Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Индикационные методы в прогнозах паводочного стока рек юга Приморского края

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Индикационные методы в прогнозах паводочного стока рек юга Приморского края"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

_ _ л г, СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

Г ■ ¡4 , I

5 ■ ~ ' ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

1 О ФЕВ 1998

УДК 551.482.4:626.80 На правах рукописи

Степанова Милада Валерьевна

Индикационные методы в прогнозах паводочного стока рек юга Приморского края

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Иркутск 1998

Работа выполнена В Дальневосточном научно-исследовательском гидрометеорологическом институте и Институте географии СО РАН

Научные руководители: доктор географических наук Л.М. Корытный,

кандидат географических наук Б.И. Гарцман.

Официальные оппоненты: доктор географических наук Д.А. Бураков,

кандидат географических наук В.Н. Федоров.

Ведущая организация: Институт водных и экологических проблем ДВО РАН.

Защита состоится 11 февраля 1998г. на заседании специализированного совета Д 002.60.02 при Институте географии СО РАН, по адресу: 664033, Иркутск, ул. Уланбаторская,1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

Автореферат разослан « •У » иСи-Ь&у*^ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Ю.В. Рыжов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из главных направлений в гидрологических исследованиях на Дальнем Востоке является изучение паводочного стока в комплексе со всеми обуславливающими его факторами. Высокие и особенно катастрофические паводки, наблюдающиеся на реках Приморского края практически ежегодно, наносят большой ущерб экономике региона. В связи с этим возрастают требования к качеству и точности методик расчета и прогноза дождевого стока и необходимости заблаговременного предупреждения об угрозе наводнений на реках.

При очевидной актуальности этой задачи проблема прогноза паводочного стока до настоящего времени остается нерешенной. Теоретические основы методов прогноза стока рек хорошо изучены и довольно полно представлены в специальной литературе. На их основе составляются практические рекомендации прогноза для конкретных водных объектов. Однако большинство из научно-методических рекомендаций не используется в практике гидропрогнозов. Методики быстро "устаревают" не только в техническом, но и в концептуальном плане. Исследования условий формирования дождевого стока и разработка методов прогноза паводков в Приморье проводились в основном для крупных рек. Степень изученности важнейшего звена влагооборота - преобразования дождевых осадков в сток на малых водосборах - остается недостаточной. Методики, разработанные для других регионов, не учитывают климатических и физико-географических особенностей Дальнего Востока, связанных с резким усилением циклонической деятельности в регионе и выходом тайфунов в летне-осенний период. Формированию катастрофических паводков способствует горный характер местности, тяжелый механический состав почвогрунтов и близкое расположение водоупора.

Это определяет актуальность темы диссертации, направленной на разработку методов прогноза максимального паводочного стока с учетом гидролого-географических особенностей территории, изучением и оценкой взаимодействия различных факторов стокообразования на малых водосборах с использованием методов индикации. Такой подход может быть использован при прогнозировании наводнений на реках в тех случаях, когда отсутствуют гидрометрические данные, что особенно важно, принимая во внимание наметившуюся тенденцию свертывания наблюдательной сети и снижения качества гидрометеорологических наблюдений на реках.

Цель и задачи исследования. Основная цель настоящего исследования заключается в исследовании возможности применения модели паводочного цикла малого речного

бассейна (МРБ) при прогнозах паводочного стока с привлечением методов индикации для определения основных балансовых составляющих и параметров модели, разработки методики для выпуска краткосрочных прогнозов максимальных расходов (уровней) воды в период прохождения дождевых паводков на малых реках. Работа велась в двух направлениях.

Разрабатывалась методика краткосрочных прогнозов катастрофических паводков рек Приморского края с использованием модели паводочного цикла МРБ, на основе учета двух основных режимов формирования стока - внутриобъемного и поверхностного , и процесса перехода между ними. При этом решались следующие задачи: определение основных параметров модели, вычисление свободной принимающей емкости бассейна в зависимости от объема воды в русле и степени увлажненности водосбора; создание различных схем расчета в зависимости от условий формирования стока; прогноз величины подъема воды по данным об осадках и стоке.

Второе направление связано с исследованием влияния различных физико-географических параметров на вероятность возникновения, объем и продолжительность поверхностного стока рек юга Приморского края. С помощью индикационных методов исследовалась зависимость основных параметров модели и характера поверхностного стока от различных природных факторов.

Методика исследования и исходные данные. В основу метода прогноза положена модель паводочного цикла МРБ, разработанная Б. И. Гарцманом, теоретической базой которой являются положения и методы функционального и структурного анализа И.Н. Гарцмана, Ю.Б. Виноградова, И.С. Соседова, Н.И. Коронкевича и других. Применены также общепринятые математические, гидролого-географические, индикационные методы. В качестве исходных данных использовались данные стандартных гидрометеорологических наблюдений за стоком и осадками, справочные и картографические материалы.

Новизна работы заключается в разработке методики прогноза максимального паводочного стока применительно к условиям Дальнего Востока, учитывающей различие режимов формирования стока - внутриобъемного и поверхностного.

Автором :

- обоснован способ определения основных параметров модели в зависимости от физико-географических и структурно-информационных характеристик водосбора;

- определены ландшафты, на которых вероятность возникновения поверхностного стока наибольшая;

- выявлены зональные кривые, определяющие соотношение основных бассейновых емкостей в зависимости от степени их заполнения;

- разработана схема расчета величины свободной принимающей емкости с учетом предшествующей увлажненности бассейна;

- исследована динамика сезонного хода испарения с водосборов приморских рек в теплый период года и представлены зональные зависимости ;

- предложена методика прогноза максимальных паводочных расходов воды с использованием модели паводочного цикла МРБ;

- выполнены численные эксперименты по расчету максимальных паводочных расходов воды по 35 рекам юга Приморского края.

Практическая значимость работы заключается в создании методики прогноза максимального паводочного стока малых рек. Результаты исследований являются составной частью темы плана НИОКР Росгидромета "Разработать автоматизированные методы прогнозов дождевых паводков на реках бассейна залива Петра Великого и бассейна р. Уссури" ( номер гос. регистрации - 01.960.006777). Полученные методики прогнозов переданы для проведения испытаний возможности внедрения в оперативную практику бюро прогнозов Приморского УГКС.

Достоверность научных результатов подтверждается высокой эффективностью проверочных расчетов, выполненных на независимой информации, а также использованием большого объема исходной информации на сети Госкомгидромета ( по 35 постам использовано свыше 1000 максимальных паводочных расходов воды, за период наблюдений более 30 лет).

Апробация работы. Основные теоретические положения докладывались на научных семинарах лаборатории природных ресурсов Института географии СО РАН и отдела гидрологических исследований ДВНИГМИ ; Международном симпозиуме "Расчеты речного стока при проектировании" ( С-Петербург, 1995г.); VI научном совещании по прикладной географии ( г. Иркутск, 1996г.); XII научном совещании молодых географов Сибири и Дальнего Востока (г. Иркутск, 1997г.); конференции "Гидрология и геоморфология речных систем"( Иркутск, 1997г.).

Публикации По теме диссертации опубликовано 6 работ. Список публикаций приводится в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, списка литературы из 138 наименований. Общий объем

диссертации составляет 143 с. машинописного текста, в том числе 23 таблицы, 18 рисунков, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, сформулирована цепь работы, показана ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приводится краткая физико-географическая характеристика Приморского края, гидрологическое и гидрографическое описание рек. Выполнен анализ особенностей формирования паводочного стока дальневосточных рек под влиянием тайфунов и муссонов, приносящих воздушные массы со стороны Тихого океана. Дается описание региональных закономерностей пространственного распределения водных ресурсов. Проводится анализ исходной информации.

Вторая глава посвящена описанию процесса формирования паводочного стока на малых реках с позиций модели паводочного цикла МРБ. Рассматриваются некоторые теоретические предпосылки. Выполнены расчеты основных параметров модели: критического расхода воды, величин основных емкостей бассейна (полной, наименьшей, гравитационной), показателя интенсивности истощения русловых влагозапасов, коэффициента внутриобъемного стока.

В третьей главе рассматриваются закономерности территориального распределения параметров модели паводочного цикла МРБ. Приведены региональные зависимости между основными параметрами модели и различными физико-географическими и структурно-информационными характеристиками бассейна. Определены ландшафты, на которых вероятность возникновения, величина и продолжительность поверхностного стока наибольшая.

В четвертой главе дается описание схемы расчета водного баланса с использованием модели паводочного цикла МРБ. Предлагаются схемы определения испарения и принимающей емкости бассейна по полученным зональным зависимостям. Выполнены расчеты посуточного водного баланса для исследуемых водосборов.

В пятой главе анализируется состояние проблемы прогноза паводочного стока. Приводится обзор существующих методов прогноза дальневосточных рек. Дается описание метода прогноза максимальных паводочных расходов воды с использованием модели паводочного цикла МРБ. Предлагаются граничные условия для учета различий режима функционирования водосбора. Выполнены проверочные расчеты. Приводится анализ полученных результатов.

В Заключении подводятся основные результаты работы. Рассматриваются достоинства и недостатки предложенной методики, направления дальнейших исследований в этой области.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ , ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

I. Комплекс динамических и емкостных параметров МРБ может быть количественно определен на основе индикационных зависимостей от физико-географических и структурно-информационных характеристик водосбора. Это позволяет выявлять ландшафты, на которых вероятность возникновения, продолжительность и объем поверхностного стока наибольшие.

Теории формирования, расчетам и прогнозам дождевых паводков, учету интенсивности и распределения осадков, потерь дождевого стока, руслового и бассейнового регулирования посвящены исследования Г.А.Алексеева, А.Н.Бефани, М.А.Великанова, М.И.Гуревича, Н.Е.Долгова, Г.П.Калинина, М.И.Львовича, А.В.Огиевского, Е.Г.Попова, Д.Л.Соколовского и ряда других авторов. Весьма обширна и зарубежная литература, в которой излагаются вопросы расчета и прогноза дождевых паводков.

Территория Приморского края относится к зоне муссонного климата. В летний период наблюдается усиление циклонической деятельности в регионе. Сложная орография и неустойчивый режим увлажнения обуславливают особую сложность гидрологического режима рек. Ведущей фазой режима являются паводки, формированию которых способствует горный характер местности, развитая речная сеть, тяжелый механический состав почвогрунтов с низкой водоудерживающей и инфильтрзционной способностью.

Несмотря на все многообразие природных условий, по характеру преобладающих процессов влагооборота территорию края можно разделить на три основные зоны: формирования, транзита и концентрации водных ресурсов (ВРС). В основе их выделения: количественное различие основных элементов водного баланса территории; различная степень естественной дренированности и структура гидрографической сети территории; общегеографические различия ( геология, рельеф, почвы, растительность и т.д.). Для зоны формирования характерно наибольшее в крае количество атмосферных осадков; высокая естественная дренированность территории, хорошо развитая сеть низкопорядковых водотоков; высокие модули и коэффициенты стока; наибольшая степень естественной

зарегулированное™ стока; малое время склонового и руслового добегания, быстрая концентрация паводочного стока.

Гидрометеорологические особенности зоны концентрации ВРС: наименьшее для Приморья количество атмосферных осадков; слабая естественная дренированность территории, наличие бессточных областей, склонность к заболачиванию; низкие модули и коэффициенты стока и особенно большая неравномерность стока.

Зона транзита по большинству параметров занимает промежуточное положение между зонами формирования и концентрации ВРС.

Для всех зон характерны частые и продолжительные наводнения. Они приносят огромный ущерб и существенно сдерживают экономическое развитие региона. Величина, продолжительность и интенсивность наводнений зависят от количества выпавших осадков и условий увлажненности территории перед дождем. Катастрофические наводнения на реках связаны с появлением поверхностного стока, при котором практически отсутствуют потери стока на транспирацию, поверхностное задержание и т.д. Поверхностный сток наносит основной экономический ущерб и выполняет основную эрозионную работу на водосборах и в поймах рек.

Представления о существенных различиях в механизмах формирования стока являются достаточно распространенными. Исторически они восходят к теориям исключительно поверхностного стокоформирования ( Р. Хортон). Накопление новых данных о паводочном стоке привело к появления понятия "подповерхностный" или "внутрипочвенный " сток. Сейчас наиболее разработанной является классификация типов паводочного стока А Н. Бефани. Однако в ней границы перехода от внутрипочвенного к поверхностному не определены достаточно четко.

Для выделения поверхностной составляющей в общем объеме паводочного стока рек юга Приморского края была использована модель паводочного цикла МРБ, разработанная в ДВНИГМИ Б.И. Гарцманом. Процесс формирования паводочного стока, исходя из предложенной схемы модели, описывается следующим образом. При выпадении продолжительного дождя вначале заполняются все емкости "чистых" потерь осадков, поверхностного задержания и смачивания, идет увлажнение почвогрунтов до величины наименьшей влагоемкости бассейна (НВ). По мере приближения влажности почвогрунтов к НВ - эфемерно, а при превышении НВ - устойчиво существует объем гравитационных грунтовых вод, подвижность которых возрастает с увеличением увлажнения почвогрунтов. При значительном превышении НВ сброс осуществляется по незаполненной подземной дренажной сети бассейна, характер стекания в которой близок к поверхностному. После достижения почвогрунтовой толщей состояния полной влагоемкости

(ПВ), т.е. после полного насыщения как гравитационной, так и капиллярной и других емкостей начинает осуществляться поверхностное стокообразование. Это не означает, что стекание происходит исключительно на поверхности водосбора, наоборот, задействованы бывают все дренажные системы бассейна. Однако все генетически различные виды стока таким образом контролируются по объему и динамике наличием поверхностного стокообразования, что с позиций воднобалансовой модели неотличимы от поверхностного стока. Коэффициент стока в этот период близок к единице. Переход от внутриобъемного к поверхностному стокообразованию (ПВ МРБ) фиксируется особым критическим расходом (QKp), представляющим собой интегральную бассейновую характеристику.

Кроме величины Окр, основными параметрами модели являются: показатель истощения русловых влагозапасов ( R ист ), коэффициент внутриобъемного стока ( к ), величины основных емкостей бассейна: полная влагоемкость бассейна , наименьшая влагоемкость, максимальный гравитацитационный влагозапас ( МГВ ) и русловой критический влагозапас ( РКВ ). Все они имеют четкий физический смысл и могут быть определены по стандартным гидрометеорологическим данным. При таком подходе точность определения параметров модели зависит от степени изученности и качества гидрометеорологической информации. Применение модели паводочного цикла малого речного бассейна для прогнозов паводочного стока требует более простого и объективного метода оценки параметров.

Предлагаемая нами методика определения параметров модели основана на гидролого-географическом методе, начало которому положил В.Г. Глушков. Он был продолжен М.И. Львовичем, Л.К. Давыдовым, П.С. Кузиным, А.И. Субботиным, И.Н. Гарцманом, А.Н. Антиповым, Л.М. Корытным, И.С. Соседовым и др. Согласно гидролого-геграфическому методу, при исследовании гидрологического режима объектом исследования является бассейн как функционально целостная геосистема.

В работе изучается взаимосвязь поверхностного паводочного стока рек юга Приморья с основными физико-географическими и структурно-информационными характеристиками малых речных бассейнов. Проведенные исследования позволили выявить зависимости основных параметров предлагаемой модели от ландшафтных и структурных характеристик водосбора - площади (F), средней высоты (h), диапазона изменения высот на водосборе(ЛЬ|), густоты речной сети (у), уклонов русла(1р) и водосбора(1в), ориентации бассейна (А), коэффициентов залесенности (fnec), заболоченности (f6o„) и распаханности бассейна (fnaui)- К анализу были привлечены также структурно-информационные характеристики водосборов: порядок реки (Р), суммарная (IH) и средняя энтропия (Нср), структурный модуль стока (М).

Зависимость основных параметров модели от физико-географических характеристик водосборов

к

0,3 3,25 ■ а) ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ 0.45 -г * 0,4 •• «. 0,35 - -

0,2 • ♦ ♦ * ! ♦ 0,30,25 - -

0,15 ■ ♦ ♦ 0,2--0,15-•

0,1 ♦ 0,1--

0,05 —I— —1— -1— 0,05 -- -1 о +

пв

220 т 200 180 160 140 120 * 100

в)

♦♦ ♦ ♦ ♦

♦ ♦ ♦

200

400

600

800

Я, км

8 О А, румбы е

■*ИСТ

0,4 у 0,35 • ■ г) ♦ 0,30,25 ■ ■ 0,2 -0,15 -0.1 - 4

0,05

-, 0--

1000 0

200

400

600

♦ ♦

♦

♦ ♦

0,5

800 Ь, М

1.5 2

у, км/к

а) критического расхода воды от ориентации водосборов,

б) коэффициента внутриобъемного стока от средней высоты водосбора,

в) полной влагоемкости бассейна от площади водосбора,

г) показателя интенсивности истощения русловых влагозапасов от густоты речной сети.

Рис. 1

Исходя из результатов корреляционного анализа и анализа графических связей исследуемых параметров с отдельными элементами (рис.1), можно с уверенностью говорить об общих тенденциях изменения каждого из параметров модели в зависимости от особенностей строения речных водосборов. Увеличение основных емкостей бассейна отмечается с возрастанием площади и средней высоты водосбора, густоты речной сети, порядка реки, величины суммарной энтропии. Обратные зависимости наблюдаются для величины средней энтропии. Величины критического расхода воды, показателя истощения русловых влагозапасов, коэффициента внутриобъемного стока с довольно

высокой точностью могут оцениваться без привлечения структурно-информационных характеристик. Наиболее значимыми предикторами для них являются: ориентация водосбора, густота речной сети, средняя высота и облесенность бассейна. Из всех структурных мер предпочтение можно отдать величине средней энтропии, структурного модуля и порядку рек .

Наибольшие величины основных емкостей наблюдаются на полностью облесенных горных водосборах. К таким относятся водосборы рр. Партизанской, Шкотовки, Артемовки и Борисовки, протекающие по периферии Борисовского и Шкотовского плато, на участках, сложенных высокопроницаемыми горнотаежными лесными типами почв. Расчетные значения ПВ для них 180-200 мм. Минимальные значения отмечены на равнинных, иногда заболоченных бассейнах, сюда можно отнести бассейны рр. Глуховки, Михайловки, Бакарасьевки, протекающих в южной части Западно-Приморской равнины, сложенной почвами, имеющими тяжелый механический состав и относящимися к типу почв с затрудненным режимом водообмена ( ПВ 115-130 мм). Величина ПВ бассейна определяет максимальное количество осадков, поглощаемое и задерживаемое бассейном. Дальнейшее увеличение степени увлажненности бассейна приводит к появлению поверхностного стока и способствует образованию сильных паводков на реках. При низких значения величины ПВ выше вероятность появления поверхностного стока, хотя его интенсивность и продолжительность от величины влагоемкости не зависит.

Зависимости параметров модели от основных физико-географических и структурно-информационных характеристик водосбора выражались уравнениями регрессии вида:

/?„„= -0.00023 ЛИ + 0.00011 Р +0.00242 ^ + 0.086 к = 0.00036 ДИ +0.00157 ^ +0.295

ПВ = 0.015 Р + 0.089 1В -93.2Нср + 0.077 Р + 206

НВ = 8.681 Р - 2.147 А + 0.046 ДИ + 0.017 Р + 88.9

МГВ = 1.755 А + 0.012 Р-0.014 ДИ + 0.160 Ъ« + 15.1

Для каждого из параметров получено несколько корреляционных уравнений с различными характеристиками, что дает возможность легко определять параметры модели для различных водосборов, даже при условии минимальной их изученности.

Сравнение рассчитанных таким образом параметров модели со значениями, полученными по гидрометрическим данным, показывает высокую степень надежности

использования индикационных методов. Оценка точности расчетов производилась по величине множественного коэффициента корреляции и среднеквадратического отклонения, полученных двумя различными способами параметров (табл.1). Различия в величинах определяемых параметров не превышают 10-15%. Для проверки проводились исследования на независимом материале. Полученные результаты можно считать удовлетворительными. Точность определения параметров модели на независимом материале находится в тех же пределах, что и для материалов, использованных при разработке методики. Предложенная методика определения основных параметров водосбора может быть использована для расчета и прогноза поверхностного стока рек.

Таблица 1

Оценка точности определения параметров модели методом индикации

Определяемый элемент э а Э/а Величина Б в % от среднего значения

0.97 1.41 0.69 8

Кист 0.054 0.087 0.61 15

к 0.028 0.207 0.12 12

ПВ 12.1 21.8 0.55 5

НВ 9.55 18.3 0.52 5

МГВ 4.6 7.07 0.69 8

Фиксирование перехода от внутриобъемного к поверхностному стокообразованию критическим расходом воды (0^) дает возможность объективно оценить величину и продолжительность поверхностного стока. Проводилась оценка поверхностной составляющей паводочного стока 35 рек юга Приморского края, исследовалась зависимость характера поверхностного стока от различных физико-географических параметров водосборов (рис.2).

В общем объеме летнего стока дальневосточных рек доля поверхностного стока невелика и составляет 15-25 %. Катастрофические паводки наблюдаются на реках не ежегодно, но таких паводков может быть несколько в году. Средняя повторяемость составляет 1-2 паводка в год.

Проведенные исследования позволяют выделить те бассейны, на которых вероятность возникновения поверхностного стока наибольшая. Чаще всего паводки с

Зависимость характера поверхностного стока от физико-гаографичоских характеристик водосборов

У, мм

а)

♦ ♦ ♦

Т, дни

В)

0,5

У, мм

50 т

Ч

45 + 40 35 30 25 20 15

б)

♦ ♦

♦

г

1 ♦

г

1,5

2

7, км/км2

0

Т, дни

3

2,8 - г)

2,6 -

2,4 -

2,2

2

1,8-

1,6

1,4

1,2

1 —»

♦

♦ ♦

5 Р

100

200

300

8

А, румбы

400 1в,%о

а) величины слоя поверхностного стока за паводок (У,мм) от густоты речной сети,

б) величины слоя поверхностного стока за паводок от ориентации водосборов,

в) продолжительности паводков с поверхностным стоком (Т,дни) от порядка рек,

г) продолжительности паводков с поверхностным стоком от уклона водосбора.

Рис.2

превышением О,, наблюдаются на реках с площадями водосборов менее 100 км2 ( до 5-7 паводков в год). Максимальная продолжительность (более 7 суток) и величина поверхностного стока (80-100 мм) наблюдается на среднегорных облесенных водосборах с развитой структурой речной сети, средней высотой местности 300- 350 м над уровнем моря; имеющих преимущественно южную ориентацию; величины уклонов русел >15%о и уклонов водосборов >200%о. Из всех рассматривавшихся в работе водосборов к данной категории можно отнести бассейны: р.Волха у Верхнего, Учхозный ключ у Дальнего и Семеновскую Падь у Доковского. На этих реках отмечены более высокие модули стока и продолжительность паводков.

II. Пространственно-временная изменчивость балансовых составляющих, в том числе испарения и основных бассейновых емкостей обусловлена климатическими и физико-географическими особенностями водосборов и может быть отражена в региональных зависимостях.

Наличие за отдельные годы нескольких паводков с превышением критического расхода позволяет сводить ежесуточный водный баланс за межпаводочные периоды по стандартным гидрометеорологическим данным о стоке и осадках с выделением гравитационной емкости ( включающей в себя грунтовый и русловой влагозапас) и принимающей емкости (контролирующей капиллярный влагозапас), расчетом величин стока и притока в русловую сеть, получением испарения и поверхностного задержания в качестве остаточного члена. Величина свободной емкости бассейна может рассчитываться на конец каждых суток паводочного периода как разность сумм осадков и стока с испарением. Суммы приходных и расходных составляющих водного баланса накапливаются от начала до паводочного периода, т.е. от момента на спаде предыдущего паводка, когда расход становится меньше Q„p. Свободная предпаводочная емкость на этот момент принимается равной нулю, т.е. русловая, гравитационная и принимающая емкости бассейна достигают величин РКВ, МГВ и НВ соответственно. Нами были проведены исследования величин испарения и принимающей емкости, рассчитанных с использованием данной схемы расчета водного баланса; выявлены основные закономерности их пространственного и временного распределения; предложены региональные зависимости для их определения.

Испарение - сложный и многогранный процесс, определяющийся рядом климатических и физико-географических факторов. Исследованием испарения в Приморском крае занимались Горчаков A.M., Урываев П.А., Березников К.П., Децик В Н. и другие. Фиксация ПВ бассейна определенным критическим расходом воды позволяет рассчитывать испарение за короткие промежутки времени. Если выделить на спаде двух паводков с превышением Обточки пересечения критического расхода воды, то между ними будет заключаться паводочный период, для которого ДУ=0. В результате этого испарение с бассейна за межпаводочный период можно оценить как остаточный член уравнения водного баланса только по данным об осадках и стоке.

Расчеты испарения за отдельные межпаводочные периоды дают возможность проследить его пространственную и временную динамику в регионе, исследовать влияние на величину испарения природных факторов. Проведенный анализ показал, что величина рассчитанного испарения зависит от количества выпавших осадков, а также от природных

2\ мм

3,9 3.4 2,9 2,4 1,9 1,4

0,9

Внутрисезонный ход испарения (2) с водосборов для зоны формирования (1), транзита (2), концентрации водных ресурсов (3)

/

14.06 97 04 07 97 24.07.97 13.08.97 02.09 97 22.09.97 12.10.97 РИС. 3 Дата

особенностей водосборов. Наиболее значимым физико-географическим фактором, определяющим величину интенсивности испарения в условиях Южного Приморья, является ориентация. Малые водосборы с преобладанием склонов южной экспозиции испаряют в среднем за сутки до 3.6 мм воды, в то время как водосборы с преобладанием склонов северной экспозиции только 2.4 мм. Полученные результаты согласуются с исследованиями в этой области И.Н. Гарцмана, Т.Н. Рябчиковой, В.А. Барабаш.

В течение теплого периода межлаводочные периоды распределены практически равномерно. Это дает возможность выявить сезонную изменчивость испарения. Общая динамика рассчитанных величин испарения прослеживаются довольно четко. Максимальные величины наблюдаются в начале августа, минимальные в июне месяце. Сезонный ход испарения согласуется с ходом основных метеоэлементов, определяющих его интенсивность в данном регионе.

Выявлены различия во внутрисезонном ходе испарения для различных водноресурсных зон ( рис.3). В зоне концентрации водных ресурсов наблюдается более сглаженный ход испарения. Это обусловлено преобладанием пород тяжелого механического состава, обладающих низкими фильтрационными свойствами, периодическим переувлажнением территории, склонностью к заболачиванию и наличием бессточных понижений.

Выраженной внутрисезонной динамикой обладает испарение в зоне формирования водных ресурсов. Небольшие величины испарения, по сравнению с остальными зонами, в конце весны и начале лета объясняются преобладанием лесных горнотаежных почв с быстрым режимом водообмена и относительным дефицитом тепловых ресурсов. В середине лета, когда увеличиваются потери стока на транспирацию, различия в величине испарения различных зон незначительны.

По кривым внутрисезонного хода испарения можно определить величины среднесуточного испарения с любых водосборов в исследуемом регионе. Для этого к значениям испарения, полученным по зональным кривым, необходимо ввести поправки на ориентацию.

На основе исследования основных составляющих водного баланса, рассчитанных с использованием модели паводочного цикла МРБ, выявлены различия в реагировании емкостей на выпадение осадков. Грунтовая емкость обладает наибольшей инерционностью. Динамичный характер русловой емкости проявляется при высокой степени увлажненности бассейна. При низкой водности даже сильные осадки не вызывают ее заметного увеличения. Гравитационная емкость бассейна, включающая в себя русловую и грунтовую, отражает специфические черты обеих емкостей. Исследована взаимосвязь относительной принимающей (с) и относительной гравитационной емкости бассейна (д).

Установлено, что динамическое соотношение основных емкостей определяется физико-географическими особенностями конкретных водосборов. Сглаженный вид зависимости с= 1 (д) характерен для водосборов с высокой степенью дренированности территории, хорошо развитой структурой речной сети и высокой водопроницаемостью почв. Слабая дренированость территории приводит к тому, что заполнение гравитационной емкости происходит более неравномерно. Стремительное увеличение гравитационной емкости наблюдается только при высокой степени увлажненности.

Зависимости с= f (д), могут быть выражены уравнениями вида:

с = (£ + я)" +Ъ

где а, Ь и п - эмпирические коэффициенты, отражающие физико-географические особенности формирования стока конкретных водосборов.

Предложены зональные зависимости с=((д) по каждой водоресурсной зоне (рис. 4)

Для определения принимающей емкости при расчетах водного баланса предложены уравнения регрессии , куда, кроме величины свободной емкости бассейна , рассчитанной по предложенным зависимостям от гравитационной емкости, входит индекс предшествующего увлажнения и величина среднесуточного испарения.

Зависимости относительной свободной принимающей емкости от относительной свободной гравитационной емкости для зоны формирования (1), зоны транзита (2), зоны концентрации водных ресурсов (3)

Ср мм

д, мм

Рис. 4

Оценка полученных результатов (табл.2) показывает, что предложенная схема определения принимающей емкости бассейна является эффективной и может быть использована при расчетах и прогнозах паводочного стока рек юга Приморского края.

Таблица 2

Оценка точности определения свободной принимающей емкости по зависимостям с=^д)

Водноресурсная зона Параметры зависимости с=(д+а)"+Ь па Ь Ср. квадратич. отклонение К

Формирования 2.2 0 0.06 0.126 0.842

Трансформации 3 0 0.07 0.118 0.865

Концентрации 4 0.03 0.06 0.123 0.830

III. Параметризация модели паводочного цикла с использованием индикационных зависимостей позволяет разрабатывать надежные методики прогноза максимального стока на малых водосборах.

Исследованиями паводочного режима рек юга Дальнего Востока занимались: Е.В.Берг, А.Н.Бефани, И.Ф.Бефани, Л.К.Вершинина, И.Н.Гарцман, И.Ф.Горошков, М.И.Гуревич, Н.Л.Подвишенская, З.Н.Петрова, А.Г.Левин, З.Д.Мельникова, Д.Л.Соколовский, И.О.Соловьева, П.А.Урываев, В.Г.Федорей, И.А.Шикломанов и другие. В.М.Лыло, Р.А.Нежиховский, В.И.Сапожников, В.И.Корень, Л.С.Кучмент, В.А.Бельчиков и другие авторы разработали практические схемы прогнозирования паводочного стока рек Дальневосточного региона, основанные на процессах, происходящих на водосборе и в речной сети. Большинство из них в практике гидропрогнозов не используется. Происходит это по различным причинам, основная из которых - неудовлетворительное качество прогноза в период прохождения высоких (катастрофических) паводков. Это связано с неучетом различий в механизмах формирования стока.

В основе предлагаемого нами метода прогноза паводочного стока рек лежит модель паводочного цикла МРБ. Модель разработана для зоны муссонного климата и отражает ее специфику. В ней учитывается два основных режима формирования стока -внутриобъемный и поверхностный, и процесс перехода между ними. Использование схемы расчета водного баланса с применением модели паводочного цикла МРБ дает возможность диагностировать состояние водосбора в любой период времени и прогнозировать подъем уровня воды в реках.

Схемой прогноза предусматривается использование данных об осадках и стоке, известных на дату выдачи прогноза. Следовательно, заблаговременность прогноза обуславливается временем добегания осадков на водосборе до замыкающего створа, и ограничивается естественными для малых рек временными рамками - 0.5-1.5 суток; средняя заблаговременность прогноза составляет 1 сутки. При использовании качественных схем предвычисления осадков заблаговременность прогноза может быть увеличена.

Нами предусмотрены четыре различных варианта расчета, в зависимости от режима формирования стока и наличия или отсутствия стокообразующих осадков.

1 вариант расчета Режим формирования паводка внутриобъемный (Q<QKp), количество выпавших осадков <10 мм. Такое состояние водосбора наиболее легко диагностируется предусмотренной схемой расчета. Гравитационная емкость бассейна рассчитывается по данным о стоке в замыкающем створе, величины среднесуточного

испарения определяются по полученным зональным кривым, принимающая емкость рассчитывается по уравнениям регрессии.

2 вариант расчета Режим формирования паводка внутриобъемный, количество выпавших осадков превышает 10 мм. В период выпадения осадков на водосбор нарушается синхронность хода заполнения основных бассейновых емкостей, не происходит испарения осадков. Расчет общей емкости бассейна в этом случае ведется по уравнению водного баланса, с учетом предшествующего состояния увлажненности водосбора и количества выпавших осадков.

3 вариант расчета Режим формирования паводка чисто поверхностный (0>0Ф). Все емкости бассейна заполнены, потери стока практически отсутствуют. Сток в замыкающем створе определяется величиной ПВ бассейна и количеством выпавших осадков.

4 вариант расчета Характеризует пограничное состояние бассейна, близкое к критическому, когда гравитационная емкость бассейна заполнена, в то время как величина принимающей емкости остается меньше НВ. В этом случае, как и во втором варианте, расчет проводится по предшествующему состоянию увлажнения и количеству выпавших осадков.

Величины критического расхода воды и значения предельных величин основных емкостей бассейна - ПВ,НВ, МГВ и ГРВ могут быть определены двумя различными способами. Метод расчета по гидрометеорологическим данным, предложенный Б.И. Гарцманом, может быть использован при высокой степени гидрометеорологической изученности территории и хорошем качестве наблюдений. Для неизученных водосборов параметры модели могут быть определены по предложенным уравнениям регрессии, в зависимости от физико-географических и структурно-информационных характеристик бассейна.

Предлагаемая схема прогноза реализована на малых рек юга Приморского края. Выполнены расчеты водного баланса и прогноза катастрофического стока для 35 рек исследуемого региона. При разработке метода прогноза использовано свыше 1000 максимальных паводочных расходов воды, за период наблюдений более 30 лет. Качество прогнозов зависит от надежности исходных данных. Только половина рассматриваемых водосборов сравнительно хорошо оснащена гидрометеорологической и физико-географической информацией (в основном это территория Приморской воднобалансовой станции). Остальных водосборы не обеспечены надежными измерениями стока в замыкающем створе и достаточным количеством осадкомерных пунктов. Особенно это касается рек с площадями более 200 км2 , для надежного прогноза стока на которых недостаточно измерений осадков в одном пункте.

График сходимости фактических и спрогнозированных максимальных паводочных расходов воды показывает хорошее качество предлагаемой методики прогноза (рис.5). Статистическая оценка точности прогнозов максимального стока дана в табл. 3. Полученные методики относятся к категории хороших и удовлетворительных.

Таблица 3

Оценка качества прогнозов максимального паводочного стока рек юга Приморского края

Число случаев Б/а

7 <0.50

8 0.50-0.60

9 0.60-0.70

11 0.70-0.80

Итого: 35 0.38-0.78

ВЫВОДЫ

1. Территория Приморского края относится к зоне муссонного климата. В летний период наблюдается усиление циклонической деятельности в регионе Сложная орография и неустойчивый режим увлажнения обуславливают особую сложность гидрологического режима рек. Ведущей фазой режима являются паводки, формированию которых способствует горный характер местности, развитая речная сеть, тяжелый механический состав почвогрунтов с низкой водоудерживающей и инфильтрационной способностью. Паводки периодически вызывают сильные наводнения на реках края. Они приносят огромный ущерб и существенно сдерживают экономическое развитие региона. Величина, продолжительность и интенсивность наводнений зависит от количества выпавших осадков и условий увлажненности территории перед дождем. Наибольшие паводки на реках, вызывающие катастрофические наводнения, формируются поверхностным стоком.

2. Базируясь на понятиях системного анализа и системного подхода, модель паводочного цикла МРБ рассматривает бассейн как целостный объект и описывает все процессы, происходящие на водосборе, в виде последовательности состояния водных масс по возрастанию интенсивности процессов влагооборота. Состояние ПВ бассейна фиксируется особым критическим расходом (Окр), представляющим собой интегральную бассейновую характеристику. Кроме величины Окр, основными параметрами модели являются: показатель истощения русловых влагозапасов, коэффициент внутриобъемного

График связи рассчитанных и спрогнозированных значений максимального паводочного стока

а.ф.60 •

а) Комаровская падь -п. Егерьский, 6) р.Каменка - п.Каменский в) р. Артемовка - п.Штыково, г) р.Суходол - п.Романовка

Рис. 5

стока, величины основных емкостей бассейна: полная, наименьшая, максимальный гравитацитационный влагозапас и русловой критический влагозапас.

Рассмотрена зависимость основных параметров модели от основных физико-географических и структурно-информационных характеристик водосборов. Выявлены тесные региональные зависимости мезду основными параметрами модели и характеристиками водосборов. Наличие подобных связей позволяет точно оценить параметры модели для неизученных водосборов. Полученные зависимости выражались уравнениями регрессии.

3. Фиксирование перехода от внутриобъемного к поверхностному стокообразованию критическим расходом воды (Окр) дает возможность объективно оценить величину и продолжительность поверхностного стока. Проводилась оценка поверхностной составляющей паводочного стока 35 рек юга Приморского края, исследована зависимость характера поверхностного стока от различных физико-географических параметров водосборов. Выявлено, что вероятность возникновения поверхностного стока на реках юга Приморского края выше на малых водосборах ( с площадями водосборов менее 100 км2 ). В год на них может проходить до 5-7 паводков с превышением критического расхода воды. Максимальная продолжительность и величина катастрофического стока наблюдается на среднегорных облесенных водосборах, с развитой структурой речной сети, средней высотой местности 300- 350 м над уровнем моря; имеющих преимущественно южную ориентацию; величины уклонов русел > 15%о и уклонов водосборов - 200%о.

4. Модель паводочного цикла МРБ позволяет сводить ежесуточный ВБ по стандартным данным об осадках и стоке. Анализ величин испарения, рассчитанных за межпаводочный период, дает возможность проследить пространственную и временную динамику испарения в исследуемом регионе. Наиболее значимым физико-географическим фактором, определяющим величину интенсивности испарения в условиях южного Приморья, является ориентация. Малые водосборы, имеющие преимущественно южную ориентацию склонов, испаряют в среднем за сутки до 3.6 мм воды, в то время как водосборы с преимущественно северной ориентацией склонов только 2.4 мм. С мая по август в исследуемом регионе отмечается рост испарения, в сентябре оно несколько снижается. Отмечаются различия внутрисезонного хода испарения на водосборах различных водоресурсных зон.

Выявлена связь между величинами основных емкостей бассейна. Проведенные исследования по 35 рекам южного Приморья позволили построить зональные кривые, определяющие соотношения емкостей в зависимости от особенностей формирования стока.

Предложенный метод расчета принимающей емкости и определения среднесуточного испарения был использован при расчетах водного баланса, диагностировании состояния общей бассейновой емкости бассейна и прогнозировании паводочного стока рек. Проведенные расчеты дали возможность существенно уточнить пространственную закономерность формирования и распределения элементов водного баланса на исследуемой территории.

5. На основе модели паводочного цикла МРБ была разработана методика прогноза максимальных паводочных расходов воды рек юга Приморского края. При высокой степени

гидрометеорологической изученности территории и хорошем качестве наблюдений параметры модели определялись по гидрометеорологическим данным. Параметры модели для неизученных водосборов рассчитывались по предложенным уравнениям регрессии, в зависимости от физико-географических и структурно-информационных характеристик бассейна. Балансовые составляющие определялись по выявленным региональным зависимостям. Методикой предусматриваются различные схемы расчета в зависимости от степени увлажненности бассейна и режима функционирования стока. Заблаговременность прогноза определяется временем добегания осадков до замыкающего створа и составляет 1 сутки.

Оценка точности результатов показывает высокую эффективность предложенной схемы прогноза. Методики, разработанные для 35 рек юга Приморского края, относятся к категории "хороших" и "удовлетворительных". Полученные результаты показывают универсальность предлагаемой модели и перспективность ее использования при разработке методов прогноза паводочного стока рек в данном регионе.

1. Maximum runoff calculaton peculiarities in the Far East // Тезисы международного симпозиума " Расчеты речного стока при проектировании". С-Петербург, 1995. (Соавтор -Гарцман Б.И.)

2. Особенности расчетов максимального стока на Дальнем Востоке. // География и природные ресурсы - 1996. - №4. ( Соавтор - Гарцман Б.И.)

3. Использование модели паводочного цикла малого речного бассейна для прогноза стока рек Приморья. // География и природные ресурсы -1997. - №4.

4. Оценка поверхностной составляющей паводочного стока рек юга Приморского края. // Современные методы географических исследований ( Материалы XII конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока). - Иркутск, 1997.

5. Использование структурно-информационных характеристик русловой сети при прогнозировании паводочного стока рек Дальневосточного региона.// Гидрология и геоморфология речных систем ( Материалы и тезисы научной конференции). - Иркутск, 1997.

6. The using of flood cycle model for river runoff calculation and forecasting in monsoon regions// Poster Session Volume of International Interdisciplinary Conferece. Headwater Control IV: Hydrology, Water Resources and Ecology in Headwaters. Meran/Merano, nothern (The Alps).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

- 1998.