные. Величина напора на отдельных участках достигает 90 м.

Подольско-мячковский водоносный горизонт (C3pdmc) распространен в Московской области за исключением ее юго-западной части. Мощность этого горизонта изменяется от нескольких метров до 50–60 м. Глубина залегания его кровли колеблется от 0–20 м (долины рек Руза, Москва, Пахра и Ока) до 450 м, возрастая в северо-восточном направлении. Напор воды в скважинах колеблется от 20 до 120 м. Дренируется горизонт в долины крупных рек (Волга, Ока, Руза, Пахра и др.). В долине Оки он гидравлически связан с грунтовыми водами. Водообильность отложений изменяется от 1 до 5–6 л/сек. Дебит скважин может достигать 50 л/сек (Волоколамский район). Водопроводимость отложений изменяется от 100 до 1000 м2/сут, а в некоторых случаях достигает и 2500 м2/сут (северо-западная часть Московской области).

Каширский водоносный горизонт (С2ks) распространен на всей территории Московской области. Водовмещающими породами являются трещиноватые известняки и доломиты. Ширина полосы залегания водоносного горизонта составляет 30–50 км, глубина залегания изменяется от 0– 10 м в долинах рек Волга, Вазуза, Ока, Проня до 90–95 м на водоразделах. Мощность водоносного горизонта колеблется от нескольких метров до 40–50 м. Каширский водоносный горизонт в основном напорный; величина напора увеличивается в северо-восточном направлении. Средняя водопроводимость горизонта колеблется от 400 до 1000 м2/сут. Удельный дебит небольшой, составляет 2–3 м3/час. В направлении к границе распространения водоносного горизонта южнее Нары и Пахры водопроводимость уменьшается до 100 м2/сут, а удельный дебит до 1 л/сек.

Граница распространения Протвинского водоносного горизонта (C1pr) проходит по линии Бологое – Сычевка Серебряные Пруды – Зарайск Шатура. Водовмещающие породы трещиноватые (часто закарстованные) массивные известняки. Зеркало подземных вод удалено от дневной поверхности на 9 м (г. Можайск), на 89 м (у г. Подольск), на 110–150 м (к северо-востоку от Москвы). Интенсивность фильтрации колеблется от 0,4 до 33 м/сут (города Подольск, Торжок, Сычевка), а в районе Селижарово – от 10 до 80 м/сут. На больших глубинах фильтрационные свойства ослабевают (коэффициенты фильтрации составляют 10–0,4 м/сут), что обусловлено уменьшением трещиноватости. Дебит скважин составляет 3–5 м3/сут.

Глубина залегания Алексинско-тарусского водоносного горизонта ( C1al tr ) меняется от нескольких метров (в долинах рек) до 110 м на водоразделах. Она увеличивается в северовосточном направлении, достигая 350–400 м в районе Шатуры и Дмитрова. Водовмещающие породы: трещиноватые известняки и песчаники окского надгоризонта визейского яруса. В кровле водоносного горизонта залегают верейские глины; в подошве – глины тульского горизонта визейского яруса. Преобладание в разрезе каменноугольных отложений трещиноватых известняков с прослоями глин, определяет наличие многопластовой водонапорной системы. К северу от г. Рязань напор в водоносном горизонте изменяется от 30–40 до 150 м. Уровни воды в артезианских скважинах снижаются (от 60 до 0 м) по направлению к долинам Волги и Оки. Дебит скважин в алексинско-тарусском водоносном комплексе низкий.

Подземные воды верхнедевонских отложений широко распространены в Верхневолжском бассейне, приурочены к морским и прибрежно-морским карбонатным и лагунным терригенным отложениям в пределах Смоленской, Орловской, Липецкой, Тамбовской, части Тульской, Рязанской, Брянской и Тверской областей.

В пределах Верхневолжского региона существует Верхневолжская и Волго-Камская области формирования подземного стока [29].

Подземный сток в Верхневолжском гидрогеологическом районе формируется в пределах Валдайской и Среднерусской возвышенностей. Здесь пресные воды приурочены к закарстованным известнякам и доломитам девонского и каменноугольного возраста, залегающим близко к поверхности под относительно маломощными четвертичными отложениями, а также к мергельномеловой толще верхнемелового возраста. Благоприятные условия питания, хорошая проницаемость карбонатных отложений, густая и глубоко врезанная эрозионная сеть определяют формирование значительного подземного стока. Максимальная величина подземного стока наблюдается в центральных частях Валдайской возвышенности, в верховьях Волги, в бассейнах рек Цна, Сож и др. (средний модуль подземного стока составляет порядка 2,5–3 л/сек км2. Модуль подземного стока несколько меньше (2 л/сек км2) в бассейнах рек Тверца, Вазуза, Жиздра, Упа, Угра, Осетр и Проня.

В центральных частях Московского артезианского бассейна (бассейн р. Москва, верховья рек Протва, Нара) погружение отложений карбона на большую глубину обусловливает увеличение мощности относительно слабопроницаемой толщи мезозойских и четвертичных пород, ухудшению условий питания и разгрузки подземных водоносных горизонтов (среднегодовой модуль подземного стока меньше 2 л/сек км2).

В пределах Верхневолжской, Молого-Шекснинской, Нерльской и Мещерской низменностей отложения четвертичного возраста и песчано-глинистые толщи юры и мела отличает неравномерная и слабая обводненность, что затрудняет питание водоносных горизонтов. Наличие морены и незначительная глубина эрозионных врезов (порядка 25–30 м) снижают интенсивность питания водоносных горизонтов и величину подземного стока (среднегодовые модули равны 1– 1,5 л/сек км2, а в депрессиях (район Рыбинского водохранилища) она меньше 1 л/сек км2.

Величину подземного стока из различных водоносных комплексов характеризует таблица 1.4.

Наименьшие модули подземного стока характерны для терригенных отложений триаса (0,1 0,5 л/сек км2) и верхней перми (0,5–1 л/сек км2). Для неогеновых и четвертичных аллювиальных отложений его величина также мала (0,5–1 л/сек км2). Максимальные значения модуля подземного стока присущи районам залегания карбонатных отложений верхней и нижней перми (соответственно 5–7 и 3 –5 л/сек км2). Увеличение доли трещиноватых песчаников в терригенном верхнепермском водоносном комплексе также приводит к повышению (до 3–5 л/сек км2) модуля подземного стока.

Таблица 1.4 – Характеристики водоносных комплексов Верхневолжского бассейна Водоносный комплекс Площадь, Объем стока, Расход, Средний модуль, тыс.

км2 км3/год м3/сек л/сек км2 Девонский 80 2,5 80 1 Каменноугольный 245 10 320 1,3 в том числе нижнекаменноугольный 130 5,8 185 1,4 среднекаменноугольный 65 2,6 85 1,3 верхнекаменноугольный 50 1,6 50 1 Юрско-меловой 140 3 95 0,7 Четвертичный 290 8,2 260 0,9 Всего 1000 33,7 1075 1,08 По условиям формирования ресурсов и химического состава подземных вод выделяются зоны активного водообмена, затрудненного и весьма затрудненного водообмена [30; 31]. Зона активного водообмена характеризуется наличием преимущественно пресных подземных вод. Ее мощность изменяется от нескольких десятков метров на низменных участках территории до 300– 400 м в пределах возвышенностей, а в отдельных случаях до 500–700 м. Уменьшение мощности зоны пресных вод характерно для зон с близким залеганием соленосных и гипсоносных водовмещающих отложений к дневной поверхности.

Зона затрудненного водообмена имеет мощность от нескольких десятков до 300–400 м.

Нижняя граница зоны находится на глубинах 400–700 м и больше. Увеличение глубины залегания водоносных горизонтов сопровождается изменением бикарбонатного класса подземных вод на сульфатный и хлоридный (обычно натриевой группы). Одновременно возрастает минерализация воды (до 50–100 г/л и больше, вплоть до достижения значений, соответствующих крепким рассолам). Зона весьма затрудненного водообмена соответствует наиболее глубоким частям артезианского бассейна. Ее мощность изменяется от 400–500 до 1600–2000 м. В этой зоне находятся крепкие хлоридно-натриевые и натриево-кальциевые рассолы высокой концентрации.

Максимальное изъятие подземных вод происходит из водоносных горизонтов и комплексов зоны активного водообмена. Значительными естественными ресурсами обладают четвертичные отложения (таблица 1.4), однако они распределены исключительно неравномерно. В зонах сплошного развития флювиогляциальных и древнеаллювиальных песков модуль естественных ресурсов достигает 1,7–2,0 л/сек км2. В противоположном случае водообильность четвертичных отложений уменьшается до 0,2–0,3 л/сек км2.

2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ И ЕЕ ИЗУЧЕННОСТЬ

2.1 Гидрографическая сеть Бассейн Верхней Волги граничит с бассейном Северной Двины, Невы, Западной Двины, Днепра, Дона, Нижней Волги, Камы (рисунок 2.1). Основные сведения о реках в бассейне Верхней Волги представлены в таблице 2.1. Длина Волги от ее истока до устья Камы составляет 1780 км, площадь водосбора равна 675 тыс. км2.

Распределение речной сети по рассматриваемой территории, ее структура и особенности носят различный характер и значительно меняются по территории.

конденсаторов ГРЭС. Большие заборы воды в бассейне Верхней Волги обусловлены также значительным удельным весом предприятий лесной и химической промышленности в структуре природопользования.

Около 30 % водопотребления в бассейне приходится на долю жилищно-коммунального хозяйства. Износ основных средств водопроводно-канализационного хозяйства колеблется от 50 до 70 %. Потери воды при транспортировке воды к потребителям вследствие неисправности труб водопроводной сети, а также аварий в ряде субъектов превышают 30 % объема подаваемой воды.

В поверхностные водные объекты бассейна Верхней Волги ежегодно сбрасывается 9,6 км3 сточных вод, что составляет 60 % их объема в целом в бассейне Волги. Значительная часть сточных вод (примерно 40 %) относится к загрязненным водам. Под влиянием этого фактора существенно ухудшается качество водных ресурсов.

2.2 Гидрологическая изученность Гидрологическая изученность бассейна Верхней Волги характеризуется числом и продолжительностью действия гидрометрических постов.

Схема расположения гидрологических постов приведена на рисунке 2.3

Бассейн Верхней Волги разделен на следующие подбассейны:

бассейн р. Волга от истока до Рыбинского водохранилища (включительно);

бассейн р. Волга от Рыбинского водохранилища до впадения р. Ока;

бассейн р. Волга от впадения р. Ока до г. Чебоксары (без водохранилища).

Сведения по каждому подбассейну по категориям рек по длине (самые малые, малые, средние и большие) и их числу в каждой категории и числу в процентном отношении к общему количеству водотоков представлены на рисунке 2.4 и в таблице 2.4

На рассматриваемой территории по бассейну Верхней Волги имеется 66 543 водотока общей длиной 257 789 км. Основная доля речной сети приходится на самые малые реки (длиной менее 25 км), количество которых составляет 99 % от общего числа и длина 72 % от суммарной длины всех водотоков (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Количество водотоков по градациям длины рек (км) в бассейне Верхней Волги Наблюдения над уровнем и расходами воды на реках бассейна Верхней Волги были начаты в 1876 году.

Всего в бассейне действовало 777 постов, период наблюдений по которым колеблется от 1 года до 135 лет. Список постов с периодами наблюдений по каждой характеристике стока в рассматриваемом бассейне представлен в Приложении А.1. На рисунке 2.6 представлены данные по количеству гидрологических постов, работавших в 1900–2010 гг. Как следует из этих данных, в 1940-х годах в рассматриваемом бассейне действовало около 260 постов. В годы Великой Отечественной войны гидрометрическая сеть существенно сократилась, но уже в 1950-х годах она была восстановлена, и в бассейне работало 316 постов. Максимальное количество постов (388) действовало в первой половине 1980-х годов, в 2010 г. работают 246 постов.

2.3 Основные гидрографические характеристики водосборов до гидрометрических створов К основным гидрографическим характеристикам водосборов, влияющим на речной сток, относятся площадь бассейна, гидрографическая длина водотока (расстояние от истока и от устья), средняя высота водосбора, лесистость, заболоченность, озерность, доля урбанизированных территорий, распаханность и закарстованность. В настоящей работе для пунктов гидрологических наблюдений были уточнены актуальные значения заболоченности, лесистости, озерности и доли урбанизированных территорий.

Для определения озерности и доли урбанизированных территорий использовалась открытая карта Open Street Maps (OSM). OSM – свободно распространяемая база данных, предназначенная для создания электронной карты территории всей Земли.

Данные OSM представлены в формате электронной карты, включающей следующие базовые картографические слои: населенные пункты, дороги, административные границы, гидрографию, болотные массивы, растительность. Получаемые из OSM карты двумерные, представленные в проекции Меркатора. В проект заложена функция автоматической генерализации карты в зависимости от используемого масштаба (до 1 : 2000). При расчете морфологических характеристик водосборов использовался наиболее крупный масштаб, доступный для данной территории.

Данные OSM получены и уточнены на основании космоснимков LANDSAT, PROTOTYPE GLOBAL SHORELINES (PGS), TIGER, IRS и др., треков, записанных GPS-устройствами, данных различных правительственных сайтов (таких как GeoBase, MassGIS, и др.).

Данные OSM не обеспечивают необходимой точности вычислений для ряда районов в связи с недостаточностью информации. В этом случае использовались цифровые топографические карты масштаба 1 : 200000. Определение лесистости водосборов проводилось на основе карты GlobCover Land Cover Map. Результаты определения лесистости по данных GlobCover после сравнения с результатами расчетов по спутниковым снимкам LANDSAT для ряда малых водосборов оказались завышены в среднем на 4–6 %. Величины заболоченности определялись по топографической карте масштаба 1 : 1 000 000.

Для малых водосборов использование глобальных покрытий низкого разрешения сопряжено со значительными погрешностями. Вследствие этого определение лесистости, заболоченности, озерности и доли урбанизированных территорий для малых водосборов площадью менее 500 км2, относящимся к действующим гидрологическим постам, было проведено по спутниковым снимкам и др. Тематическое дешифрование снимков осуществлялось LANDSAT, OrbView полуавтоматически, с ручным контролем результата.

Сведения о физико-географических характеристиках бассейна Верхней Волги до пунктов гидрологических наблюдений приводятся в Приложении А.2.

3 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК

3.1 Определение расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений Определение расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений, однородных по условиям формирования речного стока достаточной продолжительности, осуществляется по аналитическим функциям распределения ежегодных вероятностей (кривых обеспеченностей).

Расчеты параметров основных гидрологических характеристик (среднее значение, коэффициенты вариации, асимметрии и автокорреляции) в пунктах гидрометрических наблюдений предусматривают:

— приведение данных наблюдений за стоком и их параметров к многолетнему периоду [4; 6];

— оценку однородности и стационарности данных наблюдений статистическими методами, учитывающими специфику многолетних колебаний основных гидрологических характеристик (асимметрию и автокорреляцию) [4; 8];

— расчет параметров распределения (среднего многолетнего значения, коэффициентов вариации, асимметрии, автокорреляции).

Согласно официальному нормативному документу СП 33-101-2003 [4] в практике инженерно-гидрологических расчетов для сглаживания и экстраполяции эмпирических кривых распределения ежегодных вероятностей превышения (кривых обеспеченностей) применяются трехпараметрическое распределение Крицкого – Менкеля при любом соотношении коэффициентов асимметрии (Cs) к коэффициенту вариации (Cv), а также распределение Пирсона III типа при Cs/Cv 2. При неоднородности рядов гидрометрических наблюдений (различные условия формирования стока) применяются составные или усеченные кривые распределения ежегодных вероятностей превышения.

Оценки параметров аналитических кривых распределения: среднее многолетнее значение Q, коэффициент вариации Сv и отношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации Cs/Cv, устанавливаются по рядам наблюдений за рассматриваемой гидрологической характеристикой методом приближенно наибольшего правдоподобия и методом моментов в соответствии с нормативными и рекомендательными документами [4; 5].

Однородность и стационарность многолетних рядов гидрологических 3.2 характеристик В соответствии с [4; 8] необходимым условием объективной статистической обработки гидрологических рядов для получения расчетных значений стока является анализ однородности временных рядов.

При определении статистических параметров распределения гидрологических характеристик и их расчетных значений заданной обеспеченности предполагается однородность исходной информации. Временная однородность рядов может нарушаться в результате влияния хозяйственной деятельности или изменения климатических факторов.

Оценка однородности рядов гидрологических наблюдений осуществляется на основе генетического и статистического анализа исходных данных наблюдений. Генетический анализ заключается в выявлении физических причин, обуславливающих неоднородность исходных данных гидрологических наблюдений.

Под статистической однородностью понимается принадлежность элементов гидрологического ряда и их выборочных параметров распределения (среднее, дисперсия) к одной совокупности.

Статистическая проверка гипотезы однородности предусматривает установление уровня значимости – достаточно малого значения вероятности, которое характеризует практически невозможное событие.

Оценка однородности рядов наблюдений по критериям состоит в сравнении расчетного значения статистики критерия, полученной по эмпирическим данным, с ее критическим обобщенным значением из таблиц или номограмм при заданном уровне значимости, объеме выборки, коэффициентах автокорреляции и асимметрии. Уровень значимости обычно задается равным 5 %, что соответствует принятию нулевой гипотезы об однородности с вероятностью 95 %. Гипотеза однородности может быть принята в том случае, если расчетное значение статистики меньше соответствующего критического значения.

В настоящей работе использованы обобщенные значения классических критериев однородности Стьюдента и Фишера применительно к коррелированной во времени и пространстве и асимметричной гидрологической информации [8].

Оценка однородности или стационарности средних значений основных гидрологических характеристик осуществляется по критерию Стьюдента путем сравнения расчетных и критических значений статистик. Если расчетное значение критерия меньше критического при заданном уровне значимости, то гипотеза об однородности или стационарности не отклоняется.

Для анализа многолетних колебаний гидрологических характеристик применяется критерий однородности выборочных дисперсий Фишера, обобщенный для особенностей гидрологической информации [8].

Гипотеза о стационарности дисперсий принимается при заданном уровне значимости (%).

если расчетное значение статистики критерия меньше критического (F F*) при заданных степенях свободы, соответствующих объемам выборок (n 1 и n 2 ).

Критические значения статистики Фишера (F*) в зависимости от уровня значимости (%), коэффициентов внутрирядной (r(1)) и межрядной корреляции (R) и коэффициентах асимметрии при равных объемах двух выборок (nx = ny) приведены в [8].

При анализе однородности средних значений и дисперсии ряда исходный ряд разбивается на две совокупности (или равных, или в точке предполагаемого и обоснованного изменения стока в результате антропогенного или климатического воздействия).

Поскольку в результате выполненных в последнее время исследований [38–43] установлено, что со второй половины 1970-х годов в бассейне Волги произошли существенные изменения водного режима рек и условий его формирования, обусловленные влиянием климатических факторов, в настоящей работе оценка однородности характеристик стока производилась на основе выборочных параметров распределения (среднее, дисперсия) за 1978– 2010 гг. и предшествующий многолетний период. Уровень значимости принят равным 5 %.

При оценке однородности основных гидрологических характеристик не использовались данные по гидрологическим постам, выше которых имеются водохранилища сезонного или многолетнего регулирования.

3.3 Определение расчетных гидрологических характеристик при неоднородности ряда гидрометрических наблюдений При неоднородности ряда гидрометрических наблюдений (различные условия формирования стока) применяются усеченные и составные кривые распределения вероятностей ежегодного превышения [4, 8]. При наличии неоднородности исходных данных гидрометеорологических наблюдений, когда рассматриваемый ряд состоит из неоднородных элементов гидрометеорологического режима, эмпирические и аналитические кривые распределения устанавливают отдельно для каждой однородной совокупности. [4; 8] и далее рассчитывается составная кривая распределения.

Классическим примером подобных расчетов являются максимальные расходы воды весенних половодий и дождевых паводков, когда в каждом году имеют место и максимальный расход воды весеннего половодья и дождевых максимумов стока.

В последние десятилетия на некоторых реках Волги наблюдается неоднородность стоковых рядов, связанная с влиянием климатических факторов, в частности с повышением температуры воздуха [38]. Происходит внутригодовое перераспределение стока, проявляющееся в увеличении минимального стока за летний и зимний периоды и уменьшению максимальных расходов весеннего половодья.

Оценка расчетные характеристики стока по данным наблюдений только за последний период не является правомочной, так как продолжительность ряда за эти годы недостаточна и наблюдаемые изменения, возможно, обусловлены естественными циклическими колебаниями климата. Современное состояние знаний о климатических условиях будущего имеет очень большой уровень неопределенности, особенно в отношении факторов, определяющих формирование экстремальных расходов воды. Поэтому определение расчетных параметров только по данным наблюдений за последний период может привести к значительным погрешностям расчетов при использовании этих результатов в водохозяйственной практике. В связи с этим в настоящей работе использовались данные наблюдений за весь имеющийся период, а в случае неоднородности стоковых рядов и при оценке параметров кривых распределений применялись составные кривые обеспеченности в соответствии с работами [4; 8].

3.4 Погрешности определения расчетных параметров гидрологических характеристик Расчетные значения стока заданной вероятности ежегодного превышения (значения стока заданной обеспеченности) представляют собой конечный результат в инженерно-гидрологических расчетах различных гидрологических характеристик.

При использовании аналитических функций распределения ежегодной вероятности превышения (кривых обеспеченностей) возникает задача оценки точности произведенных расчетов.

Параметры аналитических кривых распределения рассчитываются по ограниченным во времени гидрометрическим наблюдениям и в связи с этим рассчитываются с погрешностями [44;

45], которые учитывались при расчетах параметров и кривых обеспеченности основных гидрологических характеристик. В гидрологических расчетах оценка точности выборочных квантилей за пределами наблюденного ограниченного ряда представляет наибольший интерес, так как именно эти расчеты, как правило, используются в практике гидротехнического строительства.

Погрешности определения расчетных параметров гидрологических характеристик обуславливаются ограниченным объемом исходных данных наблюдений и недостаточной точностью аппроксимации эмпирических данных аналитическими кривыми распределения основных гидрологических характеристик. Точное аналитическое решение определения погрешностей расчета параметров и значений стока заданной обеспеченности отсутствует.

Частичное решение этого вопроса основывается на использовании многочисленных формул определения средних квадратических погрешностей выборочных квантилей, обобщенных в [44], которые не однозначно решают этот вопрос.

Абсолютная средняя квадратическая погрешность выборочного среднего значения ряда, рассчитанная методом моментов, учитывающая только длину ряда определяется по формуле:

x / n, (3.1) где – среднее квадратическое отклонение выборки, n – длина выборки (ряда).

Абсолютная средняя квадратическая погрешность коэффициента вариации определяется по формуле:

Необходимо отметить, что указанные формулы не учитывают асимметрию ряда и внутрирядную корреляцию.

В настоящей работе для определения погрешностей расчетов использовались данные, полученные в результате моделирования методом статистических испытаний (метод МонтеКарло), доведенные до табличного вида [44] и реализованные в программном комплексе инженерно-гидрологических расчетов HydroStatCalc [9].

Метод статистических испытаний позволил получить полные сведения о средних квадратических погрешностях выборочных параметров и расчетных значений стока заданных обеспеченностей (квантилей распределения).

Средние значения, полученные по выборкам ограниченной длительности, имеют положительную асимметрию, увеличивающуюся с увеличением коэффициента вариации Cv, коэффициента автокорреляции между смежными членами ряда ® и отношения коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации Cs/Cv. С увеличением объема исходной информации погрешности расчета среднего значения уменьшаются.

Выборочные коэффициенты вариации имеет положительную асимметрию, которая увеличивается с увеличением коэффициента вариации, отношения коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации и коэффициента автокорреляции.

Таким образом, случайные средние квадратические погрешности выборочных параметров распределения (среднего значения, коэффициентов вариации, автокорреляции, принятого в расчет отношения Cs/Cv) и значений стока заданных обеспеченностей (квантилей) существенно зависят от объема данных в рядах наблюдений, а также от принятого отношения Cs/Cv. В настоящей работе средние квадратические погрешности параметров распределения и расчетных значений стока заданной обеспеченностей приводятся в таблицах Приложения А.

3.5 Технологическое обеспечение инженерных гидрологических расчетов Определение параметров основных гидрологических характеристик многолетних рядов в пунктах гидрометрических наблюдений выполнено с использованием сертифицированной автоматизированной системы инженерных гидрологических расчетов, представляющей собой комплекс основных вычислительных программ [9]. Эта система расчетов является диалоговой, содержит средства управления действиями программ, обеспечивает экранный вывод информации для выбора окончательных решений при выполнении расчетов и предусматривает:

1. Восстановление отсутствующих данных наблюдений за более ранние годы по действующим гидрометрическим пунктам наблюдений, за более поздние годы для закрытых водомерных постов и в период пропусков водомерных наблюдений по основным гидрологическим характеристикам по всем гидрометрическим постам за многолетний период [4; 6];

2. Подготовку автоматизированным путем архивов на технических носителях данных по основным гидрологическим характеристикам, включая восстановленные гидрологические данные, за весь многолетний период с оценкой случайных средних квадратических погрешностей за каждый восстановленный год;

3. Оценку однородности и стационарности наблюденных и восстановленных данных по основным гидрологическим характеристикам с использованием обобщенных критериев однородности на случай асимметричной и коррелированной во времени и пространстве гидрологической информации, анализа трендов и доверительных границ к кривым обеспеченности;

4. Определение расчетных гидрологических характеристик по однородным и неоднородным данным наблюдений и с учетом исторических катастрофических сведений по основным гидрологическим характеристикам;

5. Анализ полученных результатов расчета на основе гидролого-генетических и статистических методов.

В рамках данной работы вычислительный комплекс усовершенствован и позволил реализовать алгоритм расчета определения погрешностей расчета параметров и расчетных значений стока заданной обеспеченности основных гидрологических характеристик. Более подробная информация о технологии определения расчетных гидрологических характеристик содержится в работе [9].

3.6 Методика определения внутригодового распределения стока рек Определение расчетного внутригодового распределения стока рек производится согласно [4; 5; 6;

7]. Основным методом обобщения данных по внутригодовому распределению стока является составление районных схем межсезонного и внутри сезонного распределения стока, необходимых для определения расчетного календарного распределения месячного стока в характерном по водности году исследуемой неизученной реки. Межсезонное распределение стока выражается в долях от годового стока, а внутрисезонное распределение стока – в долях от стока соответствующего сезона. В зависимости от характера решаемой практической задачи и принятого в расчетах метода определения внутригодового распределения стока для района исследования (или района проектирования) могут быть построены различные расчетные схемы.

Общим при их установлении является выявление и учет основных природных факторов (площадь водосбора и озерность на равнинах и плоскогорьях, средняя высота водосбора – в пересеченных горных районах).

В настоящем справочнике определение расчетного внутригодового распределения стока производится следующими методами:

— среднего распределения стока за годы характерной градации водности;

При расчетах внутригодового распределения стока рек используются данные о среднемесячных расходах воды.

Расчеты внутригодового распределения стока производят по водохозяйственным годам (ВГ).

За начало водохозяйственного года принимается наиболее ранняя дата наступления многоводной фазы с округлением до месяца.

За начало водохозяйственного года принимался первый месяц, для которого средняя многолетняя величина месячного расхода превышает норму годового стока.

В зависимости от типа водного режима реки и преобладающего вида ее использования водохозяйственный год делят на два различающихся по длительности периода: лимитирующий (ЛП) и нелимитирующий (НП), а лимитирующий период соответственно на два сезона:

лимитирующий (ЛС) и нелимитирующий (НС). Границы сезонов назначались едиными для всех лет с округлением до месяца.

В соответствии с [4; 5; 6; 7] выделялись следующие пять групп водности:

— очень многоводные годы (Р 16,7 %);

— многоводные годы (16,7 % Р 33,3 %);

— средние по водности годы (33,3 % Р 66,7 %);

— маловодные годы (66,7 % Р 83,3 %);

— очень маловодные годы (Р 83,3 %).

При расчете внутригодового распределения стока методом «среднего распределения стока за годы характерной градации водности» формируется ряд годовых объемов стока.

Дальнейший расчет производится в следующем порядке:

— полученный ряд ранжируется и для каждого члена ранжированного ряда определяется его эмпирическая обеспеченность;

— в зависимости от периода наблюдений исходного ряда и расчетной обеспеченности отбираются годы соответствующей группы водности;

— по этой группе лет рассчитываются средние месячные значения объемов стока и выражаются в долях (или процентах) от среднегодового объема стока для данной группы.

Полученные значения принимаются в качестве модели относительного внутригодового распределения стока;

— расчетное распределение стока вычисляют путем умножения месячных долей стока на годовой объем стока расчетной вероятности превышения, определяемый по аналитической кривой обеспеченности.

При использовании метода «реального года» формируется три ряда, состоящих из ежегодных объемов стока за водохозяйственный год, лимитирующий период и лимитирующий сезон. При необходимости формируется четвертый ряд – из объемов стока за лимитирующий месяц (ЛМ).

Дальнейший расчет производится в следующем порядке:

— каждый из полученных рядов ранжируется и для каждого члена ранжированного ряда определяется его эмпирическая обеспеченность;

— для каждого из рядов в соответствии с их длительностью и в зависимости от расчетной обеспеченности отбираются годы соответствующей группы водности;

— выбирается реальный водохозяйственный год, для которого эмпирические обеспеченности объемов стока за ВГ, ЛП, ЛС и ЛМ наиболее близки к расчетной обеспеченности. Для объективного выбора такого года используется следующий критерий:

Pj ( Pвг Pрасч ) 2 ( Pлп Pрасч ) 2 ( Pлс Pрасч ) 2 ( Pлм Pрасч ) 2, (3.3) j j j j где Pрасч – расчетная вероятность превышения, принимаемая одинаковой для всех расчетных интервалов времени; Pвг, Pлп, Pлс, Pлм – значения вероятностей превышения стока за выбранный водохозяйственный год, его лимитирующий период, лимитирующий сезон и лимитирующий месяц; Pj – суммарное отклонение, которое определяют для каждого из исследуемых водохозяйственных лет, вошедших в расчетную группу водности.

В качестве расчетного года принимают тот водохозяйственный год, для которого по формуле (3.3) получено наименьшее значение Pj.

Месячные объемы стока расчетного водохозяйственного года выражаются в долях (или процентах) от объема годового стока и принимаются в качестве модели относительного внутригодового распределения стока.

Расчетное распределение стока вычисляют путем умножения полученных месячных долей стока на годовой объем стока расчетной вероятности превышения, определяемый по аналитической кривой обеспеченности.

Выполненный ранее в ФГБУ «ГГИ» анализ многолетних колебаний месячного стока рек бассейна реки Волги позволил установить, что начиная со второй половины 1970-х годов – начала 1980-х годов существенно повысился сток в меженные (особенно зимние) месяцы. Причиной этого являются происходящие в бассейне климатические изменения.

В связи с этим расчеты внутригодового стока были выполнены по вариантам:

а) внутригодовое распределение стока и статистические параметры сезонного стока определялось по данным за весь период наблюдений.

Использование всей имеющейся гидрологической информации при определении расчетного внутригодового распределения стока для водохозяйственного и строительного проектирования обеспечивает «запас прочности», поскольку он включает все наблюденные ранее распределения водности внутри года, определяемые конкретными погодными условиями, которые могут повториться в будущем;

б) внутригодовое распределение стока и статистические параметры сезонного стока определялось по данным наблюдений за период 1946–2010 гг., в течение которого производились наблюдения по большинству гидрологических постов принятых для расчетов;

в) расчеты внутригодового распределения и статистические параметры сезонного стока определялись по данным наблюдений за периоды 1946–1977 гг. и 1978–2010 гг., учитывая, что на большинстве рек рассматриваемого бассейна резкие изменения в динамике месячного стока произошли с конца 1970-х годов. Полученные расчетные значения характеризуют внутригодовое распределение стока, соответствующее современным климатическим условиям. Для сравнения с предыдущим периодом приводятся данные по внутригодовому распределению стока за 1946– 1977 гг.

В данном справочнике также выполнены расчеты и анализ коэффициента естественной зарегулированности стока (), который является важным комплексным параметром, характеризующим особенности внутригодового распределения стока рек и его генезис. Он соответствует доле «базисного» стока в годовом объеме стока. Численно коэффициент равен отношению площади гидрографа, расположенной ниже ординаты среднегодового расхода (базисный сток), к общей площади этого гидрографа (годовой сток).

3.7 Методика картирования расчетных параметров основных гидрологических характеристик Пространственное обобщение расчетных параметров основных гидрологических характеристик проводилось с помощью метода гидрологического картографирования. Разработка карт параметров проводилась в несколько этапов:

выбор пунктов гидрологических наблюдений, данные которых использовались при построении карт параметров. Для построения карт отбирались водосборы средних рек с площадью водосбора от 2000 до 50 000 км2. Расчетные параметры основных гидрологических характеристик определялись для более 700 водосборов на основе данных наблюдений за многолетний период (с начала наблюдений по 2010 г);

оконтуривание водосборов и расчет координат их центров тяжестей.

Для расчетов координат центров тяжестей водосборов каждый бассейн оконтуривался в геоинформационной системе (ГИС) в виде отдельного полигона по топографическим картам масштаба 1 : 100 000. Проверка точности построения контура проводилась путем сравнения площадей бассейнов, определенных с помощью ГИС и приведенных в справочниках гидрологической изученности и ОГХ. Средняя погрешность определения площади водосбора в ГИС по сравнению со площадями водосборов, приведенными в справочниках, составила менее 0,5 %. Расчет площади водосборов проводился с помощью уравнения (3.4).

Перед вычислением площади слои карты переводились в равновеликую проекцию:

1 n1 ( xi yi1 xi1 yi ), F (3.4) 2 i0 где F – площадь водосбора, км2; x – долгота точки-узла полигона, y – широта точки-узла полигона, i – порядковый номер узла, n – общее количество узлов в полигоне.

Расчет координат центров тяжести водосбор проводился по уравнениям (3.5) и (3.6)

привязка параметров, подлежащих картографированию, к соответствующих центрам тяжести водосборов;

анализ закономерностей пространственной изменчивости параметров, корректировка данных путем исключения выпадающих точек;

построение изолиний расчетных параметров основных гидрологических характеристик.

Пространственная интерполяция выполнялась сначала полуавтоматическим способом (методом естественной окрестности [46; 47]), затем – вручную, с учетом особенностей распределения параметров в пределах конкретных природных зон. При построении карт учитывалось распространение карстовых пород, высотная поясность, а также закономерности пространственного распределения гидрологических величин по широте.

В результате работ был сформирован комплект карт, которые приводятся в соответствующих разделах справочника.

3.8 Уточнение параметров распределения гидрологических характеристик методом объединения данных наблюдений по группе постов Уточнение параметров распределения гидрологических характеристик рекомендуется также методом объединения данных наблюдений по группе постов в пределах однородных в гидрологическом отношении районов. [4; 48–52].

В связи с недостаточностью гидрологической информации в современной гидрологической практике рекомендуется использовать приемы совместного анализа по группе рек с целью увеличения числа анализируемых данных.

Метод группирования данных с применением критерия оценки соотношения коэффициента асимметрии и коэффициента вариации с помощью методики совместного анализа рекомендован СП 33-101-2003 [4]. Основные идеи этого метода были разработаны С. Н. Крицким и М. Ф. Менкелем [48].

В основе совместного анализа лежат представления о том, что колебания стока по годам подчиняются определенным распределениям вероятностей, которые существенно не изменяются на протяжении периодов, для которых производятся расчеты, а также что колебания стока совместно исследуемых бассейнов статистически независимы хотя бы частично.

Случайные колебания гидрологических характеристик подчиняются вероятностным закономерностям, обнаруживая общие черты для географически близких бассейнов.

Различия между размерами, ландшафтом и климатом совместно исследуемых бассейнов сглаживаются путем приведения характеристик стока к единым условиям его формирования с помощью зависимостей, связывающих сток с морфометрическими, ландшафтными и климатическими факторами.

При анализе элементов режима, распределения вероятностей которых на разных объектах не вполне одинаковы (а это основной случай групповой оценки), требуется приведение характеристик стока к единым условиям его формирования. Приводке подвергаются параметры изучаемых характеристик стока – среднее, коэффициенты вариации и асимметрии или квантили (величины определенных вероятностей превышения).

Простейшие приемы приводки заключаются обычно в переходе от расходов воды к модулям стока и последующей редукции, т. е.

использовании зависимостей типа:

A q (3.7) m F, где q – модуль стока, F – площадь водосбора, m – числовой параметр, A – характеристика, рассматриваемая как приведенная к единым условиям формирования стока.

Гидрологическая характеристика, приведенная к единым условиям формирования (модуль стока с единичной площади, коэффициент асимметрии, коэффициент автокорреляции неозерных рек, квантиль заданной обеспеченности и т. д.) является случайной величиной, распределение которой в существенной мере определяется объемом независимой информации.

Это распределение, называемое выборочным распределением, носит сложный характер, но, ввиду ограниченности периода наблюдений (выборки), в гидрологических расчетах ограничиваются использованием его двух параметров: среднего значения и среднеквадратического отклонения (рассеяние).

В качестве среднего значения в статистических выводах обычно принимается сама выборочная оценка исследуемого параметра (уже упоминавшийся приведенный модуль, асимметрия и пр.). Эти оценки, характеризующие сток с отдельных бассейнов, содержат не устраненные приводкой различия в условиях его формирования и подчиняются некоторому распределению вероятностей.

Характеристики стока каждого из бассейнов рассматриваемой группы отличаются от характеристик других бассейнов по двум причинам. Первая из них – стохастический характер и неполная синхронность колебаний метеорологических факторов в каждом из бассейнов, даже если они климатически однородны. Этой причиной обусловлена случайная составляющая случ.. Вторая причина –- различие в ландшафтах и климате совместно исследуемых водосборов, обусловливает появление географической составляющей геогр. [4].

Полное рассеяние оценки полн., в силу независимости причин, определяется в виде:

2полн. = 2случ. + 2геогр. (3.8) Случайная составляющая рассеяния оценок вычисляется по теоретическим формулам или путем статистических испытаний как осредненная дисперсия оценок этих параметров по отдельным объектам.

Соотношение между случайной и географической составляющими определяет целесообразный состав коллектива объектов, обрабатываемых методом группового оценивания.

При увеличении числа совместно анализируемых объектов величина случайной ошибки среднего по ансамблю значения уменьшается. В противоположность этому географическая составляющая должна увеличиваться за счет вовлечения объектов, расположенных в пределах более обширной географической области, условия формирования стока которых, различаются более существенно.

Приемлемым следует считать состав ансамбля, в котором географическая составляющая не превосходит случайной:

геогр. случ (3.9) Порядок выполнения группового анализа (с учетом пространственной скоррелированности данных наблюдений) проводится согласно [4; 5].

Для совместного анализа рекомендуется отбирать гидрологические посты, для которых выполняются следующие условия:

1. Площадь водосборов не превышает 50 000 км2;

2. Ряды наблюдений за стоком имеют продолжительность более 30 лет;

3. Пункты наблюдений относительно равномерно распределены по району;

4. Данные наблюдений по возможности статистически независимы друг от друга.

Если для выделенного подрайона географическая составляющая дисперсии оказывается меньше случайной, то совокупность рядов можно считать однородной, а объединение правомерным. На следующем шаге к однородной группе присоединяется один из ближайших постов и проверяется выполнение условия (3.3). Объединение постов в подрайон заканчивается, когда условие (3.3) перестает выполняться.

Точность расчета статистических характеристик по объединенным данным наблюдений характеризуется стандартной ошибкой ср.

4 ГОДОВОЙ СТОК

4.1 Характеристика годового стока Годовой сток является интегральной характеристикой речного стока и позволяет судить о водных ресурсах речных бассейнов и целых регионов. Он изменяется под влиянием климатических условий и антропогенных факторов.

Годовой сток рек бассейна Верхней Волги формируется высоким половодьем, низкой летней меженью, прерываемой дождевыми паводками и зимней меженью. В последнее время на реках бассейна Верхней Волги часто происходят зимние паводки, вызванные таянием снега.

Анализ средних годовых расходов воды рек бассейна Верхней Волги показал, что многолетние колебания годового стока рек имеют циклический характер, выражающийся в чередовании групп маловодных и многоводных лет. Согласно [38], «в результате произошедших изменений сезонного стока на преобладающей части территории России, годовой сток в последние десятилетия не изменился существенно, происходящие изменения находятся в пределах естественной изменчивости», что подтверждается статистическим анализом однородности.

4.2 Исходные данные Исходными материалами для анализа характеристик годового стока рек бассейна Верхней Волги послужили ежегодные данные по 462 постам, в том числе и ранее закрытым, с рядами наблюдений от 1 до 130 лет.

Наибольшая площадь водосбора в имеющемся массиве данных составляет 188 000 км2 – пост р. Ока – г. Муром, наименьшая 3,25 км2 – р. Красница – д.Потешиха. Средняя продолжительность наблюдений за годовыми расходами воды составляет 36 лет. Самые продолжительные наблюдения за стоком производились с 1882 г. на р. Ока – г. Калуга и р. Ока – г. Муром. Период наблюдений по 32 постам имеют продолжительность менее 6 лет. Периоды наблюдений за годовым стоком рек бассейна представлены в Приложении А.1.

Анализ исходной информации по годовому стоку показал, что максимальные годовые расходы воды на реках наблюдались в 1966, 1990, 1994, 1998 и 2004, 2009 гг. Большинство случаев экстремально низкого годового стока на реках бассейна наблюдалось в 1970-е годы (1972– 1977 гг.).

В Приложении А.3 даны результаты анализа по каждому гидрологическому посту:

период и число лет наблюдений; характерные значения годового стока за период наблюдений:

средние многолетние расходы воды, максимальный и минимальный расход в наблюденном ряду и год, в котором он наблюдался.

Исходные данные наблюдений рядов годового стока были приведены к многолетнему периоду, согласно методики изложенной в [4–6]. В результате приведения продолжительность рядов годового стока увеличилась в среднем на 36 лет.

4.3 Однородность и стационарность По многолетним рядам годового стока выполнена оценка однородности средних значений и дисперсий по обобщенным на случай асимметрии и автокорреляции критериям Стьюдента и Фишера. На основе анализа результатов установлено, что годовой сток рек бассейна Верхней Волги практически однороден, что подтверждается графиками, представленными в качестве примера на рисунке 4.1. Неоднородны по критериям Стьюдента и Фишера примерно 5 % наблюдений по рассматриваемым рядам годового стока. Неоднородность характерна для рек с малыми площадями водосбора. Горизонтальной линией показано среднее значение за период наблюдения. Цифра на графике – среднее многолетнее значение годового стока, м3/с.

а) б) 88,9 в) г) 14,5 20,0 Рисунок 4.1 – Многолетние колебания годовых расходов воды (м3/с) Горизонтальной линией (красный цвет) показано среднее значение за период наблюдений, цифра на графике – среднее многолетнее значение годового стока, м3/с; а) р. Ока – г. Калуга (F = 54 900 км2), б) р. Угра – пгт Товарково (F = 15 300 км2), в) р. Керженец – с. Хахалы (F = 3630 км2) ;г) р. Обнора – с. Шарна (F = 1800 км2)

4.4 Расчетные параметры распределения По рядам годового стока, приведенным к многолетнему периоду, определены параметры распределения (среднее, коэффициенты вариации и асимметрии, коэффициент автокорреляции) и значения годового стока заданной обеспеченности в соответствии с разделом 3 данного отчета.

При расчетах статистических параметров и значений стока различной обеспеченности использованы аналитические кривые обеспеченности (Крицкого – Менкеля, Пирсона III типа).

Расчетные параметры кривых обеспеченности и значения годового стока заданной вероятности превышения от 1 до 99 %, определенные по рядам, приведенным к многолетнему периоду с учетом восстановленных данных по 2010 год включительно, представлены в Приложении А.3. Также в таблице представлены среднеквадратические погрешности расчетных параметров и обеспеченных значений среднегодового стока рек бассейна.

Среднемноголетние значения модулей годового стока рассчитанные по рядам, приведенным к многолетнему периоду, изменяются для рек данного бассейна от 2,69 л/сек км2 до 13,2 л/сек км2.

Средняя квадратическая погрешность расчета среднемноголетнего модуля изменяется в пределах от 2 до 15 %, в среднем ошибка составляет 5 %.

Коэффициенты вариации годового стока (Cv) рек бассейна Верхней Волги изменяются от 0,16 до 0,46, а для преобладающего числа пунктов – от 0,20 до 0,35. Средние квадратические относительные погрешности расчетов коэффициентов вариации изменяются в пределах от 3 до 25 %, в среднем ошибка составляет 10 %.

Наибольшие погрешности расчетных параметров характерны для рек с небольшим периодом наблюдений и малыми площадями водосборов.

Коэффициент автокореляции (коэффициент корреляции между стоком смежных членов ряда), характеризующий переходящую из года в год влагу в бассейнах рек, изменяется от 0,02 до 0,52. Для большинства створов коэффициент автокореляции составил 0,25 – 0,30.

4.5 Карты расчетных параметров На основании полученных расчетных параметров годового стока рек выполнено построение карт:

— среднего многолетнего модуля стока;

— значений соотношения коэффициентов асимметрии к коэффициентам вариации.

При построении карт использовались ГИС-технологии. Картирование параметров осуществлялось согласно методике раздела 3.7.

Для построения карты среднемноголетнего значения (норма) (л/сек км2) годового стока использованы значения модулей стока средних по площади водосборов рек. При наведении изолиний не приняты данные по малым водосборам, сток которых зависит от местных условий.

Карта среднего многолетнего значения годового стока (л/сек км2) для рек бассейна Верхней Волги представлена на рисунке 4.2.

Среднемноголетние значения модулей годового стока изменяются для рек данного бассейна от 3 л/сек км2 на юго-востоке до 9 л/сек км2 на северо-западе района. В соответствии со сменой географических зон модули годового стока имеют зональное распределение. На фоне общего зонального распределения стока по территории в районе Валдайской возвышенности наблюдаются области повышенного стока до 11 л/сек км2.

Рисунок 4.2 – Средние многолетние значения годового стока рек бассейна Верхней Волги, л/сек км2 Наименьшие значения коэффициента вариации характерны для рек крайней северо-западной части бассейна, рек южной части Верхневолжской низменности (правобережные притоки Волги – р.

Шоша, Нерль, Которосль), а также правобережных притоков Верхней Оки и рек бассейна р. Унжа. Наибольшие значения отмечены в Мещерской низине и в верховьях р. Цна. Практически не прослеживается влияние площади водосбора на величину коэффициента вариации. Карта распределения коэффициента вариации по территории представлена на рисунке 4.3.

На рисунке 4.4 приведено районирование территории по соотношению Cs/Cv. Анализ полученных данных показал, что для практически всего района соотношение Cs/Cv = 1,5 – 2,0.

Приведенные карты параметров годового стока (среднемноголетнего модуля стока, коэффициента вариации, отношения коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации) уточняют ранее опубликованные [2; 3] за счет учета при их построении данных наблюдений за последние годы (1975–2010 гг.).

Рисунок 4.3 – Коэффициенты вариации годового стока рек бассейна Верхней Волги Рисунок 4.

4 – Районирование по соотношению Cs/Cv годового стока рек бассейна Верхней Волги

Все расчеты по определению основных гидрологических характеристик выполнены в соответствии с нормативным документом «Свод правил СП 33-101-2003 “Определение основных расчетных гидрологических характеристик”» и «Методическими рекомендациями по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии, недостаточности, отсутствии данных гидрометрических наблюдений и по оценке однородности гидрологических характеристик и определению их расчетных значений по неоднородным данным» [4–8].

Гидрологические расчеты проведены с использованием сертифицированной системы инженерно-гидрологических расчетов «Гидрорасчеты», представляющей комплекс основных вычислительных программ, разработанных в ФГБУ «ГГИ». Результаты расчетов представлены в Приложениях А.4 – А.6.

5.1 Факторы формирования внутригодового распределения стока в бассейне Верхней Волги Основными факторами, влияющими на внутригодовое распределение стока рек, являются климатические особенности территории (внутригодовой ход температуры воздуха и распределение осадков, а также связанные с ними особенности ледового режима, мощности снежного покрова и запасов воды в нем), механический состав почв и их водные свойства, гидрогеологические особенности строения территории. Все эти факторы подробно описаны в разделе «Физико-географической характеристики бассейна Верхней Волги».

Отдельно следует подчеркнуть, что на особенности внутригодового распределения стока рек оказывают также непосредственное регулирующее влияние степень залесенности, озерности, заболоченности и закарстованности бассейна, а также активная хозяйственная деятельность человека.

Лесистость бассейна Верхней Волги на 2003 г. составляла около 45 % [24].

В пределах бассейна наибольшая лесистость характерна для северных, наименее освоенных областей:

Кировская область – более 63 %, Вологодская область – 70 %, Костромская область – 74 %. В западных и густо заселенных областях лесистость меньше: Ярославская область – 45 %, Тверская

– 54 %, Ленинградская – 56 %. К югу лесистость снижается, достигая в лесостепных областях (Саратовская, Курская, Липецкая, Орловская) 6–8 %. Бльшая часть лесов Верхневолжского бассейна имеет вторичное происхождение.

С залесенных бассейнов сток в летне-осенний период больше в среднем на 17 мм (или на 34 %), а за зимний период – на 6,4 мм (33 %) [22; 23]. Эффективная инфильтрация на более залесенных водосборах возрастает в среднем на 25 мм или 41 %. В водно-ледниковых ландшафтах западных лесных районов Московской области (при лесистости бассейнов более 30 %) модуль стока увеличивается на 0,53 л/сек км.2 при возрастании площади лесов на каждые 10 %. В моренных ландшафтах возрастание стока с увеличением лесистости менее значимо: каждые дополнительные 10 % лесистости приводят к увеличению модуля стока на 0,46 л/сек км2 [25].

Максимальное увеличение годового стока за счет наличия лесов наблюдается при начальной лесистости водосбора более 40 %.

Озерность и заболоченность. В регионе находится более 25 тыс. озер, неравномерно распределенных по бассейну Верхней Волги. Средняя озерность территории равна 1,5 % и уменьшается с севера на юг и с запада на восток, что характерно для всей ЕТР. Наибольшая озерность в бассейне р. Чагодоща – около 2 %, минимальная (около 0,01 %) – в бассейне р. Нея.

Самое крупное озеро региона – Белое (Fоз = 1290 км2, Vоз = 6,2 км3), из которого начинается р. Шексна. В бассейне Верхней Волги расположено приблизительно 350 водохранилищ, полный объем которых составляет около 60 км3, полезный – 29 км3, а суммарная площадь зеркала – 12 тыс. км2. Удельный вес региона в суммарном объеме водохранилищ бассейна Волги составляет 30 %, а по площади зеркала – около 40 %. Основная масса водохранилищ – малые водоемы с объемом от 1 до 10 млн м3, что составляет всего 1 % общего объема водохранилищ бассейна Верхней Волги. Более 90 % суммарного объема воды находится в крупнейших водохранилищах (объем более 1 км3) в долине р. Волга: Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Горьковское, Чебоксарское.

Все крупные водохранилища в бассейне Верхней Волги имеют комплексное назначение (гидроэнергетика, водный транспорт, лесосплав, водоснабжение, рыбное хозяйство, рекреация).

Основное назначение Иваньковского водохранилища и системы водохранилищ на р. Москва, ее притоках и канала им. Москвы – обеспечение водой Московской городской агломерации. Малые и небольшие водохранилища служат преимущественно для водоснабжения, орошения, рыбного хозяйства, рекреации, отчасти для охлаждения вод тепловых электростанций, промышленного водоснабжения.

Болота – важная часть гидрографической сети Верхней Волги. Они оказывают мощное влияние на естественную зарегулированность стока и качество речных вод. Средняя заболоченность бассейна Верхней Волги составляет около 4 %. Болота неравномерно распределены по территории бассейна. Наибольшее количество болот находится на севере и северо-западе региона. К югу и юговостоку число болот заметно сокращается. Наибольшая заболоченность характерна для бассейнов рек Чагодоща (24 %), Суда (26 %) и Колпь (33 %). Меньше всего болот в самой южной части региона: в бассейнах рек Большая Кокшага, Илеть и Свияга. Коэффициент заболоченности этих бассейнов близок к нулю.

В результате совокупного влияния на формирование речного стока всех перечисленных выше факторов в бассейне Верхней Волги можно выделить несколько гидрологических районов, отличающихся по режиму стока рек (рисунок 5.1). На большей части территории района, расположенной в лесной зоне (Волго-Онего-Печорский район – Лу1), преобладают реки с пиком весеннего половодья в середине мая и летне-осенними паводками (рисунок 5.2).

Межень здесь продолжительная, средняя по водности, а ледостав устойчивый, средний по продолжительности.

На западе (в Волго-Западно-Двинском районе, Лу2) распространены реки с весенним половодьем с максимумом в середине апреля, с паводками в другие сезоны, превышающими в отдельные годы средний максимум половодья. Межень средняя по водности, ледостав средней продолжительности.

Для большинства рек южной части бассейна Верхней Волги (Средневолжский район, Су1) максимум весеннего половодья приходится на середину апреля. Паводки преимущественно летние, а также осенние. Межень на этих реках продолжительная, низкая по водности. Ледостав средней продолжительности.

В юго-западной части региона (Днепро-Донской район, Су2) максимум весеннего половодья наблюдается в начале апреля, паводки могут быть в любом сезоне, но преимущественно летние, в отдельные годы существенно превышающие средний максимум половодья. Межень продолжительная, низкая по водности. Ледостав средней продолжительности.

По характеру распределения стока по сезонам года и источникам питания реки района относятся к рекам с преимущественным стоком в течение весеннего периода и преимущественным питанием талыми водами [53].

5.2 Характеристика внутригодового распределения стока рек В результате статистической обработки ежегодных данных о стоке за нелимитирующий период (НП), лимитирующий период (ЛП) и лимитирующий (зимний) сезон (ЛС) получены параметры кривых обеспеченности (средние значения, Сv и Сs) для 102 пунктов по данным наблюдений за весь период наблюдений, а также за периоды 1946–2010, 1946–1977, 1978–2010 гг.

(Приложения А.4 – А.6).

Поскольку основной научный и практический интерес представляют новые данные о внутригодовом распределении стока рек для современных климатических условий (со второй половины 1970-х гг.) [54], на рисунке 5.3–5.5 представлены карты характеристик сезонного стока (слой (мм) и коэффициент вариации), определенные по данным наблюдений за 1978–2010 гг.

Большая часть годового стока рек формируется в весенний сезон. Слой стока за весенний (нелимитирующий) период закономерно увеличивается в широтном направлении с юга на север, достигая наибольших значений (175–200 мм и более) на севере территории, в верховьях Унжи, в бассейне Кемы. В верховьях Суры эта величина равна 65–75 мм (рисунок 5.3). Соответственно доля стока за НП увеличивается с запада на восток от 50 % в верховьях Волги, Тверцы, Шошы, Тьмы до 70 % и более для рек Теши, Сережи и левобережных притоков Суры – Пьяны, Алатыря. В верховьях Оки доля стока за НП составляет 50–60 %, а в пределах остальной части бассейна Верхней Волги – 60–65 %.

За весенним половодьем следует летне-осенняя межень, часто прерываемая паводками. Слой стока за ЛП также закономерно увеличивается с юга на север от 40 до 120 мм на северо-западе в бассейне Чагодощи, Суды, Кемы. Доля стока за меженный период также изменяется с запада на восток, составляя 40–45 % на западе, где велика доля паводочного стока, до 30–35 % на востоке.

Коэффициент вариации стока за ЛП меняется от 0,3 для верхней Оки до 0,4–0,5 в бассейнах левобережных северных притоках Волги.

Наиболее низкий сток наблюдается зимой, когда реки в основном переходят на подземное питание. Зимний сток на всех реках рассматриваемого региона меньше летне-осеннего и составляет от 10–15 мм на юго-востоке (бассейн Суры) до 35–40 мм на северо-западе. Доля зимнего стока в годовом стоке максимальна для Верхней Оки (до 16–18 %) и уменьшается в северо-восточном направлении до 5–10 % в верховьях Ветлуги.

Таким образом, распределение сезонного стока по территории в общих чертах следует закону географической зональности, однако влияние местных азональных факторов (озерности, карста, песчаных почв и т. д.) нередко нарушает эту закономерность.

В целом в последнее десятилетие в результате влияния климатических факторов доля стока за лимитирующий период увеличилась, а за нелимитирующий период снизилась.

Естественная зарегулированность стока рек () бассейна Верхней Волги [55] Для рассматриваемой территории величина (), рассчитанная за период 1978–2010 гг., постепенно увеличивается с севера на юг от 0,55 до 0,80, достигая максимальных значений на юге (верховья Оки, Мокши) и западе (верховья самой Волги). В среднем для рассматриваемой области величина () равна примерно 0,65. В 25 % случаев наблюдается статистически значимый тренд увеличения коэффициента () за 1946–2010 годы. Увеличение коэффициента естественной зарегулированности стока за последние десятилетия в наибольшей степени проявляется в бассейнах рек Мокши и Суры (более 30 %), верховьях Оки и Волги и составляют до 2030 %.

Несколько в меньшей степени увеличение коэффициента естественной зарегулированности стока отмечается в бассейне реки Мологи, среднем и нижнем течении Ветлуги, Унжи – 10–20 %, и практически незаметно в северной части бассейна. Такие изменения произошли за счет уменьшения доли талого стока и увеличения доли подземной составляющей (рисунки 5.6–5.8).

Наиболее сильные изменения наблюдаются в южной части бассейна.

Изменение характеристик внутригодового распределения стока по территории Для характеристики пространственной изменчивости внутригодового распределения стока было проведено гидрологическое районирование (рисунок 5.10). В качестве критериев отнесения рек к тому или иному району использована схожесть формы гидрографов стока, рассчитанных в относительных единицах (%), абсолютные величины слоев стока за НП, ЛП и ЛС и доли сезонов в годовом стоке, а также физико-географические и гидрогеологические особенности территории (климатические характеристики, рельеф, озерность, заболоченность, карст). В значительной степени при уточнении границ районов были использованы результаты районирования, приведенного в [56].

В связи с тем, что все реки получают преимущественно снеговое питание, для них характерно крайне неравномерное распределение стока в течение года. Как было указано выше, подавляющая часть годового стока (от 50 до 70 %) проходит в весенний период, при снеготаянии.

Поэтому характер весеннего половодья (объем, продолжительность и доля в годовом стоке) в значительной мере предопределяет характер распределения водности в течение года.

Рисунок 5.10 – Районирование бассейна Верхней Волги по характеру внутригодового распределения стока Район 1 объединяет бассейны рек Мологи, Суды и других, более мелких притоков Рыбинского водохранилища.

Большая часть территории занята низменной равниной, только на западной и северной периферии низменность сменяется грядами и холмами отрогов Валдайской возвышенности. Бассейны рек характеризуются значительной залесенностью (50–70 %), заболоченностью (10–50 %) и большим количеством озер (1–4 %), а в верховьях Чагодощи, Песи, Лиди, Суды, Колпи и других рек распространены карстующиеся породы. Режим рек отличается значительной естественной зарегулированностью (коэффициент равен 0,6–0,7), сток весеннего сезона составляет 60–65 %, сток за ЛП – 40–45 %, зимнего – 12–14 % от годового.

Разнообразное сочетание природных условий (озера, карст, большая заболоченность, лесистость и т. д.) определяет различия внутригодового распределения стока рек района.

Самым многоводным месяцем является апрель или май (на озерных или закарстованных реках), а самыми маловодными месяцами – февраль или март. Осенью на реках района наблюдается повышенный сток за счет прохождения дождевых паводков. Отношение Cs/Cv для слоя стока за ЛП равно 1, для ЛС равно 2–3. Коэффициент вариации слоя стока за ЛП и ЛС равен 0,4–0,5.

Район 2 охватывает бассейны рек Костромы, Унжи, Ветлуги, а также бассейны более мелких притоков Горьковского водохранилища. На севере района преобладает холмисто-грядовый рельеф Галичско-Чухломской возвышенности и Северных Увалов, в южной части более распространен равнинный или низменный рельеф. Слой стока за НП равен 150–200 мм и составляет 60–65 % от стока за год в западной части района и 65–70 % в восточной. Таким образом, неравномерность стока несколько увеличивается в восточном направлении. В последние десятилетия наблюдается незначительное (до 10 %) уменьшение доли стока за весенний сезон. Слой стока за лимитирующий период мало меняется по территории района – в пределах 80–110 мм, достигая максимума в верховьях Унжи. Доля стока за ЛП равна 30–38 % от объема годового стока.

Источник