Единичный гидрограф показывает изменение расхода или водности потока во времени за счет поступления единичной порции стока. Другими словами, то, как водность потока будет изменяться во времени при добавлении одной единицы стока с водосбора. Единичный гидрограф является полезным инструментом для предварительной оценки влияния осадков на сток в русле.
После изучения содержания этого раздела вы сможете:

Роль теории единичного гидрографа в процессе прогнозирования паводков заключается в оценивании стока по данной сумме осадков.
Даже если известно, какое количество осадков или талой воды поступило или может поступить, и то, какая их часть превратится в сток, еще необходимо знать то, как этот сток будет влиять на водоток в течение некоторого времени. Единичный гидрограф позволяет оценить это, и является неотъемлемой частью многих систем гидрологического моделирования.

В типичных ситуациях – при отсутствии снега, – процесс гидрологического прогнозирования начинается с рассмотрения осадков. Как правило, оценивают среднее количество осадков по бассейну. Обычно это просто количество выпавших на бассейн или прогнозируемых осадков, которое выражается высотой слоя, образовавшегося за некоторое времени. В рамках теории единичного гидрографа предполагается, что осадки распределены по всему бассейну равномерно.

На следующем шаге необходимо знать, какая часть равномерно распределенных по бассейну осадков перейдет в сток. В теории единичного гидрографа под стоком часто понимают "избыточные осадки" или "избыточный дождь" (иногда употребляют термин "эффективные осадки"). Как правило, модели осадки-сток позволяют оценить объем избыточных осадков.
Так, например, если 25 % слоя осадков в 4.00 см, равномерно распределенных по бассейну, являются избыточными осадками, то средний по бассейну слой избыточных осадков составит 1.00 см.
Какая-то часть осадков инфильтруется в почву и просачивается в более глубокие слои, где может длительно храниться. Так образуется базисный сток. Базисный сток – это часть речного стока, которая реагирует на изменчивость осадков со значительной задержкой. Базисный сток обеспечивает сток в водотоках в маловодные периоды.
Некоторая часть оставшегося количества осадков испаряется, часть аккумулируется в озерах и водохранилищах, а остальное количество быстро стекает в водотоки по поверхности земли или непосредственно под ней. Такой сток образован избыточными осадками. Его иногда называют прямым или быстрым стоком.
Единичный гидрограф представляет избыточные осадки или быстрый сток.

Полученная информация об осадках и стоке позволяет оценить только то количество воды, которое быстро достигает водотока. Единичный гидрограф позволяет оценить результирующий сток или расход.
Например, если принять за единицу измерения 1.00 см, то единичный гидрограф позволит оценить расход, образованный 1.00 см избыточных осадков. Во многих странах единичные гидрографы строятся с учетом 1.00 мм избыточных осадков. Концепция построения при этом не изменяется.
Единичный гидрограф – это гидрограф, который формируется _________ в течение определенного промежутка времени.
(Выберите наилучший ответ.)
Правильный ответ - а.
Одной единицей избыточных осадков
Единичный гидрограф – это инструмент прогнозирования стока, который _____.
(Выберите все подходящие ответы.)
Правильный ответ - в.
Единичный гидрограф - это инструмент, который позволяет оценить сток, образованный за период времени 1 единицей избыточных осадков.
Единичный гидрограф показывает то, как поток реагирует на _____.
(Выберите все подходящие ответы.)
Правильный ответ - а.

Сток из каких выделенных слоев образует быстрый сток?
(Выберите все подходящие ответы.)
Правильные ответы - а и б.
Быстрый сток включает избыточные осадки, которые стекают быстро по поверхности или непосредственно под поверхностью.

В этом разделе мы рассмотрим основные важные понятия теории единичного гидрографа и проанализируем основные допущения, на которых она основана.
После изучения содержания этого раздела вы сможете:

Поскольку базисный сток не должен включаться в единичный гидрограф, он должен быть отделен от быстрого стока. Это можно сделать различными методами.

Срезка по прямой линии продемонстрирована на рисунке. Это простой приближенный способ разделения базисного и быстрого стока.

Проводится линия, отделяющая базисный сток. Она отделяет часть единичного гидрографа, которая формируется за счет базисного стока от той, которую формирует быстрый сток.

Время избыточных осадков – это продолжительность периода, в течение которого наблюдались избыточные осадки. Оно не связано со временем отклика стока на единичном гидрографе. Единичные гидрографы называются в зависимости от времени избыточных осадков. Например, 6-часовой единичный гидрограф – результат выпадения избыточных осадков в течение 6 часов.
Ветвь подъема – это часть гидрографа между точкой начала подъема кривой и пиком гидрографа.
Ветвь спада (кривая спада) – это часть гидрографа между его пиком и точкой, в которой сток возвращается к своему относительно стабильному состоянию.
Точка перегиба – это точка на ветви спада гидрографа, с которой наблюдается уменьшение крутизны спада. С этого момента в общем стоке базисный сток начинает преобладать над быстрым стоком.

В теории единичного гидрографа используют различные характеристики времени.
Время достижения пика – которое иногда называют временем запаздывания пика паводка – это длительность промежутка времени между серединой периода избыточных осадков и пиком гидрографа.
Время добегания – это длительность промежутка времени от конца периода избыточных осадков до конца ветви спада быстрого стока. Это время характеризует длительность добегания порций стока от самых удаленных частей водосбора.

Первоначальное допущение теории единичного гидрографа – это допущение о равномерности осадков, как в пространстве (предполагается минимальная изменчивость по площади водосбора), так и во времени. Другими словами, интенсивность осадков за время выпадения изменяется незначительно.

На практике, осадки редко характеризуются пространственно-временной однородностью. Часто интенсивность осадков в различных частях бассейна различна. Кроме того, в течение осадков большая их доля становится избыточными, так как грунт становится более влагонасыщенным.
Единичный гидрограф – это гидрограф, сформированный одной единицей избыточных осадков за определенный промежуток времени, при _____ по бассейну.
(Выберите наилучший ответ.)
Правильный ответ - а.
Если имеется 6-часовой гидрограф, то это значит, что в течение 6 часов _____.
(Выберите все подходящие ответы.)
Правильный ответ - в.
Используйте выпадающее меню, чтобы выбрать наилучшее определение.

Выберите правильный термин для всех объектов, отмеченных буквами на рисунке.


Выберите термины, правильно определяющие выделенные на диаграмме периоды.


Единичный гидрограф может быть получен из гидрографа стока, зарегистрированного на гидрологическом посту, при наличии следующей информации:
В этом разделе будут последовательно рассмотрены все шаги построения единичного гидрографа.
После изучения содержания этого раздела вы сможете:

Построение единичного гидрографа необходимо начать с выбора наблюденного гидрографа, быстрый сток которого образован осадками, выпавшими в ходе одного дождя. Кроме того, сформированные этим дождем избыточные осадки должны быть близки к равномерным в пространстве и во времени.

Вспомните, что единичный гидрограф представляет быстрый сток.
Следовательно, для того, чтобы единичный гидрограф отражал только этот сток, необходимо отделить базисный сток.

После отделения базисного стока, получаем результирующий гидрограф, который сформирован только избыточными осадками или быстрым стоком

Теперь необходимо вычислить общий объем быстрого стока. Это выполняется суммированием площадей под единичным гидрографом за каждый интервал времени, в нашем случае – за час.

После определения объема быстрого стока, необходимо определить средний для бассейна слой стока, сформировавший этот объем. Выполним это, равномерно распределив весь сток по площади бассейна.

Математически это выполняется делением объема быстрого стока на площадь бассейна.

Например, площадь бассейна составляет 100 км2 (100 000 000 м2). Пусть объем быстрого стока равен 2 000 000 м3. Поделив объем на площадь, 2 000 000 м3/100 000 000 м2, получим 0.02 м, или 2.0 см. То есть средний по бассейну слой избыточных осадков равен 2 см.

Возможно, что слой избыточных осадков не будет точно равняться одной единице, как требует теория единичного гидрографа. Поэтому гидрограф быстрого стока придется корректировать для того, чтобы показать, каков был бы результат воздействия одной единицы.

Коэффициент приводки (поправочный коэффициент) может быть определен просто делением единицы гидрографа (в рассматриваемом примере 1) на избыточные осадки. Затем значение коэффициента используется для приводки точек гидрографа к единичному.

Например, для нашего гидрографа единичный слой равен 1 см, а рассчитанный слой избыточных осадков равен 2 см. Значение коэффициента приводки равно 0.5, и может быть использовано для расчета ординат гидрографа.
Умножив значения координат каждой точки гидрографа на 0.5, получим результирующий единичный гидрограф для слоя избыточных осадков 1 см.
Заметьте, что по вертикальной оси Y обычного гидрографа откладывают значения расхода, например в м3/с. На оси Y единичного гидрографа откладывают значения стока на единицу объема, например, м3/с на м3.

Время единичного гидрографа определяется продолжительностью непрерывного периода, в течение которого образовалась одна единица избыточных осадков. Если это занимает 6 часов, мы имеем 6-часовой единичный гидрограф. Не забывайте, что время единичного гидрографа не связано со временем отклика руслового стока.
Сложность определения времени единичного гидрографа состоит в установлении доли осадков, которые становятся избыточными.

Вспомните, что часть осадков, которая инфильтруется через поверхность почвы и просачивается сквозь нее в более глубокие слои, также как и базисный сток, не является частью избыточных осадков.
Доля этих осадков определяется совмещением функции постоянных потерь и диаграммы дождя.
Вспомните, что ранее мы рассчитали слой избыточных осадков, он равен 2 см. Теперь нужно узнать, сколько времени потребовалось для того, чтобы такой избыток появился.
Будем смещать линию функции постоянных потерь таким образом, чтобы количество осадков над ней было равным значению слоя избыточных осадков, которое определено ранее.
Осадки ниже этой линии становятся частью многолетних запасов. Осадки выше этой линии – избыточные осадки

Теперь у нас имеется диаграмма избыточных осадков. Заметьте, что она включает только 6 часов из 9, представленных на первоначальной диаграмме всего дождя. Это значит, что избыточные осадки сформированы в течение 6 часов и мы будем строить 6-часовой единичный гидрограф.
Обратите внимание на неравенство объемов дождя за каждый час. Это – типичная картина.
Для оценки продолжительности единичного гидрографа предположим, что избыточные осадки распределены во времени равномерно.

В результате последовательного выполнения всех шагов, получен 6-часовой единичный гидрограф. Он демонстрирует отклик стока на 6-часовые избыточные осадки, сформировавшие единичный слой.
Полученные характеристики единичного гидрографа применяются при прогнозирования стока реальных паводков с использованием модели осадки-сток.

Построение единичных гидрографов по данным об осадках и информации, полученной на гидрологических постах, является наиболее предпочтительным способом, однако, для многих бассейнов таких данных нет.
В этих случаях применяют составной единичный гидрограф. Составные единичные гидрографы обычно применяются для недостаточно освещенных гидрологическими наблюдениями бассейнов и строятся по данным, полученным на бассейнах, освещенных наблюдениями.
Общий объем быстрого стока и площадь бассейна используются для того, чтобы вычислить _____.
(Выберите наилучший ответ.)
Правильный ответ - в.
Средний по бассейну слой избыточных осадков дождя, выбранного для построения единичного гидрографа, не должен быть обязательно точно равен единичной порции слоя.
(Верно или Неверно?)
Правильный ответ - а.
Избыточные осадки рассматриваемого дождя не обязательно должны точно составлять 1 единицу слоя. В ходе построения гидрографа выполняется корректировка, которая позволяет учесть отличия фактических избыточных осадков от единичного слоя. На самом деле гораздо важнее выбрать равномерные по бассейну осадки, чем стараться выбрать события, в ходе которых формируется единичный слой избыточных осадков.
Что из нижеуказанного необходимо знать для построения единичного гидрографа по данным о дожде и информации гидрологических постов?
(Выберите все подходящие ответы.)
Правильные ответы - а, б, в и д.
Помимо данных об осадках и расходах воды для построения единичного гидрографа нужно знать площадь бассейна, долю базисного стока в общем стоке, время избыточных осадков и долю осадков, которая формирует быстрый сток, или избыточные осадки.
Практическое применение теории единичного гидрографа требует ее адаптации к естественным условиям.
Например, при использовании некоторых гидрологических моделей стока применяют единичный гидрограф, который отличается от рассмотренного выше. Кроме того, обычно приходится иметь дело с величинами избыточных осадков, которые отличаются от единичного слоя, или формируются в течение интервалов времени разной продолжительности, или нескольких интервалов времени.
Теория единичного гидрографа применима как к жидким осадкам, так и к талым водам.
Наконец, единичные гидрографы могут быть получены в различных единицах измерения.
После изучения содержания этого раздела вы сможете:

Некоторые модели стока, такие как модель учета влажности почвы Сакраменто, изначально учитывают наличие промежуточного стока, представляющего собой часть быстрого стока непосредственно под поверхностью грунта. Однако, применяя ту или иную модель стока, необходимо проверить, следует ли включать в единичный гидрограф промежуточный или какой-то иной подповерхностный сток, для того, чтобы избежать их повторного учета при оценке полного стока.

Единичный гидрограф, полученный на основе модели стока, которая включает разделение базисного и промежуточного стока, будет иметь более высокий, быстрее формирующийся пик, по сравнению с более традиционным единичным гидрографом. Это объясняется тем, что поверхностный сток достигнет потока быстрее, чем подповерхностный (промежуточный) сток. Заметьте, что площади под двумя кривыми, тем не менее, равны, так как оба гидрографа рассчитаны для одной единицы стока.

Как трансформировать единичный гидрограф к осадкам неравномерной интенсивности?
Пусть имеется 6-часовой единичный гидрограф, пик которого сформирован одной единицей слоя избыточных осадков (на рисунке показан зеленым цветом). Но реально образовалось 2 единицы слоя избыточных осадков в течение этих 6 часов.
Поэтому выполним простую пропорциональную приводку, полагая, что в два раза большее количество осадков сформирует в два раза больший пик.
Аналогично, 0.5 единицы слоя избыточных осадков сформирует паводок в два раза меньшего объема по сравнению с паводком, сформированным одной единицей слоя.

Вспомните, что 6-часовой единичный гидрограф – это гидрограф, сформированный в результате избыточных осадков в течение 6 часов.
Рассмотрим ситуацию, когда единичный слой избыточных осадков возник в течение одного, а не шести часов. В этом случае, водосбор прореагирует быстрее, и пик гидрографа сформируется раньше. Сам пик будет выше, так как объем под кривой должен остаться таким же, как и под кривой для 6-часовых избыточных осадков.
Аналогично, если бы время избыточных осадков составляло 12, а не 6 часов, тогда пик гидрографа сформировался бы медленнее и был бы ниже. Но и в этом случае объем под кривой остался таким же.
При применении единичного гидрографа важно выбрать правильную продолжительность. Но "правильная" продолжительность единичного гидрографа может и не существовать.
Например, может иметься 6-часовой единичный гидрограф, а текущие осадки образуют только 1-часовые избыточные осадки. Существуют определенные методики, которые можно применить к имеющемуся единичному гидрографу для получения единичного гидрографа меньшей или большей продолжительности. Методы "сдвижки" и суммирования или S-кривой ("S-Curve") – вот только два из возможных подходов.

Давайте будем более реалистичными и немного усложним ситуацию. Рассмотрим случай формирования избыточных осадков в течение 24 часов. Суммы осадков за отдельные часы периода изменяются от менее 0.1 до более 0.5 единичного слоя избыточных осадков.
Пусть имеется только 6-часовой единичный гидрограф. Очевидно, он не подходит для рассматриваемого случая 24-часовых избыточных осадков.

Сначала необходимо более внимательно проанализировать диаграмму для того, чтобы попробовать разделить 24-часовой период на 6-часовые интервалы. В нашем случае, можно выделить четыре относительно однородных 6-часовых интервала (показаны разными цветами).

Теперь, когда имеются 4 периода избыточных осадков, продолжительность каждого из которых совпадает с продолжительностью единичного гидрографа, можно применить его для каждого из этих четырех периодов.
Проанализируем приведенные единичные гидрографы для каждого интервала. Очевидно, гидрограф для интервала 3 (красная кривая) будет иметь более высокий пик, что соответствует большей величине избыточных осадков.

Наконец, объединив все 4 гидрографа, получим один гидрограф, показанный на рисунке черной линией. В рассмотренном примере мы использовали 6-часовой единичный гидрограф для того, чтобы построить гидрограф для осадков продолжительностью 24 часа. Практически, гидрограф одного дождевого паводка построен по нескольким отрезкам времени. Этот общий гидрограф демонстрирует быстрый сток 24-часовых избыточных осадков.
Продемонстрированный метод комбинирования гидрографов иногда называют сверткой (сдвижкой).

Сток может быть образован осадками, талыми водами, или одновременно тем и другим. Теория единичного гидрографа применима в рамках модели стока.
Поэтому при применении единичного гидрографа не имеет принципиального значения, были ли избыточные осадки образованы дождем или водоотдачей. Модель стока, а, следовательно, и теория единичного гидрографа, не дифференцирует эти источники. Тем не менее, прогнозисты, работающие с талыми водами, должны иметь представление о сопутствующих снеготаянию процессах и явлениях, таких как промерзание грунта или ледовые явления на реках.
Пусть слой избыточных осадков 1 см формирует максимальный расход 30 м3/с на стандартном единичном гидрографе, тогда слой избыточных осадков 2 см такой же продолжительности сформирует сток _____ м3/с.
(Выберите наилучший ответ.)
Правильный ответ - в.
Если 1 см избыточных осадков формирует 30 м3/c, тогда вдвое большие избыточные осадки, или 2 см, сформируют в 2 раза больший сток, т.е. 60 м3/c.

Рассмотрите стандартный 6-часовой единичный гидрограф. Где будет расположен пик гидрографа при избыточных осадках 0.5 единичного слоя?
(Выберите наилучший ответ.)
Правильный ответ - д.

Единичный гидрограф достигнет только половины максимального значения стока, если сформируется только 0,5 единичного слоя избыточных осадков. Время и форма не изменятся.

Где будет расположен пик кривой, если единичный слой избыточных осадков сформируется за 3 часа вместо 6?
(Выберите наилучший ответ.)
Правильный ответ - а.

Трехчасовой единичный гидрограф сформирует более высокий пик, и быстрее, чем шестичасовой единичный гидрограф. При этом объем стока останется прежним.

Как было сказано выше, осадки редко бывают равномерными во времени и пространстве. Типичный дождь – это результат комплексного мезомасштабного воздействия атмосферы и подстилающей поверхности. При осреднении осадков по бассейну сглаживаются их максимумы и минимумы.
Для того, что бы скорректировать прогноз для лучшего соответствия реальным осадкам, необходимо знать о нарушениях допущений теории единичного гидрографа.
После изучения содержания этого раздела вы сможете:
Пространственная неравномерность осадков по бассейну нарушает основное допущение об их однородности. Неравномерность распределения осадков по бассейну может быть обусловлена как особенностями подстилающей поверхности, так и различным охватом осадками бассейна. Это может привести к гидрологическому отклику, который будет существенно отличаться от результата применения теории единичного гидрографа.

Рассмотрим гипотетический случай: пусть на одной десятой части бассейна наблюдаются осадки слоем 5 единиц, а на остальном бассейне осадков нет. В этом случае средний по бассейну слой осадков будет равен 0.5 единичного слоя. В зависимости от применяемой модели стока, 0.5 слоя осадков может быть недостаточно для образования значимого стока с бассейна. Однако на той части бассейна, где осадки составляют 5 единиц, сток может быть значительным и водность водотока существенно увеличится.

Предположим, что рассматриваемый участок бассейна, который получает 5 единиц осадков, расположен в верхнем течении реки. К моменту, когда сток достигает расчетного замыкающего створа, он уже может быть несущественным из-за трансформации паводочной волны в процессе ее движения по руслу. При этом вполне вероятно возникновение паводка в месте выпадения интенсивных осадков.
И наоборот, пусть осадки слоем 5 единиц выпадают на участке, расположенном в нижнем течении реки. В этом случае прогнозируемый гидрологический отклик в замыкающем створе может быть весьма существенным.

Как и при различном расположении места выпадения осадков, их передвижение также порождает проблемы распределения, поскольку оно противоречит предположению об однородности осадков.
Даже если средние по бассейну осадки равномерны, но выпадают в разное время в различных частях бассейна, то может наблюдаться существенное несоответствие реального гидрографа и гидрографа, полученного в соответствии с теорией единичного гидрографа.
Пусть осадки передвигаются вниз по бассейну, от истока к устью водотока. Избыточные осадки будут формироваться быстрее в нижней части бассейна. Это объясняется тем, что вода, движущаяся вниз по руслу и местный сток из нижней части бассейна, достигают русла одновременно. При этом формируются более крутая кривая подъема и более высокий пик, чем в случае равномерного распределения осадков по бассейну, как того требует теория единичного гидрографа.
Напротив, при движении осадков вверх по бассейну, пик гидрографа будет ниже, а он сам – более пологим.

Изменения характера подстилающей поверхности также могут повлиять на вид единичного гидрографа. Рассмотрим единичный гидрограф для бассейна, который первоначально был занят лесами и сельскохозяйственными угодьями.
Предположим, что с момента разработки единичного гидрографа для бассейна произошла его существенная урбанизация. Урбанизация часто вызывает увеличение как объема стока, так и скорости его формирования. Поэтому вполне вероятно, что будет формироваться более высокий пик стока за более короткий период времени, по сравнению с рекомендованным единичным гидрографом.
Прочие изменения подстилающей поверхности, такие как обезлесение, лесные пожары, промерзание грунтов также могут вызвать увеличение стока.
На гидрографе стока с бассейна пик намного выше и наступает быстрее, чем предполагалось. Сомнений в точности данных об осадках и расходах нет. Более того, ранее 6-часовой единичный гидрограф давал хорошие результаты для бассейна. Чем может быть вызвана проблема?
(Выберите все подходящие ответы.)
Правильные ответы - а и в.
Более быстрое формирование более высокого пика может быть вызвано: 1) осадками, двигающимися в нижнюю часть бассейна, 2) осадками, сконцентрированными в нижней части бассейна, и 3) изменениями в характере землепользования на бассейне, например, урбанизацией и/или лесными пожарами.
На 1/5 части бассейна в течение более 3 часов наблюдаются интенсивные конвективные осадки, в то время как на остальной части бассейна сухо. Средний слой осадков по бассейну составляет 0.5 см, что, согласно теории единичного гидрографа, не должно вызвать существенного отклика стока в замыкающем створе бассейна. Что может вызвать несоответствие теории?
(Выберите все подходящие ответы.)
Правильные ответы - б и в.
Поскольку 1/5 часть бассейна получила все осадки, а средний по бассейну их слой составил 0,5 см, можно сделать вывод, что эта 1/5 часть бассейна получила 2,5 см осадков. В соответствии с теорией единичного гидрографа осадки должны быть распределены равномерно, поэтому следует учитывать средний по бассейну слой осадков - 0,5 см. Хотя слой осадков 0,5 см может и не сформировать быстрый сток, в реальных условиях в эпицентре дождя, где выпадет 2,5 см осадков, может сформироваться значительный местный сток, который может быть зафиксирован в замыкающем створе.

Предположим, наблюдаются осадки, которые формируют средние по бассейну избыточные осадки, слой которых отличается от единичного. Кроме того, эти избыточные осадки не однородны ни в пространстве, ни во времени. Что необходимо предпринять при гидрологическом прогнозировании?
(Выберите все подходящие ответы.)
Оба ответа могут быть правильными; все зависит от ситуации и от опыта прогнозиста:
Если имеются факторы, значительно нарушающие допущения теории единичного гидрографа (например, интенсивная конвекция в нижней части бассейна), то вы можете спрогнозировать пик гидрографа более высоким и раньше формирующимся. Для правильной корректировки единичного гидрографа вам понадобится некоторый опыт.
Еще один способ: выполнить корректировку прогнозируемого, а не единичного гидрографа. При этом предполагается, что единичный гидрограф надежен и его не нужно корректировать. В случае, если распределение осадков не соответствует допущениям теории единичного гидрографа, понадобится скорректировать итоговый прогноз.
Наконец, если есть сомнения, можно скорректировать как данные об осадках, так и о стоке.
Поскольку теория единичного гидрографа предполагает равномерные во времени и пространстве осадки и неизменные характеристики подстилающей поверхности, то следует учитывать:
Программа COMET® реализована при поддержке NOAA National Weather Service (NWS) и дополнительном финансировании со стороны: