Максимальный сток рек весеннего половодья на территории Тюменской области
Факторы формирования максимального весеннего стока рек Тюменской области
Понятие максимального стока рек
Максимальные расходы весеннего половодья - одна из основных гидрологических характеристик, необходимая как для расчета гидротехнических сооружений и сети, так и для оценки увеличения выноса минеральных и органических веществ в реки.
Применительно к расчетам максимального стока талых вод реки делятся на две группы: равнинные и горные. Реки Тюменской области относятся к первой группе, водосборы которых расположены в пределах равнин и плоскогорий, где относительное колебание высот не превышает 400 метров и снеготаяние поэтому охватывает почти одновременно весь водосбор или большую его часть. Расчетными характеристиками весеннего половодья являются максимальный расход и объем.
Расчетные формулы, применяющиеся для определения максимальных расходов весенних половодий, можно разделить на 2 группы:
) Редукционные, отражающие в явной форме уменьшение модулей максимального стока с увеличением площади водосбора;
) Объемные формулы, выражающие максимальный расход как функцию объема половодья, его продолжительности и геометрической формы.
Объемные формулы основаны на той или иной геометрической схематизации гидрографа весеннего половодья.
,
где h-слой стока половодья, tв - продолжительность водоотдачи, 
- время добегания, 
-коэффициент размерности, Кф - коэффициент формы [5].
Более широкое применение получили формулы редукционного типа, основанные на эмпирических зависимостях вида 
, выражаемых аналитически как
,
где 
и n представляют собой параметры, определяемые по графикам связи [7].
Геология
В Тюменской области развиты отложения от докембрийских до четвертичных. Западно-Сибирская равнина представляет молодую платформу, покрытую мощной толщей четвертичных отложений. Палеозойские породы выступают на поверхность на окраинах Западно-Сибирской равнины у предгорий Уральских гор. Они представлены известняками, гранитами, диабазами. Более широко распространены в горных районах кембрийские породы. Их мощные отложения представлены известняками, впоследствии частично превратившимися в мраморы. В течении мезозоя в морских бассейнах накапливались мощные толщи осадков. Меловые отложения в южной части представлены красноцветными глинами, песчаниками, конгломератами. Третичные отложения обнажаются в долине р. Иртыша и ее правобережных притоков. Палеогеновые зеленовато-серые глины выходят на поверхность по правобережью Тобола и южнее. Морские палеогеновые отложения встречаются в бассейнах рек Сев. Сосьвы, Казыма, Надыма, Пура. Мощность их 15-20 м, а к западу от Тобола она достигает 160 м, а на Тобол-Ишимском междуречье 200 м. неогеновые отложения широко распространены в южных районах Тюменской области. Они представлены преимущественно континентальными песчано-глинистыми толщами с пресноводной фауной и флорой.
Геология Тюменской области четвертичного времени тесно связана с покровными оледенениями. В распространении четвертичных отложений наблюдается ясно выраженная широтная зональность. Выделяется ледниковая и внеледниковая области. Ледниковая область являлась ареной деятельности покровных оледенений (Самаровское, Тазовское, Зырянское). Ледниковый покров спустился во время Самаровского оледенения на юг до 58° с. ш. В конце Зырянского оледенения произошло опускание северных прибрежных районов Западно-Сибирской равнины. Опустившиеся участки были затоплены водами Карского моря и покрыты морскими отложениями. Затем после регрессии моря в южной половине равнины началось новое врезание рек. Из-за малых уклонов русла и широкого распространения многолетней мерзлоты в большинстве речных долин преобладала боковая эрозия, углубление долин шло медленно, поэтому они имеют значительную ширину и небольшую глубину. В этой зоне развиты широкие речные террасы. Южнее располагается внеледниковая зона Обь-Иртышского междуречья, представляющая громадную аллювиально-озерную равнину. В настоящее время продолжает развиваться боковая эрозия рек. Современные отложения представлены аллювием, аллювиально-делювиальными образованиями. Широкое распространение рыхлых отложений четвертичного возраста обеспечивают высокую естественную зарегулированность максимального стока, следовательно невысокие его максимумы [4].
Рельеф
Западно-Сибирская равнина представляет сочетание самостоятельных низменностей и возвышенностей, достигающих на самостоятельной территории высоты 250-285 м. Широтным повышением, простирающимся от предгорий Урала в области Тоболо-Сосьвинского водораздела через так называемые Сибирские увалы к северному продолжению Енисейского кряжа, равнина разделяется на две части (котловины): северную (Нижнеобскую) и южную (Среднеобскую). Поверхность обеих котловин - низменная равнина с приподнятыми краями с общим очень незначительным падением на север. Обе котловины соединены между собой широким понижением, по которому протекает река Обь.
Наиболее пониженные части Нижнеобской котловины приурочены к устьевому участку Оби и южной оконечности Обской губы. К этому месту направляются реки Таз, Пур, Надым, Обь. От наиболее пониженной части область повышается во все стороны, и высоты быстро возрастают, достигая на левобережье Оби 200-220 м. Повышенные участки представляют плоские массивы, разделенные долинами рек и заболоченными понижениями. По равнинным сильно заболоченным депрессиям с огромным количеством маленьких озерков спокойно протекают в болотистых берегах сильно меандрирующие реки (Ляпин, Сев. Сосьва и др.). Сибирские увалы представляют плоские возвышенности средней высотой в 160-180 м. С севера Нижнеобскую котловину замыкают возвышенности Гыдана и Ямала, разделяющиеся Обской губой.
Наиболее пониженные части (около 20 м. над ур. м.) части Среднеобской котловины находятся в среднем течении Оби, близ устья р. Иртыша. Приподнятые окраины котловины образуют возвышенные равнины, которые с запада, юга и востока окаймляют котловину. Поверхность внутренней части Среднеобской котловины также образует ряд приподнятых участков (Ишимская, Кондинская возв.), перемежающимися со впадинами (Барабинская, Ханты-Мансийская, Обь-Иртышская и др.) В пределы описываемой территории входят восточные склоны Северного, Приполярного и Полярного Урала, составляющие единую горную систему. Здесь выделяется три геоморфологические области. Область высокогорья занимает в пределах рассматриваемой территории небольшую площадь, охватывая главным образом наиболее высокие водораздельные участки гор Приполярного Урала. Высоты колеблются от 1000 до 1900 м. рельеф отличается сильной расчлененностью. В области среднегорья высоты находятся в пределах 500-1000 м. Для рельефа характерны сглаженность вершин, глубокой расчленение. Долины рек обычно плоскодонны и имеют крутые склоны. Область холмисто-увалистых предгорий охватывает увалистую полосу восточного склона Урала. Высоты здесь порядка 100-500 м. Рельеф характеризуется общей сглаженностью, широко распространены отдельные округлые возвышенности, холмы и увалы. Плоский, слабо расчлененный рельеф способствует зарегулированности стока. [1,2,3].
Многолетняя мерзлота
Южная граница распространения многолетнемерзлых пород проходит примерно в пределах 61-62° с. ш. Вдоль нее многолетнемерзлые породы залегают редкими островками на безлесных участках, главным образом на торфяниках. Севернее примерно у 65-66° с. ш., эти породы занимают большую площадь, чем талые породы и встречаются даже на участках, поросших лесом. Еще севернее породы в основном имеют сплошной распространение и отсутствуют только под руслами крупных рек (Обь, Пур, Таз и др.) и под глубокими большими озерами. Под менее крупными водоемами и водотоками верхняя поверхность мерзлых пород залегает на глубине нескольких десятков метров. Вблизи южной границы области многолетнемерзлых пород располагается широкая (100-200 км) зона, в пределах которой температура грунта близка к 0 °С, к северу температура многолетнемерзлых пород понижается и в заполярных районах достигает -7, -10 °С. Глубина сезонного протаивания многолетней мерзлоты уменьшается с юга на север. В подзоне северной тайги мощность сезонного слоя протаивания достигает 2 м. Минимальные глубины сезонного протаивания установлены на торфяниках, максимальные в песчаных отложениях. Мощность мерзлой толщи у полярного круга колеблется от 400-450 до 250-300 м. Южнее полярного круга мерзлые толщи имеют двухслойное строение: верхний слой прослежен до глубины 30-80 м, ниже до глубины 90-150 м залегают талые породы, отделяющие верхний слой от реликтовой толщи мерзлых пород, нижняя граница которой отмечена на глубинах до 300 м и более. К югу от 63-64° с. ш. многолетнемерзлые породы с поверхности не встречаются, мерзлые толщи залегают на большой глубине от 150-200 до 300-400 м. Многолетняя мерзлота является хорошим водоупором и способствует увеличению максимального стока. [12].
Климат
Большая протяженность тюменской области с севера на юг дает возможность наблюдать здесь четко выраженную зональность распределения тепла и влаги. Последнее в свою очередь определяет и широтный характер размещения и последовательное чередование с севера на юг природных зон и подзон. Равнинность территории и открытость с севера на юг не препятствуют глубокому проникновению в ее пределы воздушных масс. Поэтому в любой сезон года возможны резкие изменения погоды, переход от тепла к холоду, резкие колебания температуры воздуха от месяца к месяцу, от суток к суткам и в течении суток [10].
Радиационный баланс. В теплое время года радиационный баланс всюду положителен с наибольшими величинами в июне-июле. Отрицательный баланс наблюдается повсеместно с октября по март и достигает наименьших величин в декабре - январе. Годовой рад. баланс в северной части составляет 20-22 ккал/см², в южной части он увеличивается до 35-40 ккал/см². период с положительным радиационным балансом составляет на севере территории шесть-семь, на юге семь-восемь месяцев. В переходные сезоны рад. баланс в северных и южных частях территории существенно различен, в летние и зимние месяцы практически одинаков.
Температура воздуха. Для температурного режима рассматриваемой территории характерны суровая продолжительная зима, сравнительно короткое, но жаркое лето, короткие переходные сезоны - весна и осень, поздние весенние и ранние осенние заморозки, короткий безморозный период. Средние температуры января распределяются следующим образом: в заполярье с запада на восток температура понижается от -20 до -27°, на всей остальной территории изотермы располагаются с юго-запада на северо-восток и температура колеблется от -17 до -25°. В теплый период года изотермы располагаются в широтном направлении. Средние месячные температуры июля колеблются в пределах от 4°на крайнем севере до 19° на юге территории. От степени атмосферного увлажнения за холодный сезон (в пределах Тюменской области приходится 20-30%) зависит максимальный сток рек.
Осадки. Количество и распределение осадков определяются главным образом общей циркуляцией атмосферы, в частности фронтальной деятельностью западных циклонов, наиболее развитой в средней полосе Западно-Сибирской равнины. Наибольшее годовое количество осадков (500-650 мм) выпадает в лесной зоне. Увеличение осадков в этой зоне связано с наибольшим развитием циклонической деятельности. К северу и к югу от этой зоны количество осадков убывает и в северной тундре на побережье Карского моря составляет всего лишь 300-350 мм. На юге, в степной зоне, количество осадков не превышает 400 мм. Области наибольшего количества осадков приурочены к облесенным водоразделам, так как широкие плоские долины крупных рек оказывают заметное влияние в сторону уменьшения осадков. Основная часть области относится к зоне избыточного увлажнения, что обуславливает относительно высокий максимальный сток рек Тюменской области.
Снежный покров. В связи с огромной протяженностью территории с севера на юг снежный покров характеризуется значительной разницей дат его появления. Ранее всего он появляется в заполярных районах Тюменской области (в последней пятидневке сентября). В таежной зоне он появляется в первой декаде октября. Высота снежного покрова на защищенных от ветра местах на северо-востоке таежной зоны 85-90 см, на северо-западе таежной зоны 70-80 см; к югу от 62° с. ш. высота снежного покрова увеличивается с запада на восток от 60 до 80 см; в лесостепной зоне она убывает с севера на юг от 60 до 45 см. Разрушение устойчивого снежного покрова происходит значительно быстрее, чем его образование. Интенсивность схода зависит от местных условий. На пониженных защищенных местах и в лесной зоне таяние снега происходит медленнее, на возвышенных и открытых местах быстрее. На юге территории поля освобождаются от снега в начале апреля, на севере только в третьей декаде июня. Запасы воды в снеге к концу зимы изменяются от 80 мм на юге и до 140 мм на северо-востоке территории.
Влажность воздуха. Годовой ход упругости водяного пара (абсолютная влажность), содержащегося в воздухе, аналогичен ходу температуры воздуха: наименьшие значения ее наблюдаются зимой в январе и феврале, наибольшие в июле. Под влиянием циркуляционных условий зимнего периода влагосодержание убывает с юго-запада на северо-восток.
Ветер. Самые большие средние годовые скорости ветра (6-7 м/с) отмечаются в Заполярье, несколько меньшие (4-5 м/с) - в степной и лесостепной полосе; наименьшие - в таежной зоне (2-4 м/с). В зимнее время в Заполярье преобладают южные ветры, на всем пространстве к югу от полярного круга юго-западные и южные. Летом преобладают северные и северо-западные ветры [1,2,3].
Гидрографическая сеть
Гидрографическая сеть тюменской области принадлежит бассейну Карского моря и представлена большим количеством рек и речек с постоянным течением. Наиболее значительными реками являются Иртыш и его притоки Ишим, Вагай, Омь, Тара, Демьянка, Конда, притоки Оби Сев. Сосьва и Полуй, реки Обской и Тазовской губ (Пур, Таз, Надым). Данная территория отличается исключительным обилием озер. Всего их насчитывается около 450 тысяч. Озера в основном небольшие, с площадью зеркала менее 1 км², с глубинами от 2 до 5 м. встречаются и крупные озера с большой площадью и значительными глубинами. Характерной особенностью территории является так же большое распространение болот. В некоторых районах (верховья р. Оми, бассейн р. Конды) заболоченность достигает 70%. В пределах рассматриваемой территории имеется свыше 70 тысяч водотоков. Малые водотоки длиной менее 10 км составляют 89% общего количества. Наибольшей густоты речная сеть достигает на севере территории на возвышенных местах в районах, богатых осадками. У большинства рек широкие долины, двусторонние поймы, извилистые русла и малые уклоны. Только у некоторых рек, берущих начало с гор, узкие долины изменяют ясно выраженный характер, изрезаны оврагами, поймы неширокие, русла глубоко врезаны, уклоны значительные. Густота речной сети способствует хорошему увлажнению территории, а значит высокой влажность воздуха и как следствие выпадению большого количества осадков, что напрямую связано с максимальным стоком. [9,12].
Подземные воды
По основным особенностям формирования подземных вод зоны свободного водообмена и их взаимосвязи с реками в пределах Тюменской области целесообразно выделить следующие районы: бассейн Нижнего Иртыша, бассейнов Нижней Оби и рек Надыма, Пура и Таза и небольшой район бассейнов реки Кары и верховий Сев. Сосьвы и других более мелких притоков Нижней Оби. Особенности формирования подземных вод и их связи с реками первых двух районов определяются незначительным уклоном поверхности, слабой эрозионной расчлененностью местности в сочетании с ярусным расположением водоносных и водоупорных пластов, имеющих малое падение к центральной части бассейна. В связи с этим такие водоносные комплексы повсеместно находятся в условиях затрудненного водообмена, а формирование подземного притока в реки и озера осуществляется преимущественно за счет подземных вод в континентальных олигоценовых и четвертичных отложениях. Относительно слабая водоносность толщи определяет небольшой подземный приток в реки и озера (0,5-1 л/сек км²). При этом наблюдается равномерное нарастание величин подземного стока с юга на север. Наибольшая величина подземного притока в реки (до 3-3,5 л/сек км²) наблюдается на территории Сибирских увалов, что связано с находящейся здесь областью повышенных атмосферных осадков и широким распространением песчаных флювиогляциальных отложений четвертичного возраста. К северу от увалов наблюдается ослабление подземного питания 0,5 л/сек км², связанное с увеличением распространения многолетней мерзлоты. К югу от увалов наблюдается понижение подземного стока до 2 л/сек км² в связи с общей сухостью климата. Для водосборов с болотами верхового типа можно предполагать, что отмечаемые в этом случае уменьшения подземного притока в реки с увеличением заболоченности связано с более высоким испарением с поверхности болот, перераспределением составляющих стока и меньшими глубинами вреза гидрографической сети, характерных для заболоченных территорий. В бассейнах рек с болотами низинного и переходного типов уменьшение подземного притока в речную сеть может происходить главным образом из-за потерь подземного стока в границах болот, где имеет место повышенное испарение [13].
Почвы и растительность
Зональное распределение количества тепла и влаги обуславливает и зональное распространение типов почвенного покрова и типов растительности. Строго широтно сменяются природные зоны - тундры, лесотундры, тайга, лесостепь и степь. В типичной тундре к югу от 70° с. ш., развиты торфянисто - поверхностно-глеевые суглинистые почвы. Растительность тундры представлена мхами и лишайниками. В слаборазвитом травянистом покрове преобладают осока, куропаточья трава, пушица, наиболее распространенный кустарник - карликовая береза. В лесотундровой зоне почвы - переходные от торфяно-глеевых к подзолисто-глеевым. В лесотундре среди редких елово-лиственничных участков леса основу растительного покрова составляют лишайники и мхи. Хорошо развита карликовая береза и кустарниковая ольха, богульник и голубика. На севере таежной зоны преобладают почвы торфяно-болотистого типа, при движении к югу больший процент занимают подзолистые почвы. На самом юге таежной зоны почвы дерново-подзолистые. Характерной чертой растительного ландшафта является наличие сфагновых болот. На севере таежной зоны распространены заболоченные елово-лиственничные леса. Кустарниковый ярус состоит из карликовой березы и болотных полукустарников. Ниже расположена кедрово-болотная подзона. В лесах преобладает кедр; встречаются смешанные леса, в составе которых - сосна, ель, лиственница, пихта, береза, осина. Южнее распространены леса из пихты, ели, кедра. В лесостепи распространены солончаковые почвы. В южной лесостепи - средние черноземы. Древесная растительность состоит из пушистой березы с примесью осины, в подлеске - ивы. В составе травяного покрова наблюдаются лугово-болотные виды: вейник, осока, пырей, чина, клевер, мышиный горошек и др. Характер растительности и почвенного покрова оказывает влияние на уровень максимального стока (влияет залесенность, дренированность территории, механический состав почв, их структура и др.). Почвы оказывают локальное влияние на максимальный сток. Непосредственное влияние растительности на сток сравнительно невелико. Не все осадки достигают поверхности почвы. Часть их задерживается кроной деревьев (в хвойном лесу больше, в лиственном меньше) и испаряется [13].
Особенности распределения максимального стока рек по территории Тюменской области
На реках бассейнов Нижнего Иртыша, Нижней Оби и реках Обской и Тазовской губ весеннее половодье по объему и величине максимального расхода превышает дождевые паводки. В отдельные годы дождевые паводки могут превышать по величине максимальные расходы весеннего половодья, однако дождевые максимумы редкой повторяемости на всех реках (за исключением р. Конды) ниже соответствующих расходов половодья. Вытянутость рассматриваемой территории в меридиональном направлении, от степи на юге до тундры на севере, и связанные с этим широтные изменения климатических факторов, растительности и заболоченности обусловили многообразие форм гидрографов половодья. Для степи и южной лесостепи характерны одновершинные гидрографы весеннего половодья с резким подъемом и спадом. Половодье начинается в конце марта - начале апреля и продолжается на средних реках 20-30 дней, а в годы со значительными осадками в весенний период 1,5-2 месяца. На малых реках и временных водотоках половодье продолжается 15-20 дней. В период половодья проходит 80-97% объема годового стока, а на временных водотоках - до 100%.
На реках лесной зоны половодье одновершинное, растянутое во времени. Увеличение продолжительности половодья обусловлено регулированием стока болотами и лесом, а также выпадением жидких осадков на спаде половодья. Продолжительность половодья на средних реках обычно равна 2,5-3 месяцам. В половодье проходит 45-70% объема годового стока. В подзоне мелколиственных лесов и южной тайге половодье наступает в середине апреля, в средней и северной тайге - в конце апреля - первой декаде мая. На реках южной тайги подъем половодья продолжается 10-15 дней, наибольшие расходы воды наблюдаются от 5-10 до 20 дней и более, затем происходит медленный спад до установления летней межени. На реках северной тайги гидрограф половодья сохраняет в основном те же черты, что и на реках южной тайги, за исключением пика половодья. Наибольшие расходы наблюдаются в течении 1-5 дней.
Половодье на реке Конде отличается наибольшей продолжительностью (4-5 месяцев). В годы с обильными летне-осенними осадками дождевые паводки на р. Конде превышают максимумы весеннего половодья. Реки, стекающие с восточного склона Урала, имеют многовершинные гидрографы половодья, обусловленные возвратом холодов и осадками, выпадающими в период снеготаяния. Средняя дата наступления начала половодья изменяется от первой декады апреля на юге до конца третей декады апреля - начала мая на севере. Средняя продолжительность половодья 2-2,5 месяца. Объем стока за половодье составляет 45-60% годового [13].
Средний слой стока половодья на Западно-Сибирской равнине распространяется неравномерно (Приложение 1). Максимум приходится на северные районы 200-250 мм (Пур, Таз, Надым и др.). К югу слой стока уменьшается. В пределах Ямало-Ненецкого автономного округа слой стока составляет 80-150 мм. Минимальный слой стока на юге области от 80 до 10 мм и менее [1]. Вообще для рек Тюменской области характерно чрезмерно затяжное половодье. Лишь реки южных районов отличаются бурным кратковременным половодьем и быстрым спадом вод. На остальной территории половодье растягивается на два-три летних месяца. Подъем воды идет очень быстро, а высокий уровень держится долго и спад очень медленно. Это связано с особенностями рельефа, замедляющими сток, а также с тем, что основные водные артерии Тюменской области - Обь, Иртыш и Енисей - текут с юга, где раньше начинается половодье. В результате эти многоводные реки вызывают подпоры на притоках из среднего и нижнего течения. Длительное весеннее - летнее половодье сильно ослабляют дренирующую роль рек и даже превращает их из фактора дренажа в фактор застоя и временного накопления вод.
Ледостав на реках юга Тюменской области продолжается пять месяцев в году, а на северных до семи-восьми месяцев. В период весеннего ледохода на крупных реках возникают мощные ледяные заторы, так как вскрытие начинается в верховьях, постепенно распространяясь к северу. Продолжительность ледохода в низовьях Оби и Енисея около месяца [11].