Гидрологический анализ и прогноз весеннего половодья лесных и лесостепных рек Средней Сибири

Иванова, Ольга Игоревна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Гидрологический анализ и прогноз весеннего половодья лесных и лесостепных рек Средней Сибири
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Гидрологический анализ и прогноз весеннего половодья лесных и лесостепных рек Средней Сибири"

4845322

На правах рукописи

Иванова Ольга Игоревна

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ПРОГНОЗ ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ ЛЕСНЫХ И ЛЕСОСТЕПНЫХ РЕК СРЕДНЕЙ СИБИРИ

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

1 2 МАЙ 2011

Иркутск -2011

4845322

Работа выполнена в Красноярском государственном аграрном университете

Научный руководитель

доктор географических наук, профессор Бураков Дмитрий Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Игнатов Анатолий Васильевич

кандидат географических наук Бережных Тамара Васильевна

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения РАН (г. Барнаул)

Защита состоится 28 апреля в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.010.01 по защите докторских диссертаций при Учреждении Российской академии наук Институт географии им. В.Б. Сочавы Сибирского отделения РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 1. Факс:(3952)42-27-17 E-mail: postman@irigs.irk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 1, ученому секретарю диссертационного совета д.г.н. Рагулиной М.В,

Автореферат разослан «Л Б» марта 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета

доктор географических наук ¿^/Я^ш*^, Рагулина М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Высокие дружные половодья приводят к затоплению населенных пунктов, прорыву плотин и спуску прудов. Даже небольшие реки в период половодья могут наносить большой ущерб хозяйству и имуществу граждан. Ярким примером служит р. Ка-ча г. Красноярска (площадь водосбора 1250 км2), в долине которой, в устьевой части, располагаются жилые районы города с многоэтажной застройкой, попадающие в годы с высоким половодьем в зону затопления. За последние 10 лет это случилось трижды (1999,2001,2005 гг.).

Прогноз весеннего стока сводится к заблаговременному определению суммарных потерь стока. Исследования В.Д. Комарова для условий европейской части России (степная и лесостепная зоны) показали, что изменение от года к году глубины промерзания почвы влияет на талый сток и его потери в тех районах, где эта глубина в конце зимы не превышает 60 см. В Сибири, даже на юге, почвы ежегодно промерзают значительно глубже чем на 60 см. До сих пор вопросу оценки потерь стока весеннего половодья в Сибири в условиях глубокого промерзания почв уделялось недостаточно внимания.

Цели работы

1. Исследовать факторы, влияющие на величину потерь стока весеннего половодья в условиях глубокого промерзания почв.

2. Провести комплексный географический анализ факторов весеннего половодья в условиях юга лесной и лесостепной зон Средней Сибири.

3. Адаптировать концептуальную математическую модель формирования стока и оценить возможность ее применения для прогноза ежедневных уровней воды р. Ка-чи г. Красноярска.

Задачи работы

1. Создать электронный архив гидрометеорологических данных по изучаемым бассейнам рек.

2. Оценить репрезентативность различных показателей увлажнения и промерзания почвы для прогноза потерь стока весеннего половодья.

3. Реализовать различные подходы аналитического описания физико-статистических водно-балансовых зависимостей для прогноза стока весеннего половодья и оценить показатели точности этих зависимостей.

4. По данным наземных гидрометеорологических наблюдений и спутниковой информации среднего разрешения о динамике снегового покрытия:

• выполнить оптимизацию параметров концептуальной модели формирования стока р. Качи - г. Красноярск;

• произвести модельные расчеты динамики схода снега, водоотдачи склонов и притока в русловую сеть в ландшафтных районах и высотных зонах бассейна;

• рассмотреть возможность реализации модели для прогноза ежедневных уровней воды р. Качи г. Красноярска.

Объекты исследования - реки степной, лесостепной и горно-таежной зон в центральной части Средней Сибири (Большая Уря - п. Малая Уря, F= 1150 км2; Кача -г. Красноярск, F= 1250 км2; Кача-п. Емельянове, F= 561 км2).

Методические основы исследования

1. Комплексный гидролого-географический анализ.

2. Выявление прогностических зависимостей по данным многолетних гидрометеорологических наблюдений с использованием математических методов и программных средств обработки данных (Microsoft Excel, Mapinfo, GidroStatistica, STATISTICA).

3. Математическое моделирование процессов формирования стока с применением концептуальной модели.

Исходные данные. Работа основана на материалах стандартных многолетних наблюдений гидрометеорологической сети Среднесибирского УГМС и регулярной информации спутника TERRA о заснеженности территории.

Диссертация подводит итог исследованиям, проводимым автором, начиная с 1999 г., по планам Росгидромета в составе Красноярского НИЦ и Красноярского ЦГМС-Р Среднесибирского УГМС (тема РЗ 1.9.4.3, 1999 г., раздел: Краткосрочный прогноз ежедневных уровней воды на реках Сибири - реки Кача, Туба; тема 8.145, 2010 г., раздел: Метод прогноза ежедневных уровней воды р. Кача - г. Красноярск).

Научная новизна работы

1. Установлено, что степень увлажнения и термические условия промерзания почво-грунтов в начале зимы оказывают влияние на сток талых вод. Обосновано применение репрезентативного показателя водопоглотительной способности речных бассейнов для прогноза стока тальк вод на реках южной тайги и лесостепи Средней Сибири.

2. С применением различных подходов аналитического описания физико-статистических водно-балансовых зависимостей определены численные значения параметров прогностических уравнений в конкретных условиях южной тайги и лесостепи Средней Сибири и показана их связь с ландшафтными характеристиками территории.

3. Реализована концептуальная математическая модель краткосрочных прогнозов ежедневных уровней воды разнообразного в ландшафтном отношении бассейна (р. Кача), учитывающая как наземную гидрометеорологическую информацию, так и космическую информацию среднего разрешения о динамике снегового покрытия территории. Подтверждена возможность моделирования динамики схода снега, водоотдачи склонов и притока в русловую сеть в высотных зонах бассейна в условиях недостаточного информационного гидрометеорологического обеспечения.

Практическая значимость. Для отдела гидрологических прогнозов Красноярского Гидрометцентра разработан комплекс методик прогноза характеристик весеннего половодья. В оперативной практике используется автоматизированный метод прогноза ежедневных уровней воды р. Качи г. Красноярска.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на техническом семинаре Красноярского ЦГМС-Р Среднесибирского УГМС (2009); на VII научно-практической и методической конференции, посвященной 100-летию Красноярского отдела РГО «География на службе науки, практики и образования» (Красноярск, 2001); на региональной научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2006); на региональной научной конференции, посвященной юбилею Красноярского гос. аграрного ун-та (Красноярск, 2010); на III международной научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные тенденции развития российской науки» (Красноярск, 2010); на кафедре природообустройства Института землеустройства, кадастров

и природообустройства Красноярского государственного аграрного университета (Красноярск, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы, 3 приложений. Основной текст изложен на 158 страницах машинописного текста, включает 36 таблиц и 28 рисунков. Список литературы содержит 96 источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследований, определены цели и задачи работы, методы их решения, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Дан краткий обзор истории исследования факторов, формирующих снеговое половодье.

В первой главе рассмотрено теоретическое обоснование общего вида зависимости стока талых вод от основных факторов его формирования. Приведены интегральные уравнения стока снегового половодья и его расчетные аппроксимации, дающие физически обоснованное представление об общем нелинейном виде зависимостей стока от поступления воды и емкостного поглощения.

Во второй главе рассмотрены физико-географические условия и климатические характеристики исследуемой территории. Здесь же дана краткая гидрографическая характеристика бассейнов рассматриваемых рек Кача - с. Емельяново, Кача - г. Красноярск, Большая Уря - с. Малая Уря.

В третьей главе исследуются факторы и характеристики весеннего половодья в бассейнах рассматриваемых рек: снегонакопление, территориальное распределение снежного покрова, снеготаяние, талая, дождевая и подземная составляющие стока весеннего половодья. При помощи математических методов (парная и множественная корреляция, методы оптимизации) обоснованы предикторы, характеризующие влияние начального состояния бассейна на потери талых вод в условиях глубокого промерзания почв в лесных и лесостепных бассейнах Средней Сибири. Получены уравнения для прогноза стока талых вод.

В четвертой главе рассмотрены концептуальные математические модели стока, используемые в гидрологических прогнозах (модели Попова Е.Г., Корня В.И. и Бельчикова В.А., Буракова Д.А.).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ЯВЛЯЮЩИЕСЯ ПРЕДМЕТОМ ЗАЩИТЫ

1. Учет ландшафтных особенностей речного бассейна позволяет уточнить оцепки показателей снегонакопления, весенних осадков и других предикторов, входящих в водно-балансовые зависимости, применяемые для прогноза характеристик весеннего половодья.

В бассейне р. Кача выделяются два района: 1) горно-таежный (верхняя часть бассейна); 2) лесостепной и степной (в среднем и нижнем течении реки). Горнотаежный район (до п. Емельяново) занят хвойными и смешанными лесами. Средняя его высота составляет 407 м, максимальная - 825 м. Характерные высоты местности в лесостепном и степном районах составляют 200-300 м. Здесь преобладают степные ландшафты, значительную часть их представляют сельскохозяйственные угодья. Модуль годового стока в горно-таежном районе составляет 6,35 л/схкм2, уменьшаясь в лесостепном и степном до 3,95 л/схкм2.

Река Большая Уря - типичная река северной лесостепи. Средняя высота ее водосбора составляет 340 м. Осадков выпадает заметно меньше, чем в бассейне реки Кача. Степные участки заняты сельскохозяйственными угодьями. Средний годовой модуль стока в бассейне до створа с. Малая Уря составляет 1,64 л/схкм2.

По объему стока и высоте уровней воды наиболее значительной фазой гидрологического цикла рек Качи и Большой Ури является весеннее половодье.

Снежный покров. В лесостепи и степи Средней Сибири неравномерность залегания снежного покрова определяется разнообразием рельефа и растительного покрова. В лесных массивах снежный покров залегает более равномерно. Здесь заметное влияние на микрорельеф снежной поверхности оказывают пространственная изменчивость состава, полноты, возраста и ярусности леса. Различия величин снегозапасов в поле и в лесу вызываются следующими физическими причинами: 1) ветровой перенос снега; 2) оттепели; 3) испарение и конденсация.

Определение снегозапаса в бассейнах рек Качи и Большой Ури выполнено с учетом территориального распределения ландшафтов и расположения снегомерных маршрутов. Снегозапас, средний на площади рассматриваемых бассейнов, рассчитывается по формулам:

• для бассейна у. Качи пос. Емелъяново 5г= ЗлКача/„ + S„jcam (1 - f„);

• для бассейна р. Качи г. Красноярска SK= S,,.Ka4af„e + Sn.KpaCHfm + S^acHfn;

• для бассейна р. Большая Уря с. Малая Уря Sy= Sn£anf„+Sn,nj,fa,

где Skiern - запас воды в снежном покрове в темнохвойном лесу по снегосъемке в пос. Кача; SnMia - запас воды в поле по снегосъемке в пос. Кача; fn - доля площади бассейна, занятая лесом; fn - доля площади бассейна, занятая открытыми участками; S„.npacH - запас воды в снежном покрове на безлесных участках по метеостанции Красноярск Опытное поле (поле); Sn.Kpam - запас воды в снежном покрове в лиственных и смешанных лесах по метеостанции Красноярск (лес);}.'„„ - доля площади бассейна, занятая темнохвойным лесом; /м- соответственно доля площади бассейна, занятая лиственными и смешанными лесами; Sn.cm - запас воды в снежном покрове на открытых участках по метеостанции Солянка (поле); 8лЛ - запас воды в снежном покрове в лиственных и смешанных л есах по метеостанции Ильинка (лес). Так как снегомерная съемка на полевом маршруте в бассейне Кача - пос. Емельяново не проводится, запас воды Sn,Kma принимаем с учетом соотношения S„jcma - 0.87 Sa.Kma, где коэффициент 0,87 учитывает среднее соотношение снегонакопления на открытом и лесном ландшафтах.

По результатам многолетних исследований в горно-лесной части бассейна реки Кача запасы воды в снежном покрове в конце зимы в среднем составляют 227 мм. Здесь снеготаяние, по средним многолетним данным, в лесу завершается в середине мая. Лесостепная и степная части бассейна реки Кача до г. Красноярска более засушливы. Средний многолетний запас воды в снеге составляет здесь 120 мм. Снеготаяние в этой части бассейна, по средним многолетним данным, заканчивается в конце марта.

В лесостепном бассейне реки Большой Ури запас воды в снеге в среднем равен 78 мм. В безлесных частях бассейна снеготаяние в ранние весны заканчивается к 10 марта, в затяжные - к 1 мая. На лесных возвышенных участках бассейна наиболее ранняя дата схода снега 2.04, поздняя-9.05.

По данным снегомерных съемок Среднесибирского УГМС и результатов исследований A.B. Петенкова, нами построена карта средних многолетних запасов воды в снежном покрове в центральной части бассейна р. Енисей (рис. 1). Карта демонстрирует повышенное снегонакопление в верхней части бассейна Качи в предгорьях Восточного Саяна и низкое - в бассейне реки Большой Ури в Канской лесостепной котловине. На стыке Канской котловины с Алтайско-Саянскими поднятиями снегонакопление заметно увеличивается. Вдоль правого берега Енисея тянется Енисейский кряж, отдельные вершины которого поднимаются до 900-1104 м. Здесь, на западных скчонах, накапливается значительное количество снега.

Слой воды (5+х), обеспечивающий формирование основной составляющей половодья - стока талых вод, определяется путем суммирования запаса воды в снеге перед началом снеготаяния (5) и осадков, выпадающих в период снеготаяния (х).

Рис. 1. Схематическая карта наибольших предвесенних снегозапасов 50 %-й обеспеченности (мм) в центральной части бассейна р. Енисей

Дождевой сток в период спада половодья определяется путем расчленения гидрографа с использованием типовой кривой спада (рис.2).

Схема расчета среднего по территории бассейна слоя осадков (х), по данным сети пунктов наблюдений, такая же, как и при определении средних запасов воды в снежном покрове, т.е. учитывается территориальное распределение основных ландшафтов и местоположение пунктов наблюдений (сомножители - доли площади соответствующих угодий);

• для бассейна р. Качи пос. Емельянове* х=0,81хКат+0,19хКрасн;

• для бассейна р. Качи г. Красноярска х=0,36хКача+0,64хКрасн;

• для бассейна р. Большая Уря с. Малая Ууя х-0,7бхСт+0,24хцл,

где х - средний по территории соответствующего бассейна слой осадков за период снеготаяния.

Суммы осадков за период от даты снегосъемки перед началом снеготаяния до даты схода снега определены по наблюдениям в следующих пунктах: хКача - пос. Кача; хКрасн - г. Красноярск, Опытное поле; хСол- пос. Солянка; Хил - пос. Ильинка.

В результате анализа гидрометеорологических условий за каждый год определяются генетически связанные величины поступления воды (£+х) и стока талых вод (У) (табл. 1). Чтобы определить снеговую и дождевую составляющие половодья методом расчленения гидрографа, необходимо знать даты схода снега в различных ландшафтах водосбора реки.

Расчет даты окончания снеготаяния. М.А. Великанов высказал предположение о существовании зависимости между количеством стаивающего за сутки снега (И) и положительной температурой воздуха (+0- Суточный слой стаивания снега определяем по формуле

к=к(Н),

где к - коэффициент стаивания, который различается для открытых и лесных участков бассейна.

Всего рассчитано 222 коэффициента стаивания, в том числе 85 на открытых участках, 106 в хвойном лесу и 31 в лиственном лесу. Величина коэффициента стаивания в хвойном лесу, по нашим расчетам, составляет в среднем 2.0 мм/град-сут и незначительно изменяется по годам. В лиственном лесу величина рассматриваемого коэффициента изменяется по годам от 2.1 до 3.8, в среднем составляя 3.0 мм/град-суг.

Таблица 1

Средние за период наблюдений характеристики стока весеннего половодья, поступления воды в период снеготаяния и потерь стока талых вод

Дата Характеристики водного баланса, средние за период

Наибольший расход воды, м3/с наблюдений, мм *

начала половодья конца наиболь- Сток весеннего половодья Числитель: Р

половодья шего расхода воды S X S-f-* У Уз Уп Уо Знаменатель: (s+x)

р. Кача - Емельяново, F- 561 км2 лесистость 81 %

12.04 16.06 6.05 60 227 57 284 118 19 7.0 144 166 0,58

р.Кача - Красноярск, F=1250 км2, лесистость 49 %

4.04 14.06 8.05 70 120 31 151 50.4 14 6.1 70.3 100. 0,66

Р.Большая Уря - Малая Уря F=\ 150 км2, лесистость 24 %

4.04 22.05 19.04 57 78 19 97 30 4.1 3.9 38 67 0,69

* Примечание: 5 - запас воды в снежном покрове; х - осадки за период снеготаяния; (Я+х) - поступление воды за период снеготаяния; У - сток талых вод; Уд - дождевой сток на спаде половодья; У„ - подземный сток; У о - суммарный сток за период половодья; Р- потери стока талых вод (Р =(Х+х) - У).

Комплексный график хода весеннего стока, температуры воздуха и осадков р. Большая У ря - МалаяУря за 1979 г.

осадки -расходводы - - - -криваяспада

-подземный сток Уп -температура воздуха

Рис. 2. Расчленение гидрографа половодья по видам водного питания: У - сток талых вод (формируется в результате таяния снега и поступления осадков периода снеготаяния); Уд - дождевой сток (формируется осадками, выпадающими после схода снега); и У„ -подземный сток

Еще большей изменчивостью отличается величина коэффициента стаивания в поле. Средняя его величина для открытых (полевых) участков составила 5,0 мм/град-сут и колеблется от 3,1 до 6,4 мм/град-сут.

Сроки окончания снеготаяния рассчитывались с использованием-.

• коэффициентов стаивания;

• запаса воды в снеге по последней снегомерной съемке;

• средних суточных температур воздуха.

В ряде случаев дату схода снега удается установить непосредственно по материалам снегомерных съемок, если они фиксируют степень покрытости снегом участка снегосъемки в 20-40%.

На юге тайги и в лесостепи Средней Сибири весна наступает в апреле, продолжительность ее около 1,5 месяца. Для весны характерны как возвраты холодов, так и интенсивный прогрев.

Дата начала половодья определяется сроками начала весеннего потепления, а также такими факторами, как интенсивность потепления, возможные возвраты холодов, величина снегозапаса и уровень предшествующего (осеннего) увлажнения почво-грунтов. На открытых участках коэффициент стаивания снега примерно вдвое больше, а запасы воды в снежном покрове заметно меньше, чем в лесу. По этим причинам на степных реках (по сравнению с лесными), в соответствии с различиями хода снеготаяния, половодье начинается на 10 -15 дней раньше, aero продолжительность оказывается короче (табл.1).

Водно-балансовые зависимости для прогноза стока весеннего половодья. Форма гидрографа весеннего половодья (ряс.2) определяется особенностями хода температуры воздуха в период снеготаяния, количеством осадков и их распределением во времени, ландшафтной структурой речных бассейнов.

При однородном ландшафте в бассейне реки чаще наблюдается одномодаль-ное половодье, что характерно как для степного бассейна р. Большая Уря - с. Малая Уря, так и таежного - р. Кача - нос. Емельяново. Если территория бассейна включает степную и лесную части (например, бассейн р. Кача - г. Красноярск), то, как правило, половодье формируется в виде двух волн - «степной» с максимумом во второй половине апреля, и «таежной» - максимум в первой декаде мая. Наивысший расход воды в створе г. Красноярск приурочен ко второй («таежной») волне. Для количественной оценки доли различных источников питания в балансе стока за период весеннего половодья выполняется генетическое расчленение гидрографов.

При этом учитываются взаимосвязи временного хода стока, температуры воздуха, атмосферных осадков. Расчленение гидрографов за каждый год начинается с определения даты схода снега. Дождевой сток после схода снега определяется путем «срезки» по типовой кривой спада половодья (рис.2). Тем самым выделялся сток, обусловленный выпадением жидких осадков после окончания снеготаяния.

Подземное (базисное) питание приближенно выделяется путем проведения прямой, соединяющей расход воды, предшествующий началу весеннего подъема, с расходом воды в конце кривой спада.

Рассмотрим многолетние средние характеристики водного баланса за период весеннего половодья. Запасы воды в снежном покрове, осадки за период снеготаяния, сток весеннего половодья и потери талого стока изменяются от бассейна к бассейну соответственно изменению естественного увлажнения и других рассмотренных выше ландшафтных условий (табл. 1). Наибольшие значения характеристик водного баланса наблюдаются в горно-таежных ландшафтах; наименьшие - в лесостепных.

Потери весеннего стока увеличиваются с увеличением подачи воды на водосбор (Б+х), достигая 166 мм в верхней части горно-таежного бассейна р. Качи. Однако коэффициент, характеризующий относительные потери талого стока (р/Б+х), увеличивается в более засушливых условиях - от 0.58 в бассейне верхней Качи до 0.69 в бассейне Малой Ури (табл.1).

Потери стока включают в себя:

• испарение со снега за период его таяния;

• емкостное поглощение воды и инфильтрацию на склонах бассейна за период снеготаяния;

• испарение и впитывание воды с действующей площади за период от схода снега до конца половодья.

Прогноз весеннего стока сводится к заблаговременному определению суммарных потерь стока. Рассматривая процесс формирования потерь стока, Е. Г. Попов подчеркивает различие механизмов емкостного поглощения и инфильтрации. В природе эти механизмы чаще всего проявляются совместно (инфильтрационно-емкостное поглощение воды). Для этого случая Поповым получено уравнение стока половодья (паводка)

где Х= S+x - слой поступившей воды; У- инфильтрация воды в почву в период снеготаяния (дождя); (fih) - доля действующей (дающей сток) площади; w=F/Fo - доля постоянно бессточной площади в речном бассейне; Fo~ бессточная площадь; F- площадь бассейна.

Д.А. Бураков вводит в интеграл Попова испарение (Z) в период снеготаяния, а также коэффициент, учитывающий потери на испарение и инфильтрацию талой и дождевой воды в период истощения (спада) склонового стока (Кс). В этом случае

Интегрирование (2) после подстановки различных аппроксимаций функции <цЩ приводит к следующему общему выражению:

где Ро - величина водоудерживающей емкости на водосборе; Кс- коэффи-

циент потерь стока на спаде;/(Н/Рв) - функция, зависящая от принятого вида уравнения для действующей площади

Величина водоудерживающей емкости (Р0) может существенно меняться от года к году вследствие различий осеннего увлажнения.

Распределение водоудерживающей емкости по площади водосбора <р{К) аппроксимируют каким-либо аналитическим выражением. В литературе (Попов, 1963 и др.) известны гиперболическая, экспоненциальная и степенная аппроксимации этого уравнения, позволяющие получить соответствующие выражения для функции по-терь/(ШРо):

О)

(2)

(3)

где п - показатель степени, характеризующий особенности территориального распределения водоудерживающей емкости водосбора.

Формулы для прогноза стока весеннего половодья, полученные на основе выражений (3) и (4), приведены в таблице 2.

Таблица 2

Вид формул для прогноза стока весеннего половодья_

Уравнения, в которых параметр потерь изменяется в зависимости от предшествующего увлажнения бассейна Номер формулы Уравнения, в которых изменение предшествующего увлажнения учитывается через слой начального заполнения водоудерживающей емкости бассейна Номер формулы

Г = с 5 Y = c 9

Y=a(x~P 6 Y = a((X + U)-P 10

Г^е^Х-Р Wf\ 1 7 Y = al^(X+U)-P ['M D 11

Р = Х нт-'Т 8 Р = X t1-.(/♦*)) -] 12

Обозначения: X = S+дг; о; = т]Кс(1 - w) - сборный коэффициент; t]=l-((J+Z)/X))- коэффициент, учитывающий потери на инфильтрацию и испарение в период снеготаяния; Ке - коэффициент, учитывающий потери стока в период спада половодья; W- доля постоянно бессточной площади в речном бассейне; P=Pi/4 - параметр потерь, учитывающий размеры водоудерживающей емкости (Рц) и потери стока на инфильтрацию и испарение в период снеготаяния. Изменение предшествующего увлажнения за счет выпадения летне-осенних дождей и миграции влаги в зимний период к фронту промерзания учитывается слоем воды U, который назван слоем начального заполнения водоудерживающей емкости (пояснения - в тексте).

В уравнениях (5) - (8) параметр (?) характеризует потери стока и изменяется в зависимости от предшествующего увлажнения бассейна. В уравнениях (9) -(12) изменение предшествующего увлажнения учитывается через слой начального заполнения водоудерживающей емкости бассейна (U). К рассмотрению этих уравнений мы вернемся ниже.

Потери воды на впитывание в период снеготаяния через уплотненные горизонты почвы в состоянии их увлажнения равны J=jT, где Т- продолжительность снеготаяния; j - средняя интенсивность впитывания (мм/сут). Эти потери в первом приближении можно оценить по расходу воды в конце типовой кривой спада весеннего половодья, характеризующему устойчивое подземное питание реки. Потери на впитывание зависят от водно-физических свойств почво-грунтов, продолжительности снеготаяния и других факторов. Потери воды на испарение (Z) в период снеготаяния по многим оценкам не превышают 10-30 мм. Согласно О.И. Крестовскому, они увеличиваются пропорционально затратам тепла на таяние, а значит - пропорционально количеству растаявшего снега.

Потери на инфильтрацию (J) при прочих равных условиях также возрастают пропорционально количеству поступившей воды (X). Считая приближенно, что (J+Z) возрастает с увеличением X, допускаем в дальнейшем, что для конкретного бассейна коэффициент rj=l-((J+Z)/X)) =&const, т.е. остается постоянным из года в год.

Подход к оценке коэффициента, учитывающего потери стока на спаде Ксз рассмотрен Бураковым (1978). Ниже приняты следующие условия:

• (i+z) в период истощения (спада) склонового стока в среднем равно 3.0 - 3.5 мм/сутки;

• действующая площадь в период спада склонового стока сокращается по экспоненте;

• доля склонового стока на спаде (по отношению к стоку за половодье) зависит от продолжительности истощения (спада), изменяясь в различных ландшафтах от 0.05 -0.10 до 0,40.

В этих условиях Кс изменяется от 0.75 в плоских заболоченных низменностях до 0.90 - 0,95 в условиях пересеченного рельефа.

С учетом изложенного в уравнениях (5) - (8) коэффициент a-Kct](\-w) считается постоянной величиной для рассматриваемого бассейна. Параметр Р=Р</ц, как указывалось выше, определяется по эмпирическим зависимостям от характеристик осеннего увлажнения и промерзания.

Итак, при обосновании вида уравнений для прогноза стока тальк вод мы рассмотрели подход, который предполагает постоянство для данного бассейна функции ¡p(h). Сама же величина водоудерживающей емкости P=P(Jr\ (параметр потерь) изменяется по годам в зависимости от начального состояния бассейна. Этой схеме отвечают уравнения (5) - (7). Именно такой путь чаще всего используется в современной практике.

Второй подход, рассмотренный Д.А. Бураковым, состоит в том, что используется постоянное распределение поверхностного задержания, отвечающее случаю наиболее низкого предшествующего увлажнения бассейна. Изменение предшествующего увлажнения за счет выпадения летне-осенних дождей и миграции влаги в зимний период к фронту промерзания учитывается некоторым слоем воды U, который назван слоем начального заполнения водоудерживающей емкости. Перед началом снеготаяния этот слой находится в замерзшем состоянии. Он участвует в формировании весеннего стока по мере оттаивания почв и грунтов после схода снега на тех участках бассейна, в пределах которых слой воды U превышает емкостное задержание. При таком подходе параметр потерь Р задается постоянным (соответствует наиболее низкому увлажнению бассейна), а слой начального заполнения почвенно-грунтовой емкости U изменяется по годам в зависимости от показателей предшествующего увлажнения и промерзания. Формула для г) в этом случае получит вид: t]=J-((J+Z)/(X+U)). Как и ранее, считаем, что (J+Z) возрастает с увеличением поступления воды (X+U), т.е. допускаем rj a const. Рассмотренной схеме отвечают уравнения (9) - (12). В них переменной величиной, зависящей от характеристик осеннего увлажнения и промерзания, является U. Зависимости для U рассматриваются ниже. Забегая вперед, отметим, что параметры водно-балансовых уравнений для прогноза весеннего стока тесно связаны с характеристиками ландшафта. Итак, на основе интеграла (4) мы получили несколько типов прогностических уравнений. Вопрос, какое из них предпочтительнее, мы рассмотрим в дальнейшем.

2. Среди множества косвенных характеристик водопоглотительной способности речных бассейнов южной тайги и лесостепи Средней Сибири наиболее существенно на потери весеннего стока влияют термические условия промерзания и степень увлажнения почво-грунтов в начале зимы.

Большинство подходов к прогнозам потерь стока весеннего половодья основаны на учете характеристик осеннего запаса почвенной влаги и глубины промер-

зания почвы. Исследованиями H.A. Качинского, В.Д. Комарова и др. установлено, что водопроницаемость мерзлой почвы в значительной степени определяется степенью ее осеннего увлажнения и глубиной промерзания. Поры хорошо увлажненной с осени почвы в течение холодной зимы забиваются льдом, в результате чего почва становится практически водонепроницаемой. Запас холода в льдистой почве существенно больше, чем в сухой. По этой причине, чем выше осеннее увлажнение почвы, тем больше весной запас холода в промерзшей почве. Как показано в исследованиях В.В Романова, И.Л. Калюжного, К.К. Павловой, талая вода, поступающая в мерзлую почву при достаточном запасе холода в ней, может частично или полностью замерзать с образованием на некоторой глубине «запирающего слоя».

В.Д. Комаров отмечает, что основным фактором изменчивости суммарных потерь талых вод в лесной зоне является начальная влагонасыщенность бассейна, а влияние промерзания на потери стока в лесах проявляется весьма слабо. Той же точки зрения придерживаются И.Л. Калюжный и К.К. Павлова.

Водопроницаемость почв в поле меньше, чем в лесу, как при талом, так и при мерзлом состоянии почвенной влаги. Глубина промерзания в поле влияет на мощность запирающего слоя и продолжительность его существования. При малой глубине промерзания водонепроницаемый слой существует непродолжительное время и успевает оттаять еще до окончания половодья.

Как показали исследования В.Д. Комарова, выполненные в европейской части России, изменение от года к году глубины промерзания почвы влияет на талый сток и его потери в тех районах, где эта глубина в конце теплых зим не достигает 60 см (степная и лесостепная зоны). В Сибири почвы ежегодно промерзают, как правило, глубже чем на 60 см, следовательно, следуя В.Д. Комарову, для оценки потерь стока весеннего половодья достаточно учитывать только один фактор - степень предзимнего увлажнения водосбора. До сих пор вопросу оценки потерь стока весеннего половодья в условиях глубокого промерзания почв для условий Сибири уделялось недостаточно внимания. Рассмотрим этот вопрос.

Весьма важное место в практике прогнозов занимают косвенные характеристики водопоглотительной способности бассейнов. В качестве факторов, характеризующих потери талого стока, нами рассмотрено более 200 различных косвенных характеристик начального состояния бассейна.

Подбор предикторов, характеризующих влияние предшествующего увлажнения и промерзания почв, выполнен следующими способами:

1-й способ - на основе парной корреляции стока талых вод (У) с различными характеристиками увлажнения и промерзания (т);

2-й способ - путем расчета коэффициентов множественной корреляции зависимости стока от 2 и более предикторов Y=aiX+ а2т + b, где аь а2 - коэффициенты регрессии; b - свободный член (см. табл. 3) с оценкой статистических показателей связи;

3-й способ - методом оптимизации параметров уравнений для стока талых вод.

В результате анализа первым способом отобраны следующие предикторы:

• сумма среднемесячных расходов воды за сентябрь-октябрь (Owe);

• сумма осадков за сентябрь-октябрь (Х9+10);

• продуктивная влажность почвы перед установлением зимы (Wp) рассчитана согласно В.А. Романенко;

• АН =H,-Hmi„, где Я, - уровень на момент начала ледостава; Ят;„- минимальный зимний уровень воды (ДН характеризует комплекс гидрометеорологических условий в период установления зимы);

• уровень воды 31.03, косвенно характеризующий «предвесеннюю подготовку» бассейна (Яз/.оз);

• сумма среднемесячных значений температуры воздуха за холодный период (Г„„);

• средняя месячная температура воздуха за период установления снежного покрова (Тю - за октябрь или Тц - за ноябрь);

• высота снежного покрова в конце периода установления устойчивого снежного покрова (йс - за 20 октября или 20 ноября);

• температура почвы на глубине 0.2 м за третью декаду апреля (Г„).

Наиболее тесные связи получены с участием косвенных характеристик осеннего увлажнения бассейнов, а также показателей условий замерзания почв в период установления зимы (СЫа, Хц-м, 1¥Р1 Т).

Результаты оценки репрезентативности различных характеристик увлажнения и промерзания вторым способом представлены в таблице 3.

В ней, кроме коэффициента множественной корреляции (К), приводятся /-статистики для переменных правой части уравнения <= а/сг(, где а, - коэффициент регрессии при ¡'-й переменной; сг(- его средняя квадратичная ошибка. Чем больше значение /-статистики по сравнению с единицей, тем надежнее уравнение регрессии. Если Г меньше 1.5 - 2.0, то использование соответствующей переменной нецелесообразно.

Для бассейнов с преобладающим «весом» лесостепных ландшафтов (р. Большая Уря - с. Малая Уря; р. Кача - г. Красноярск) приемлемы все рассмотренные характеристики предшествующего увлажнения (Л^+уо. , Т). Для горнотаежного бассейна р. Кача - с. Емельяново сумма осенних осадков в качестве характеристики осеннего увлажнения непоказательна (табл.3). В этом случае более показательной характеристикой увлажнения бассейна является осенний сток.

Как показали результаты, полученные способом множественной регрессии, на потери весеннего стока влияют условия промерзания почвы в начале зимы. Чем ниже температуры воздуха в переходный период и чем меньше в это время выпадает осадков, тем быстрее увеличивается глубина промерзания почвы и тем большее количество влаги подтягивается к фронту промерзания при достаточном осеннем увлажнении. Этим, на наш взгляд, объясняются положительные результаты применения комплексного показателя Ао для характеристики начального состояния бассейна, имеющего вид;

(13)

Л. г

л+юо

вмо „ 10-Г „ А+100 ,

где КВый К10.Т ; лМ!М = ==== - соответствующие модульные коэф-

^9+ю 10—Т А + 100

фициенты (черта сверху обозначает среднее многолетнее значение); Кд>> модульный коэффициент суммы среднемесячных расходов воды за сентябрь и октябрь; Т - средняя месячная температура воздуха в ноябре для лесостепных и степных, и в октябре - для горно-лесных бассейнов; А - высота снега за третью декаду ноября для лесостепных и степных, и за третью декаду октября - для горно-лесных бассейнов. В формуле (13) модульный коэффициент осеннего стока характеризует предзимнее увлажнение водосбора. Температура воздуха и высота снежного покрова в начале зимы отражают условия промерзания почвы и, как упомянуто выше, интенсивность миграции влаги к фронту промерзания. Коэффициенты парной корреляции между стоком

талых вод и комплексным показателем Ао составили 0.41, 0,31 и 0,36 соответственно для рек Большая Уря - с. Малая Уря, Кача - с. Емельяново и Кача - г. Красноярск.

Коэффициенты множественной корреляции и значения Г-статистик (табл.4) подтверждают возможность применения для целей прогноза стока талых вод комплексного показателя А0. Этот вывод справедлив для всех рассматриваемых бассейнов. Возможность использования показателя Ао совместно другими характеристиками предшествующего состояния речного бассейна вытекает из анализа уравнений, включающих три и более переменных. Например, для реки Большая Уря наибольшим коэффициентом множественной корреляции и достаточно высокими значениями <-статистик характеризуется уравнение У^а/Х+агАо+азАН + Ь (табл.3), которое включает, кроме Ао, также показатель АН =Ял-#т,„, где (Ял)- уровень воды на момент начала ледостава, Нтт- минимальный зимний уровень воды.

Таблица 3

Коэффициент множественной корреляции (К) и /-статистики линейных зависимостей

№ пп Вид зависимостей *) Я 1- статистики переменных правой части уравнения № пп Вид зависимостей Я г- статистики переменных правой части уравнения

р.Большая Уря-с. Малая Уря 5 У=а,Х+а2Т„ +Ь 0.83 7.13; -1.35

1 У=а,Х+а2Х9+!0+Ь 0.72 5.96; 3.65 б У=а,Х+а2А0 +Ь 0.83 6.96; 1.56

2 У=а,Х+а2С>?+1о+Ь 0.71 6.84; 3.00 7 У~а/Х+а2 Нцоз +Ь 0.83 7.70; 1.66

3 У=а,Х+а2 Шр +Ъ 0.70 4.86; 2.76 8 У=а;Х+а2А о+азНз1. оз + Ъ 0.85 '.10;1.61; 1.93

4 У=а,Х+а2(ЬЩ) +Ь 0.67 6.00; 1.67 р. Кача-с. Емельяново

5 У=а,Х+а2 Т„ +Ь 0.70 5.79;-2.51 1 ю+Ъ 0.72 6.75; 0.13

6 У=аХ+а2Л0 +Ь 0.78 7.65; 5.09 2 У=а,Х+а2£>9Ш+Ь 0.74 7.45; 1.47

7 У=а,Х+а2 АН+Ь 0.74 7,64; 3.81 3 У-а;Х+а2 }?, +6 0.74 7.04; 1.65

8 азАН + Ь 0.82 8,70;4.35; 3.00 4 У=а,Х+а3Т,0 +Ь 0.75 6.91;-2.04

р. Кача -г. Красноярск 5 У=а,Х+а2 Т„0,2 +Ь 0.76 6.96; -2.70

1 У^а/Х+аМ+ю+Ь 0,83 7.00; 1.50 6 У=а}Х+а2Ао +Ь' 0.77 7.01; 2.92

2 У=а,Х+аг0.мо+Ь 0.83 7.71; 1.27 7 У=а,Х+а2 Т^+Ь 0.74 7.18; 1.71

3 У=щХ+а2 К +Ь 0.83 6.69; 1.50 8 У=а1Х+а2Ао+азТ„о,2 + 6 0.78 7.32;2.60; -2,37

4 У=а,Х+а2(Ьх1Гр) +Ь 0.83 7.33; 1.33

' Примечание: обозначения представлены в тексте

В этом случае косвенная характеристика потерь талого стока (т) представляется в виде линейной комбинации: т=Ао+((а2/а)зАН). Аналогично представляются линейные комбинации для рек бассейна Качи (табл.4).

Третий способ обоснования предикторов, характеризующих влияние начального состояния бассейна на потери талых вод, - оптимизации параметров уравнений для стока талых вод (5) - (8), (9) - (12), в которых показатель потерь Р выражается с помощью эмпирической зависимости от характеристик увлажнения и промерзания. Результаты оптимизации представлены в таблице 5 на примере лесостепной реки Большой Ури. Аналогичные результаты получены по горно-таежному бассейну р. Ка-

чи с. Емельяново и бассейну р. Качи г. Красноярска, значительная часть которого представлена лесостепными и степными ландшафтами.

Таблица 4

Река-пункт Комплексные характеристики потерь стока талых вод (т)

Большая Уря - с. Малая Уря / к 10 "41 V Ао+0.04АН, где АН

Кача - с. Емельяново / К 1 Ао - 0,20 Т„ о.2

Кача - г. Красноярск 4 Г К \ Ао + 0,02 Ним

С учетом результатов ранее выполненных исследований (Бураков, 1978, 2004), эмпирические зависимости параметра потерь (Р) и слоя начального заполнения водо-удерживающей емкости (II) имеют вид:

Р = с1-сШт-т^У +1], (14)

£/=^№-^/+1], (15)

где т - показатель предшествующего состояния бассейна; т„/п - минимальная за период наблюдений величина этого показателя, характеризующая наиболее низкое предшествующее увлажнение; Я - показатель степени.

Для т=тт1„ (минимальное значение показателя) параметр Р получит наибольшее значение, соответствующее водоудерживающей емкости предельно сухого бассейна, равное величине й, т.е. Р=Ро=с1. То есть коэффициент А характеризует максимально возможную величину параметра потерь талого стока Р0. Как следует из формулы (15), в условиях предельно сухого бассейна слой начального заполнения водоудерживающей емкости (и) примет минимальное значение и=итЫ=с!1, т.е. ¿у представляет минимально возможный слой начального заполнения водоудерживающей емкости итт. Оптимизация параметров й, с, ¿¡, с1г л и Л выполнена методом Розенброка, параметра а - методом наименьших квадратов (Бураков, 1978). Теснота зависимостей для прогноза стока талых вод (табл. 5) характеризуется отношением оо/а, где а - стандартное отклонение талого стока от нормы.

В процессе оптимизации использовались характеристики увлажнения, отобранные по рассмотренным выше результатам корреляционного анализа. Это осенний сток параметр Ао и другие комплексные параметры (табл. 5), а также осенние осадки и влажность почвы (Хц+ю, Щ,)- Последние приняты с масштабным множителем 0.01 (табл. 5).

Анализ значений критерия качества при использовании различных характеристик увлажнения и промерзания подтвердил, что наиболее репрезентативными для бассейна р. Большой Ури являются комплексные показатели, представленные в таблице 4. Этот вывод относится и к бассейну р. Качи.

Таким образом, в результате поэтапного применения методов регрессионного анализа и оптимизации установлено, что на потери весеннего стока в районах глубокого промерзания почво-грунтов влияют факторы осеннего увлажнения и промерзания бассейна в начале зимы. Результаты оптимизации и оценки критерия качества показали, что уравнения (9) - (11), которые учитывают слой начального увлажнения (Ц), хорошо подтверждаются данным наблюдений (т.е. отличаются лучшими показателями критерия качества). Этот вывод справедлив как для лесостепных ландшафтов, так и для горно-

таежных. В уравнениях (9) - (11) параметр потерь (Р) характеризует водоудерживаю-щую емкость в условиях наиболее низкого предшествующего увлажнения и является постоянной для данного бассейна величиной. Для исследуемых бассейнов его величина нами задана 100 мм. В бассейнах, где преобладают степные ландшафты, увлажнение после засушливых лета и осени близко к минимально возможному. По результатам наших расчетов, в этом бассейне с/, -5 мм (см. табл. 5), соответствует условию, что с/, = ¡Утй в 0. В горно-таежном бассейне оптимальные значения достигают 60 и более мм (см. табл.6). Эти величины характеризуют зону избыточного увлажнения.

Таблица 5

Параметры и критерий качества (стр/а) уравнений для прогноза талого стока (У) (при = 1)

р. Большая Уря - с. Малая Уря

Вид формулы для У Параметры Показатели начального состояния бассейна*) Кри те- рий каче че- ства

Л с а и ш со/а **)

1) 82.7 234.0 0.550 Ао 0.639

У = £ 96.1 241.0 0.590 А0+0.04(Н„-Нт1Л 0.578

57.1 195.2 0.437 0.01 Х9+ю 0.676

55.6 121.9 0.446 0.9+10 0.704

Г-и ыт^п г у 59.0 100 0 0.447 о.о т„ 0.729

2) 103.7 295.8 0.571 Ао 0.635

Г = а (Б + х)-? 1-е ' 126.0 338.6 0.594 А0+0.04(Н^Нт1^ 0.575

76.4 265.1 0.454 0.01 Х9+ю 0.668

70.3 100.0 0.530 (>9+10 0.706

64.6 100.0 0.465 0.01 к 0.726

3) 115.0 328.8 0.573 1.433 Ао 0.634

108.2 242.9 0.637 1.97 Ао+0.04(Н„-Нт1п) 0.580

70.3 243.3 0.453 3.859 0.01 Х9+ю 0.672

69.7 154.7 0.451 1.426 б9+10 0.703

70.5 107.0 0.464 1.286 0.01 к 0.725

4) У = а ¿1 С1 а п т Б/о

5.0 242.8 0.558 2.53 Ао 0.632

5.00 197.7 0.608 3.99 Ао+0.04(Н^Нп1п) 0.576

Я=5+х+а />=100 мм 5.0 224.4 0.497 1.78 0.01 Х9+т 0.667

5.1 83.5 0.610 1.69 <2.9+10 0.696

5.3 116.4 0.475 1.51 0.01 IV, 0.714

5) Г=а н-р{т\ 5.00 200 0.595 Ао+0.04(Ня-НШ1П) 0.578

6) г.. 5.00 191.8 0.513 Ао+ОЩН^Н^ 0.615

Примечания: * Х^щ и IVр. - приняты с масштабным множителем 0.01 ** а о- средняя квадратичная ошибка расчета; а - стандартное отклонение

Параметр а зависит как от постоянно бессточной площади (си), которая в рассматриваемых условиях невелика, так и от потерь стока на испарение и инфильтрацию в период снеготаяния (коэффициент 77) и на спаде половодья (коэффициент Кс).

Согласно оценкам Буракова (1978), Кс изменяется от 0.75 в заболоченных низменностях до 0,90 - 0,95 в условиях пересеченного рельефа. Учитывая эти оценки и принимая во внимание г]=а/Кс(1-со)=1-(^+1)/(8+х+и)), получим, что в условиях засушливого лесостепного ландшафта (р. Большая Уря), где доля постоянно бессточной площади и потери стока на спаде сравнительно невелики, произведение Кс( 1->е) без существенной погрешности можно принять равным 0.85. Тогда, при я=0.608 получим г!=а/Кс(1-со)=0.608/0.85=0.71. Среднее многолетнее значение водоподачи Л'гЯ + л: для реки Большая Уря составляет 97 мм (табл.1). Следовательно, при принятых оценках, средняя величина испарения и инфильтрации в период снеготаяния У + в этом бассейне составит примерно (/ + I) = (X +С/)(1 -г]с)~ (97 + 48) х 0.29 =42 мм (¡7=48 мм рассчитано по формуле и = с), +с,1§(т-тт|п +1, табл. 6). Аналогичные расчеты показали, что потери на впитывание и испарение в период снеготаяния в бассейне Качи пос. Емельяново увеличиваются в несколько раз, что соответствует трехкратному увеличению запасов снега и осадков за период снеготаяния (284 мм) и двукратному увеличению среднего по годам слоя начального заполнения водоудержи-вающей емкости.

Значительная разница потерь на инфильтрацию объясняется неодинаковым составом почво-грунтов у сравниваемых бассейнов. В бассейне Качи коренные породы перекрыты галечными, супесчано-суглинистыми, супесчаными и лессовидными отложениями. В бассейне Большой Ури преобладают на поверхности глинистые слабоводопроницаемые отложения.

Анализ значений критерия качества (табл. 5) при использовании различных характеристик увлажнения и промерзания подтвердил, что наиболее репрезентативными для бассейна р. Большой Ури являются комплексные показатели, представленные в таблице 4. Этот вывод относится и к бассейну р. Качи. Рекомендуемые уравнения для прогноза талого стока (У) с лучшим критерием качества после оптимизации параметров приведены в таблице 6.

р. Большая Уря - п. Малая Уря

120 ^ 2.0

100 120 140 160 180 200 220

Б+Х

Рис. 3. Зависимость т)

Графический вид зависимости стока талых вод от (5+*) и т (комплексная характеристика потерь) представлен на примере р. Большая Уря (рис. 3). При (5+х)=0 сток У >0, что связано с поступлением воды от таяния почвенного льда (и).

3. На основе использования ежедневной наземной гидрометеорологической информации, а также космической информации о динамике заснеженности территории, реализована концептуальная модель прогноза ежедневных уровней воды для бассейна р. Кача. Модель позволяет получить количественные характеристики весеннего половодья для ландшафтно-гидрологических районов и высотных зон бассейна в условиях ограниченной гидрометеорологической информации.

Модель Д.А. Буракова, разработанная для сибирских рек, использует не только наземную, но и спутниковую информацию, позволяющую учесть динамику площади снегового покрытия бассейна в период снеготаяния. Накоплен опыт ее применения для рек Средней Сибири (Бураков, Авдеева 1996; Авдеева, 1999 и др.). Принципы построения модели и ее структура показаны на рисунках 4 и 5.

Таблица 6

Рекомендуемые зависимости для прогноза стока талых вод *

Вид уравнения

Показатели начального состояния бассейна (т)

¿1 I с1

Параметры

со/а

Я=5+х+1/, ?=100мм £/ = </, +с, ^т-т^Ч-!)

р. Большая Уря - с. Малая Уря

Ао+О.ОЦНл-Н^,

5.00

197.7

0.608

3.99

0.576

р. Кача - г. Красноярск

Н-Р 1-е

У = а

я=5+х+а р=юомм ¡7 = + с, 1$(т - тт,п +1).

К,

ю-т»

\ ляп™^

Ао + 0,02 Нзш

60.9

100.0

0.346

0.562

Г = а

Н-Р

1 +

р. Кача - п. Емельянове

Н=5+х+и, ?=100мм

--¡Ке™

Кг л

к.

69.9

158.18

0.335

0.916 3.0

0.642

* Примечание: дата выпуска прогноза: для р. Большой Ури и р. Качи (г. Красноярск) - в конце марта; для р. Качи (п. Емельянове) при т=Ац- в конце марта, при т=Ац - 0,20 Тп с.2 - в конце апреля

Рис. 4. Принципы построения модели

С весны 2004 г. в Красноярске установлено оборудование для приема информации спутника TERRA в новом канале 1,6 мкм, в котором снежный покров имеет по сравнению с облаками более низкую отражательную способность. Согласно исследованиям В.Ю. Ромасько, комбинации каналов 1,6 мкм и видимого диапазона с применением так называемого NDSI - индекса (Нормализованный Дифференциальный Снеговой Индекс) позволяют эффективно отличать снег от прочих объектов на снимке, в том числе и от облачности ( Ромасько, 2010).

Общая структура модели формирования стока

Расчет снегонакопления по районам и высотным зонам бассейна

Расчет снеготаяния и площади снегового покрытия

Расчет водоотдачи бассейна от талых вод и жидких осадков с учетом поглощения и задержания воды

0> N

Расчет динамичного запаса <воды на склонах и притока воды в русловую сеть

Расчет руслового добегания воды к замыкающему ствоРУ

Рис. 5. Общая структура модели формирования стока

Использование спугаиковой информации о динамике заснеженности территории речных бассейнов позволяет уточнять параметры блоков снегонакопления и снеготаяния математической модели формирования талого стока. Особенностью модели является подход к расчетам руслового добегания воды к замыкающему створу, в основе которого положена вероятностная трактовка кривой добегания. Преимуществом этого подхода является возможность аппроксимации кривой добегания гибкими статистическими распределениями с оценкой моментов этих распределений по теоретическим зависимостям, использующим ясные по физическому смыслу агрегированные характеристики (средняя скорость добегания и параметр продольного рассеяния).

Другой особенностью модели является учет истощения запасов воды в речной сети, накопленных к моменту выпуска прогноза. Для оценки русловых запасов учитываются уровни воды в пунктах наблюдений в речной сети рассматриваемого бассейна.

Расчетные соотношения модели прогноза включают ряд постоянных параметров, которые, являясь обобщенными характеристиками различных гидрологических процессов, могут меняться от бассейна к бассейну. Для уточнения неизвестных параметров используются методы оптимизации, т.е. ищутся такие их значения, при которых минимизируется критерий качества, характеризующий различие между фактическими и рассчитанными гидрографами расходов (уровней) воды. Нами используется сочетание методов оптимизации Розенброка (в котором реализуется «покоординатный спуск» с преобразованием координат) и линейной регрессии.

В основу оптимизации параметров блока снегонакопления и снеготаяния прогностической модели стока положены данные спутниковых наблюдений ИСЗ TERRA за динамикой площади заснеженности (снегового покрытия) районов бассейна в период снеготаяния. Такие данные получены за 2004 - 2010 гг.

Реализация математической модели прогноза ежедневных расходов (уровней) воды р. Качи начинается с морфометрического описания бассейна. По условиям формирования стока и с учетом существующей сети наблюдений бассейн реки Кача до г.Красноярска (1250 км2) делится на 2 района:

1) верхняя по течению часть бассейна (до п. Емельяново);

2) средняя и нижняя части бассейна до (г. Красноярска).

В верхней части бассейна р. Кача 81% площади занимают массивы темнохвойной и смешанной тайги. В среднем и нижнем течении преобладают лесостепные и степные ландшафты. В целом в бассейне р. Качи г. Красноярска наибольшая часть площади (51%) представлена степными ландшафтами, доля темнохвойной тайги составляет 36%, лиственных лесов - 13% (табл. 7). В пределах бассейна выделены районы и высотные зоны, и на ПЭВМ с использованием электронной гипсометрической карты определены их площади. В горно-таежном бассейне р. Качи пос. Емельяново (площадь водосбора 561 км2) выделены 5 высотных зон (на районы этот бассейн не делился).

Программа рассчитывает средние многолетние запасы воды в снежном покрове в каждой высотной зоне. «Модельные» значения снегозапасов уточняются с использованием построенной нами карты средних многолетних запасов воды в снежном покрове в центральной части бассейна р. Енисей (рис.1).

Таблица 7

Распределение угодий в бассейне р. Кача _

Река-пункт Площадь бассейна Площадь темнохвойной тайги Площадь лиственных и смешанных лесов Площадь открытых участков («поле»)

км"1 KM¿ % км % ш* %

Кача - Емельяново 561 454 81 - - 107 19

Кача - Красноярск 1250 454 36 158 13 638 51

Оптимизация параметров модели нами проводилась по ежедневным данным наблюдений за 30 лет по бассейнам Качи п. Емельяново (1973-2003) и Качи г. Красноярска (1973-2003). Этот период включает годы с различной водностью (многоводные, маловодные и средние). Проверочные расчеты выполнялись по независимым данным наблюдений за последние 5 лет по бассейну р. Качи п. Емельяново (2004-2008 гг.) и за 6 лет по бассейну Качи г. Красноярска (2004-2009 гг.). Применение модели краткосрочного или среднесрочного прогноза ежедневных уровней воды считается эффективным, если средняя квадратичная ошибка прогноза (<т0) меньше среднего квадратичного отклонения предсказываемой величины за период заблаговременности прогноза (о). Для оценки показателя точности методики прогноза используется критерий качества прогноза, равный отношению (a¿/cr), т.е. отношению средней квадратичной ошибки прогноза ежедневных уровней или расходов воды (с0) к среднему квадратичному их отклонению за период заблаговременности прогноза (а). Критерии качества расчетов по модели для уровней и расходов воды приведены в таблицах 8 и 9.

Таблица 8

Показатели точности модели прогноза расходов воды р. Кача_

Замыкаюший створ Средняя квадратичная ошибка прогноза, <то Среднее квадратичное отклонение в, см Критерий качества Сто/о

30 лет | 5,6 лет 30 лет | 5,6 лет

Заблаговременность - 2 суток

г. Кпяснояпск 6.54 6.82 9.39 0.69 0.72

п. Емельяново 4.79 5.67 10.5 0.46 0.54

Заблагонпеменнпсть — 3 cvtok

гКиасноявек 7.17 7.56 11.9 0.60 0.64

л^Емельяново 5.82 7.24 И.7 0.42 0.51

Заблаговгеменность - 4 сттпк

г.Кпаснояпск 7.38 8.10 13.8 0.53 0.59

п. Емельянове 6.46 8.26 16.0 0.40 0.51

Таблица 9

Показатели точности модели прогноза уровней воды р. Качи г. Красноярска

Замыкающий Средняя квадратичная ошибка прогно- Среднее квадра-

створ за, ас гичное отклоне- Критерий качества а0 /а

30 лет | 6 лег ние а, см 30 лет | 6 лет

Заблаговременность - 2 суток

г.Красноярск 17.6 | 14.7 26,1 0,67 0,56

Заблаговременность - 3 суток

г.Красноярск 18,6 | 17.0 27.7 0,67 0,61

Заблаговременность - 4 суток

г.Красноярск 21.0 | 18.9 37.5 0,56 0,50

Согласно полученным результатам, модель отвечает хорошей и удовлетворительной оценке качества как по обучающей выборке (30 лет), так и по независимой (5 - 6 последних лет). В отдельном файле модель помещает результаты расчетов стока в каждой высотной зоне. Контролируется совпадение среднего многолетнего стока весеннего половодья, рассчитанного по модели и измеренного в пунктах наблюдений.

Кроме прогноза ежедневных уровней (расходов) воды, расчеты по модели позволяют получить комплекс ежедневных гидрометеорологических характеристик для высотных зон каждого ландшафтного района (рис.6), в том числе: количество осадков, температуру воздуха, долю площади снегового покрытия бассейна, оставшийся запас воды в снеге, водоотдачу бассейна, приток воды в русловую сеть.

На рисунке 6 показаны изменения гидрометеорологических характеристик за период весеннего половодья для бассейна р. Качи пос. Емельяново в 4-й высотной зоне (средняя высота 550 м). Расчеты показали, что при отсутствии похолоданий площадь заснеженности и величина оставшегося снегозапаса плавно изменяются во времени. Если же выпадают твердые осадки, то, по понятным причинам, площадь заснеженности скачкообразно увеличивается. Для рассматриваемой высотной зоны ход водоотдачи склонов запаздывает по отношению к дате перехода температуры через 0° - примерно на 2-3 суток (рис. 6).

Это связано с тем, что в процессе таяния снега водоотдача склонов начинается не сразу - часть поступившей талой воды удерживается снегом (до его насыщения), другая часть заполняет свободное поровое пространство почво-грунтов и замкнутые понижения на поверхности склонов. В период снеготаяния, когда снег и водоудержи-вающая емкость почво-грунтов насыщаются водой, графики хода температуры воздуха и водоотдачи бассейна изменяются практически параллельно. Приток воды в русловую сеть в начале снеготаяния также начинается не сразу, хотя водоотдача снега уже началась. Действительно, талая вода в это время еще удерживается под снегом. Она начинает стекать в русловую сеть после исчезновения в ходе снеготаяния снежных перемычек, т.е. в фазе появления «пестрого» ландшафта (появления проталин). В верхних зонах бассейна (рис.6), где снеготаяние запаздывает и запас воды в снежном покрове увеличивается, сдвижка во времени графиков водоотдачи и талого стока возрастает.

Все эти особенности развития процессов талого стока учитывает представленная модель. Ее реализация дает возможность полнее и глубже исследовать режим речного стока, динамику его изменения по высотным зонам. Появляется возможность получения количественных характеристик процесса формирования весеннего половодья, что особенно важно в случае ограниченной гидрометеорологической информации, а также в условиях, когда лишь немногие параметры гидрометеорологических процессов могут быть реально измерены.

Бассейн р. Качи п. Емельянове - 4-я высотная зона, высота 500 м, 1988 г. (многоводный)

температура воздуха 9 (град. С)

расход воды в замыкающем створе а (мм./суг.)

15 у |

105 -■ |

0 J-————I—

21.03.1988 31.03.19ВВ 10.04.1988 20.04.1988 30.04.1е8В 10.05.1988 20.05.1988 30.05.19В8 09.06.198В

Рис. б. Ежедневные изменения осадков (х); температуры воздуха (#); доли площади бассейна, покрытой снегом запаса воды в снеге (80Ст); расхода воды в замыкающем створе (0; водоотдачи склонов (и)

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В бассейнах лесных и лесостепных рек Средней Сибири количественная оценка показателей снегонакопления, весенних осадков и других предикторов, входящих в водно-балансовые зависимости для прогноза характеристик весеннего половодья, а также аналитические аппроксимации физико-статистических водно-балансовых зависимостей, должны учитывать ландшафтно-гидрологические особенности территории.

2. Исследованиями В.Д. Комарова для европейской территории России и Д.А. Бу-ракова для Западной Сибири установлено, что основным фактором потерь весеннего стока в условиях глубокого промерзания почв является осеннее увлажнение водосборов. Наши исследования показали, что на потери весеннего стока рек южной тайги и лесостепи Средней Сибири влияют степень увлажнения и термические условия промерзания почво-грунтов в начале зимы. Чем ниже температуры воздуха в переходный период от осени к зиме и чем меньше в это время выпадает осадков, тем раньше при достаточном осеннем увлажнении «включается механизм» подъема влаги к фронту промерзания и тем большее количество влаги дополнительно накапливается в зоне промерзания. Этим, на наш взгляд, объясняются положительные результаты применения комплексного показателя А0 для характеристики начального состояния бассейна.

3. Исследования подтвердили эффективность применения методов линейной регрессии и оптимизации для оценки параметров интегральных уравнений для прогноза стока весеннего половодья. Выбор вида уравнения стока (экспоненциальное, гиперболическое, степенное) при корректной оценке параметров не оказывает решающего влияния на точность расчетов. Вместе с тем уравнение, учитывающее слой начального заполнения почвенно-грунтовой емкости U, отличается лучшими показателями критерия качества. Этот вывод справедлив для всех рассмотренных бассейнов.

4. В диссертации на примере бассейна р. Качи реализована концептуальная модель формирования стока, в которой используется не только наземная, но и спутниковая информация, позволяющая учесть динамику площади снегового покрытия бассейна в период снеготаяния. Точность кратко- и среднесрочных прогнозов по рассматриваемой модели повышается благодаря учету запасов воды в русловой сети на дату выпуска прогноза по уровням воды, измеряемым в пунктах наблюдений в речной системе.

5. Модель позволяет рассчитать динамику снегонакопления, водоотдачи и склонового притока по районам и высотным зонам бассейна за реальные годы. В результате могут быть получены количественные характеристики динамики водного баланса весеннего половодья в районах и высотных зонах бассейна, где гидрометеорологические наблюдения недостаточны или отсутствуют.

Список публикаций по теме диссертационной работы: Научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Иванова О.И. Модели прогноза характеристик весеннего половодья лесостепных и горно-лесных рек Средней Сибири // Вестник ТГУ. 2010. №340. С. 212-216.

2. Бураков Д.А., Иванова О.И. Анализ формирования и прогноз стока весеннего половодья в лесных и лесостепных бассейнах рек Сибири // Метеорология и гидрология. 2010. №6. С.87-100.

Другие публикации

3. Иванова О.И. Исследования и прогнозы стока и ежедневных расходов воды весеннего половодья лесостепных и горно-лесных рек Средней Сибири // Инновационные тенденции развития российской науки: мат-лы междунар. (заоч.) науч.-пракг. конф. мол. ученых. Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2010. С. 64-67.

4. Иванова О.И. Учет увлажнения и промерзания почвы в прогнозах стока весеннего половодья в земледельческой зоне Красноярского края // Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития: мат-лы всерос. очно-заоч. науч.-практ. и науч.-метод. конф., посвящ. 55-летию КрасГАУ. Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2007. С. 116-122.

5. Иванова О.И. Особенности формирования максимального стока реки Кача // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион, науч.-практ. конф. Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2006. С. 218-221.

6. Бураков Д.А., Маркова Е.Э., Космакова В.Ф., Адамович A.A., Иванова О.И. Современные методы прогнозов водного режима сибирских рек // Мат-лы 7-й науч.-практ. и метод, конф., посвящ. 100-летию Красноярского отдела РГО. Красноярск: Изд-во КГПУ, 2001. С. 108-109.

7. Бураков Д.А., Младенцева Л.А., Вахрушева С.Э., Авдеева Ю.В., Космакова В.Ф., Адамович A.A., Черных О.И., Иванова О.И. Формирование и прогнозы наводнений на р. Енисей и его притоках в 1999-2001 гг. // Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф: мат-лы междунар. конф. Красноярск, 2001. С. 169-174.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г. Подписано в печать 23.03.2011. Формат 60x84/16. Бумага тип.№ 1 Печать - ризограф. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 1118 Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Иванова, Ольга Игоревна

Введение

Обзор исследований по прогнозам характеристик весеннего половодья

Глава 1. Теоретическое обоснование общего вида зависимости стока та- 18 лых вод от основных факторов его формирования

1.1. Подходы к аппроксимации зависимости 18 для прогноза стока талых вод

1.2. Испарение и инфильтрации в интегральных уравнениях 28 талого и дождевого стока

1.3. Выводы

Глава 2. Физико-географические условия формирования стока рек Ка- 31 ча, Большая Уря

2.1. Рельеф и геологическое строение

2.2. Почвы и растительный покров

2.3. Климатические условия

2.4. Водный режим рек

2.5. Выводы

Глава 3. Условия формирования весеннего половодья

3.1. Анализ снегонакопления

3.2. Анализ составляющих весеннего стока

3.3. Исследование факторов, формирующих потери весеннего 67 стока

3.4. Выводы

Глава 4. Реализация математической модели прогноза ежедневных рас- 85 ходов (уровней) воды р. Качи

4.1. Математические модели стока в гидрологических прогно- 85 зах

4.2. Реализация математической модели прогноза ежедневных 123 расходов (уровней) воды р. Качи.

4.3 Моделирование характеристик водного баланса в районах 129 и высотных зонах бассейна р. Качи

4.4 Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидрологический анализ и прогноз весеннего половодья лесных и лесостепных рек Средней Сибири"

Актуальность работы. Условия формирования весеннего половодья значительно меняются от года к году. Каждый год накапливается разное количество снега, почва обладает разной водопроницаемостью, с различной интенсивностью протекает таяние снежного покрова. Формирование высокого весеннего половодья и возможность наводнений в долинах рек вызываются следующими причинами:

• высокое осеннее увлажнение почвы;

• накопление больших запасов воды в снежном покрове;

• позднее наступление весеннего потепления с резким подъемом температуры воздуха;

• значительное количество весенних осадков, увеличивающих суммарное поступление воды в период снеготаяния.

Высокие дружные половодья приводят к затоплению населенных пунктов, прорыву плотин и спуску прудов. Даже небольшие реки в период половодья могут наносить большой ущерб хозяйству и имуществу граждан. Ярким примером служит р. Кача у г. Красноярска (площадь водосбора 1250 км"), в долине которой, в устьевой части располагаются жилые районы города с многоэтажной застройкой, попадающие в годы с высоким половодьем в зону затопления (рис. 1). За последние 10 лет это случилось трижды (1999, 2001, 2005 гг).

Прогноз весеннего стока сводится к заблаговременному определению суммарных потерь стока. Е.Г. Поповым получены уравнения, выражающие связь стока и его потерь с количеством поступившей воды и характером территориального распределения водоудерживающей емкости речного бассейна. Исследования В.Д. Комарова для условий Европейской части России (степная и лесостепная зоны) показали, что изменение от года к году глубины промерзания почвы влияет на талый сток и его потери в тех районах, где эта глубина в конце зимы не превышает 60 см.

Рис. 1. Река Кача вышла из берегов (г. Красноярск, 28 апреля 2005 г).

В Сибири, даже на юге, почвы ежегодно промерзают значительно глубже, чем на 60 см. До сих пор вопросу оценки потерь стока весеннего половодья в условиях глубокого промерзания почв уделялось недостаточно внимания. Цели работы:

2. Провести комплексный географический анализ факторов весеннего половодья на юге лесной и в лесостепной зонах Средней Сибири.

3. Адаптировать концептуальную модель формирования стока и оценить возможность ее применения для прогноза ежедневных уровней воды р. Качи у г. Красноярска.

Задачи работы:

1. Создать электронный архив гидрометеорологических данных по изучаемым бассейнам рек.

4. По данным наземных гидрометеорологических наблюдений и спутниковой информации о динамике снегового покрытия:

• выполнить оптимизацию параметров концептуальной модели формирования стока р. Качи — г. Красноярск;

• рассмотреть возможность реализации модели для прогноза ежедневных уровней воды р. Качи у г. Красноярска.

Объекты исследования — реки степной, лесостепной и горно-таежной зон в центральной части Средней Сибири (Большая Уря — п. Малая Уря, F= 1150 км"; Кача- г. Красноярск, F= 1250 км"; Кача- п. Емельяново, F= 561 км"). Методические основы исследования:

1. комплексный гидролого-географический анализ;

2. выявление прогностических зависимостей по данным многолетних гидрометеорологических наблюдений с использованием математических методов и программных средств обработки данных (Microsoft Excel, Mapinfo, GidroStatistica, STATISTICA).

3. Математическое моделирование процессов формирования стока с применением концептуальной модели.

Диссертация подводит итог исследований, проводимых автором начиная с 1999 г, по планам Росгидромета в составе Красноярского НИЦ и Красноярского ЦГМС-Р Среднесибирского УГМС (тема РЗ 1.9.4.3, 1999 г, раздел: Краткосрочный прогноз ежедневных уровней воды на реках Сибири (реки Кача, Туба); тема 8.145, 2010 г, раздел: Метод прогноза ежедневных уровней воды р. Кача - г. Красноярск, и др.).

Научная новизна работы:

1. Установлено, что степень увлажнения и термические условия промерзания почво-грунтов в начале зимы оказывает влияние на сток талых вод. Обосновано применение репрезентативного показателя водопоглоти-тельной способности речных бассейнов для уточнения прогноза стока талых вод на реках южной тайги и лесостепи Средней Сибири.

2. С применением различных подходов аналитического описания физико-статистических водно-балансовых зависимостей для прогноза стока талых вод, определены численные значения параметров прогностических уравнений в конкретных условиях южной тайги и лесостепи Средней Сибири и показана их связь с ландшафтными характеристиками территории.

3. Реализована концептуальная математическая модель краткосрочных прогнозов ежедневных уровней воды разнообразного в ландшафтном отношении бассейна (р.Кача), учитывающая как наземную гидрометеорологическую информацию, так и космическую информацию среднего разрешения о динамике снегового покрытия территории. Подтверждена возможность моделирования динамики схода снега, водоотдачи склонов и притока в русловую сеть в высотных зонах бассейна в условиях недостаточного информационного гидрометеорологического обеспечения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на техническом семинаре Красноярского ЦГМС-Р Среднесибирского УГМС (2009); на VII научно-практической и методической конференции, посвященной 100-летию Красноярского отдела РГО «География на службе науки, практики и образования» (Красноярск, 2001); на региональной научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск КрасГАУ, 2006), на региональной научной конференции посвященной юбилею Крас ГАУ (Красноярск КрасГАУ, 2007); на III Международной научно-практическая конференция молодых ученых «Инновационные тенденции развития российской науки» (Красноярск, КрасГАУ,2010); на кафедре Природо-обустройства института землеустройства, кадастров и природообустройства Красноярского государственного аграрного университета (2010). Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы, 3 приложений. Основной текст изложен на 158 страницах машинописного текста, включает 36 таблицы и 28 рисунков. Список литературы содержит 96 источников.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Иванова, Ольга Игоревна

Основные выводы и результаты представленной работы заключаются в следующем:

2. Исследованиями В.Д. Комарова для Европейской территории России и Д.А. Буракова для Западной Сибири установлено, что основным фактором потерь весеннего стока в условиях глубокого промерзания почв является осеннее увлажнение водосборов. Наши исследования показали, что на потери весеннего стока рек южной тайги и лесостепи Средней Сибири влияют степень увлажнения и термические условия промерзания почво-грунтов в начале зимы. Чем ниже температуры воздуха в переходный период от осени к зиме, й чем меньше в это время выпадает осадков, тем раньше при достаточном осеннем увлажнении «включается механизм» подъема влаги к фронту промерзания, и тем большее количество влаги дополнительно накапливается в зоне промерзания. Этим по-видимому, на наш взгляд объясняются положительные результаты применения комплексного показателя Ао для характеристики начального состояния бассейна.

3. Исследования подтвердили эффективность применения методов линейной регрессии и оптимизации для оценки параметров интегральных уравнений для прогноза стока весеннего половодья. Выбор вида уравнения стока (экспоненциальное, гиперболическое, степенное) при корректной оценке параметров не оказывает решающего влияния на точность расчетов. Вместе с тем уравнение, учитывающее слой начального заполнения почвенно-грунтовой емкости и, отличаются несколько лучшими показателями критерия качества. Этот вывод справедлив для всех рассмотренных бассейнов.

4. В диссертации на примере бассейна р. Кача реализована концептуальная модель формирования стока, в которой используется не только наземная, но и спутниковая информация, позволяющая учесть динамику площади снегового покрытия бассейна в период снеготаяния. Точность кратко- и среднесрочных прогнозов по рассматриваемой модели существенно повышается благодаря учету запасов воды в русловой сети на дату выпуска прогноза по уровням воды, измеряемым в пунктах наблюдений в речной системе.

5. Модель позволяет рассчитать динамику, снегонакопления, водоотдачи и склонового притока по районам и высотным зонам бассейна за реальные годы. В результате могут быть получены количественные характеристики динамики водного баланса весеннего половодья в районах и высотных зонах бассейна, где гидрометеорологические наблюдения недостаточны или отсутствуют.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Иванова, Ольга Игоревна, Красноярск

1. Аполов Б. А. Метод водного баланса в применении к гидропрогнозам// Метеорология и гидрология. 1935. - № 1-2.

2. Аполов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 419 с.

3. Арэ A. JL Роль зимнего испарения в общем балансе снегонакопления малоснежных районов Центральной Якутии. Чита: Зап. Заб. Фил. ВГО. - 1972. -вып. 65.- С. 39-41.

4. Бефани Н.Ф., Калинин Г.П. Упражнения и методические разработки по гидрологическим прогнозам. JT: Гидрометеоиздат, 1983. - 389 с.

5. Бордовская Н.В, Реан A.A. Педагогика. — Санкт-Петербург: СПб, 2001. -69 с.

6. Бураков Д.А. О влиянии испарения на сток весеннего половодья в лесной зоне//Метеорология и гидрология. 1968.-№ 12.-С. 55-61.

7. Бураков Д.А. Особенности формирования и прогноз весеннего стока южной тайги Западно-Сибирской равнины // Известия АН СССР. Сер. географическая. 1970.- №6.

8. Бураков Д.А. Кривые добегания и расчет гидрографа весеннего половодья. Томск: Издательство Томского университета, 1978. - 129 с.

9. Бураков Д.А. К оценке параметров уравнений, аппроксимирующих кривую руслового добегания// Водные ресурсы. 1978. — № 4. — С.21-24.

10. Бураков Д.А. Математическая модель расчета гидрографа весеннего половодья для равнинных заболоченных бассейнов // Метеорология и гидрология. 1978. — № 1. - С.49-59.

11. Бураков Д.А. Основы гидрологических прогнозов объема и максимума весеннего половодья в лесной зоне Западно-Сибирской равнины // Вопросы географии Сибири. Томск, 1978. - вып. 11.- С. 3 - 49.

12. Бураков Д. А. Гидрологический анализ весеннего половодья равнинных рек лесной зоны и построение макрогенетических моделей его прогноза (на примере Западной Сибири): Диссертация на соискания доктора географических наук. Томск, 1979. - 268 с.

13. Бураков Д.А., Авдеева Ю.В. Технология оперативных прогнозов ежедневных расходов (уровней) воды на основе спутниковой информации о засне-женности (на примере р. Нижней Тунгуски)// Метеорология и гидрология. -1996. №10. - С.75-87.

14. Бураков Д.А., Мельникова О.В. Аппроксимация кривых добегания при отрицательной асимметрии с использованием зеркального преобразования гамма-распределения // Метеорология и гидрология. 2000. - №2 — С.75-87.

15. Бураков Д.А., Адамович A.A. Учет осеннего увлажнения и оттаивания почвы в моделях прогноза стока весеннего половодья на Сибирских реках // Тезисы докладов 6 гидр-го съезда. Санкт-Петербург, 2004. - С.46-48.

16. Бураков Д.А., Ромасько В.Ю., Гордеев И.Н. Автоматизированная технология прогноза весеннего половодья Сибирских рек на основе наземной и спутниковой информации / Материалы 4 науч.- практ. конф. Ханты-Мансийск: Полиграфист, 2008. - 224 с.

17. Бураков Д.А., Кашкин В. Б., Сухинин А. И., Ромасько В. Ю., Ратненко И.В. Методика определения заснеженности речного бассейна по спутниковым данным для оперативных прогнозов стока // Метеорология и гидрология. 1996. - № 8. - С. 100-109.

18. Васильев И. С. Опыт изучения поверхностного и внутрипочвенного стока в лесной подзолистой почве // Почвоведение, 1948. №5.

19. Великанов М. А. Водный баланс суши. М.: Гидрометеоиздат, 1940.

20. Волъфцун И.Б. Расчеты элементов баланса грунтовых вод Л.: Гидрометеоиздат, 1972.

21. Воейков А. И. Климаты земного шара в особенности России. Спб, 1884.

22. Воейков А. И. Снежный покров, его влияние на почву, климат, и погоду и способы исследования. Спб, 1889.

23. Воейков А. И. К вопросу о половодье 1908 года и предсказание уровня рек// Метеорологический вестник, 1908.— №6, 7.

24. Гейнц Е. А. Водность бассейна верховьев Оки в связи с осадками Спб, 1903.

25. Гельфан И.М. Цейтлин М. Л. Принципы нелокального поиска в системе автоматической оптимизации / Доклады АН СССР. — 1961. — том. 137. — №2.

26. Головин В.Ф. Опыт физико-географического районирования Красноярской лесостепи // Ученые записки, т. 8. — Красноярск: изд. КГПИ, 1957. С.58-72.

27. Голицина Е. Ф, Калюжный И. Л, Павлова К. К, Романова В. В. Исследования тепловых свойств почв бассейна р. Дона для оценки потерь талых вод на инфильтрацию в мерзлую почву. // Труды ГГИ. 1972. - вып. 194. - С. 3-21.

28. Горбунов Ю.В. Экспериментальные исследования поглощения верховодки иллювиальными горизонтами почвы // Метеорология и гидрология. 1963. -№6.

29. Гуревич М. И. О зависимости интенсивности снеготаяния от температуры воздуха. // Метеорология и гидрология. 1950. - №3.

30. Дюнин А.К. Сублимация снега // Изв. Сиб. Отд. АН СССР. 1958. - № 2. -С. 75-86.

31. Жилинский И. И. Очерк работ экспедиции по орошению на юге России и Кавказе. Спб, 1892.

32. Жилинский И. И. Очерк гидротехнических работ в районе Сибирской железной дороге по обводнению переселенческих участков в Ишимской степи и осушению болот в Барабе в 1895-1904 гг. Спб, 1907.

33. Зеленый И. К. О зависимости объемов весенних паводков Волги у Ярославля от запасов снега // Метеорология и гидрология. 1936. - № 9.

34. Игнатов A.B. Информационное моделирование в гидрологии. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук. — Иркутск, 2006. 45 с.

35. Кабанов П. Г. О поверхностном стоке талых вод в Поволжье М.:Соц. Сельское хозяйство, 1938.— №2.

36. Калюжный И. JL, Павлова К. К. Формирование потерь талого стока. JL: Гидрометеоиздат, 1981. - 159 с.

37. Качинский Н. А. Замерзание, размерзание и влажность почвы в зимний сезон в лесу и на полевых участках. — М., 1927.

38. Качинский H.A., Вадюнина А.Ф., и др. Опыт агрофизической характеристики почв на примере Центрального Урала M.-JL: Изд. АН СССР, 1950.

39. Ковзель А. Г. Опыт проектирования гидрографа весеннего стока для малого водосбора. // Труды ГГИ. — 1951. — вып. 31 (85).

40. Комаров В. Д. Прогноз половодья и объема талых вод реки Оки у г. Калуги // Метеорология и гидрология. — 1936. — № 3.

41. Комаров В. Д. Весенний сток равнинных рек Европейской части СССР. -М: Гидрометеоиздат, 1959.-295 с.

42. Комаров В.Д., Макарова Т. Т. Исследование влияния глубины промерзания почвы и других факторов на талый сток рек степной и лесостепной зон // Метеорология и гидрология. 1972. - № 8. - С. 67—74.

43. Корень В.И, Кучмент JI.C. Применение метода оптимизации к построению математической модели дождевого стока // Метеорология и гидрология. -1969. № 11.-С. 69-77.

44. Корень В.И. Математические модели в прогнозах речного стока. — Д.: Гидрометеоиздат, 1991.-С. 198.

45. Корень В.И. Математические модели в прогнозах речного стока JL: Гидрометеоиздат, 1994. - 200 С.

46. Коломыц Э Г Структура и режим снежный толщи Западносибирской тайги,- 1971.- 174 с.

47. Корытный JT.M. Реки Красноярского края. Красноярск: Красноярское книжное изд., 1991. — 157 с.

48. Кочерин Д. И. Нормы наибольших снеговых паводков в Европейской части Союза ССР // Гидротехнический сборник. М.: Изд. Московского Высшего Технического Училища, 1927 а. — №1.

49. Копотова Н.И. Оценка и прогноз потерь воды в период весеннего половодья на пополнение запасов грунтовых вод водосбора Северо-Запада ETC// Труды ГГИ. 1972.-вып. 7.

50. Копотов A.A. Лабораторные исследования водопропускной способности мерзлых и талых почво-грунтов // Труды ГГИ 1972. - вып. 194.

51. Копотова Н.И. Питание и сток грунтовых вод в период весеннего половодья на малых водосборах лесной зоны // Труды ГГИ 1974. - вып.214.

52. Климатические характеристики Красноярского края. — Красноярск: Красноярское УГМС, 2001. 82 с.

53. Кучмент J1.C. Математическое моделирование речного стока. — J.: Гид-рометеоиздат, 1972. 192 с.

54. Кучмент JI.C. Модели процессов формирования речного стока. JL: Гид-рометеоиздат, 1980. - 143 с.

55. Кучмент Л, С., Гельфан А. Н., Демидов В.Н. Модель формирования стока на водосборах зоны многолетней мерзлоты (на примере верхней Колымы) // Водные ресурсы. 2000. - № 27(4). - С. 435-444.

56. Кузьмин П. П. Опыты исследования теплового и водного баланса снеготаяния //Труды ГГИ. JL: Гидрометеоиздат, 1947. - вып. 1(55).

57. Кузьмин П. П. Интенсивность снеготаяния в условиях лиственного леса. Труды ГГИ- JL: Гдрометеоиздат, 1956. вып. 55 (109).

58. Кузьмин П. П. Процесс таяния снежного покрова. — М.: Гидрометеоиздат, 1961.-344 с.

59. Крестовский О. И. Водный баланс водосборов ВНИГЛ.// Труды ГГИ -1969.- вып. 165. С.87-127.

60. Лебедев В.Н. Методы предсказания высоты весеннего половодья рек. // Изв. РГИ, 1924.-№11.

61. Львович М И. Влияние обработки почвы на сток // Изв. АН СССР. Сер геогр. 1954. - №5.

62. Мезенцев A.B., Мезенцева О.В. К методике прогноза объема весеннего стока // География и природные ресурсы. Новосибирск: Наука, 1984. - №4, С.121-125.

63. Неустроева М.В., Деева У.В. Ландшафтный подход в геоэкологических исследованиях бассейнов малых лек // Фундаментальные исследования. 2008. -№2.- С. 16-18

64. Попов Е.Г, Великанова Т.И. Опыт приближенного расчета интенсивности снеготаяния в речном бассейне// Труды ЦИПа. 1950. - вып. 22 (49).

65. Попов Е. Г. О расчете поверхностного задержания воды в речных бассейнах для целей прогнозов стока // Метеорология и гидрология. 1950. - №1 . -С. 23-40.

66. Попов Е. Г. О возможности определения средних характеристик поглощения воды в речных бассейнах// Метеорология и гидрология. 1952. -№4.

67. Попов Е Г Анализ формирования стока равнинных рек JL: Гидрометео-издат, 1956. - 131 с.

68. Попов Е Г Вопросы теории и практики прогнозов речного стока JL: Гидрометеоиздат, 1963.-395с.

69. Постников А.Н. К методике расчета испарения в период снеготаяния и половодья в центрально-черноземных областях ETC// Труды ГГИ. 1974. -вып. 214.

70. Петенков A.B.Гидрологические основы водопользования ресурсами малых рек бассейнов Верхнего Енисея, Верхнего Чулыма и Нижней Ангары -Красноярск: СибНИИГМИ, 1990. 208 с.

71. Разработка территориального комплексного кадастра природных ресурсов (раздел водные ресурсы) Красноярск: КНИИГиМС, 2001. — 390 с.

72. Разработка территориального комплексного кадастра природных ресурсов (раздел водные ресурсы) Красноярск: КНИИГиМС, 2006. - 278 с.

73. Ресурсы поверхностных вод М.: Гидрометеоиздат, 1973. - Т. 16., Енисей. — вып. 1. - 723 с.

74. Роде A.A. Водные свойства почв и грунтов. М.: Изд. АН СССР, 1955.

75. Ромасько В.Ю., Борисевич А.Н., Миськив С.И., Иванов В.В. Использование данных ДЗЗ из космоса для мониторинга ЧС в паводкоопаспый период// Земля из космоса — наиболее эффективные решения. 2010. — № 4. — С. 3643.

76. Романов В. В., Павлова К. К., Калюжный И. J1. О потерях воды на инфильтрацию в подзолистые почвы и черноземы Л.: Гидрометеоиздат, 1974. — вып. 214,- С 106-122.

77. Руководство по гидрологическим прогнозам / Выпуск 1. М., Росгидромет, 1989. - 357 с.

78. Савинов С. И. О таянии снега. М.: Метеорологический вестник, 1907— №4-5.

79. Соколовский Д. Л. Нормы максимального стока весенних паводков рек СССР и методы их расчета. Л.: Гидрометеоиздат, 1937.

80. Средняя Сибирь. // Под редакцией И. П. Герасимова М.: Наука, 1964. -429 с.

81. Субботин А.И, Дыгало В.С. Исследование просачивания воды в талую и мерзлую почву//ТрудыЦИП. 1963г. - вып. 117.-С. 130-179.

82. Танасиенко А. А. Спицифика эрозии почв в Сибири. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2003. - 173 с.

83. Техническая записка по сельскому хозяйству / Фондовые материалы Среднесибирского УГМС. Красноярск, 1968. - 62с.

84. Урываева П. А. Впитывание почвой весенних талых вод.// Труды ГГИ. — 1954.-вып. 46(100).

85. Физико-географическое районирование Красноярского края и Республики Хакассии (Масштаб 1:7500000). Автор Калашников Е.Н. // Атлас Красноярского края и Республики Хакасии. Новосибирск: Роскартография, 1994. -С.42-43.

86. Филипова А. К. Просачивание талых вод в почву в период снеготаяния// Труды ГГИ. 1955. - вып. 48, (102).

87. Харченко С. И.Исследование потерь и добегания вод. // Труды ГГИ. -1956.- вып. 57(111).

88. Харшан A.A. Долгосрочные прогнозы стока половодья горных рек Сибири. M.: ГИМИЗ, 1958.- 182 с.

89. Харшан A.A. Долгосрочные прогнозы стока половодья горных рек Сибири//Труды ГМЦ. 1975.- вып. 65.- 128 с.

90. Цыкин Е. Н. Водопроницаемость мерзлых почв и ее динамика во время снеготаяния // Сборник: «Снег и талые воды». М.: Издательство АН СССР, 1956.

91. Швец M. Е. Тепловой баланс снежного покрова в период таяния // Труды НИУ ГУГМС. 1947 . - вып. 30. - серия I.

92. Grawford N.H. and Linsley R. К. A conceptual model of hydrologie cycle. -Intern. Assoc. Hydrol. Sei. Publ., 1963. 63 p.

Информация о работе

Иванова, Ольга Игоревна
кандидата географических наук
Красноярск, 2011
ВАК 25.00.27

Диссертация

Гидрологический анализ и прогноз весеннего половодья лесных и лесостепных рек Средней Сибири - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы