Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Корреляционно-гидравлические модели и алгоритмы гидрометрического учета стока

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Корреляционно-гидравлические модели и алгоритмы гидрометрического учета стока"

На правах рукописи

УДК 556.16

Яковлева Татьяна Ивановна

Корреляционно-гидравлические модели и алгоритмы гидрометрического учета стока.

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в Государственном гидрологическом институте

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор И.Ф.Карасев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук А.Б.Клавен, кандидат технических наук Е.С.Субботина

Ведущая организация:

Северо-Западное УГМС

Защита диссертации состоится: 8 декабря 2005 г. в 15-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.197.02 при Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан «У-» ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного сове™ 7 - ''

кандидат технических наук

шъь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Речной сток представляет собой, с одной стороны, элемент режима рек, а с другой - является одним из основных видов водных ресурсов. При изучении закономерностей вод суши, планировании и контроле

усовершенствования методов и повышения точности учета речного стока. До настоящего времени основным документом, регламентирующим порядок и методику гидрометрического учета стока остается: "Наставление гидрометеорологическим станциям и постам, выпуск 6, часть III", подготовленное еще в 1958 году. В нем рассматривается более 20 способов учета стока, которые в большинстве своем ориентированы на ручную обработку результатов наблюдений и измерений с использованием сложных графических построений и схем, часто весьма противоречивых и не свободных от элементов субъективизма,. Эти приемы и методы учета стока трудно поддаются формализации и аналитическому представлению, что затрудняет их реализацию в современных компьютерных технологиях. В действующих наставлениях и руководствах недостаточно исследуется или вовсе игнорируется задача оценки точности и достоверности результатов изучения гидрологического режима и данных о водных ресурсах речных бассейнов и регионов.

Цель и задачи исследования.

Цель исследований заключалась в разработке моделей гидрометрического учета стока на последовательной гидравлико-статистической основе, которые поддавались бы представлению в виде математических алгоритмов и реализации в компьютерных технологиях, а также позволяли бы получить

использования водных ресурсов, возникает необходимость

расчетных данных.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать предшествующий опыт развития методических основ гидрометрического учета стока у нас в стране и за рубежом.

2. Создать единую методологическую основу режимного и оперативного учета стока для устранения существующего разрыва в практике их ведения.

3. Разработать модели гидрометрического учета стока, отражающие как частоту и точность измерений расходов воды, так и комплекс факторов, влияющих на пропускную способность речных русел.

4. Представить основные модели гидрометрического учета стока в виде алгоритмов, пригодных для реализации в компьютерных технологиях

5 Получить зависимости для объективного контроля и оценок погрешностей вычисления ежедневных расходов воды (ЕРВ).

Методика исследований и исходный материал.

В качестве методической основы использованы предшествующие исследования и последующие разработки лаборатории гидрометрии ГТИ по оперативному и режимному учету стока (Карасев И.Ф.,Скородумов Д.Е., Коплан-Дикс С.И., Шестакова P.A., Савельева A.B., Сибирякова НК., Попова Л.А.). При решении поставленных задач использовались методы линейного регрессионного анализа (Дж.Себер) и анализа временных рядов и процессов (М.Дж.Кендэл, А Стьюарт, И.И.Поляк). Расчеты для проверки эффективности разрабатываемых моделей и алгоритмов проводилась по программам, написанным автором на языках: фортран, турбо-паскаль, delphi; графические построения выполнены в программной среде «Excel».

Для проведения численных экспериментов использовались данные наблюдений и измерений на гидрологической сети Росгидромета и гидрометрических экспедиций ГГИ на реках Закавказья и Средней Азии.

Научная новизна и практическая значимость.

По сравнению с исследованиями, выполненными ранее, в настоящей работе получены принципиально новые результаты, а именно:

предложен новый метод аппроксимации кривой расходов и зависимостей элементов расхода (площади поперечного сечения и средней скорости течения) от уровня воды с заданием ограничивающих условий применительно к фазам водного режима;

обоснована методика определения тесноты связи расходов с уровнями воды и предложены критерии для оценки ее однозначности.

- впервые реализованы алгоритмы представления изменений пропускной способности русла при неоднозначных связях расходов и уровней воды в виде случайных временных рядов относительных отклонений измеренных расходов воды от уравнений регрессии расходов по уровням воды, на которые распространены методы анализа и аппроксимации случайных функций, в том числе методы интерполяции с использованием фильтров для сглаживания случайных погрешностей измерений;

разработана не имеющая прецедентов универсальная система гидрометрического учета стока при неоднозначных связях расходов и уровней воды, основанная на корреляционно-гидравлических методах интерпретации измеренных расходов воды (ИРВ), что обеспечивает реализацию компьютерной технологии ведения государственного водного кадастра;

предложены применительно ко всем алгоритмам расчетные зависимости для оценки погрешностей гидрометрического учета стока;

выполнена адаптация разработанных моделей и алгоритмов учета стока для варианта оперативного учета стока, в том числе в наиболее сложных случаях в легко-деформирующихся руслах с использованием метода оптимальной экстраполяции отклонений ИРВ от многолетней связи расходов от уровней воды; получены зависимости для оценки погрешностей получаемых при этом результатов;

Разработанные модели учета стока построены на единой гидравлико-статистической основе и представлены в виде алгоритмов, готовых для реализации в компьютерных технологиях По точности они не уступают

традиционным методикам учета стока и, в большинстве случаев, позволяют повысить надежность получаемых расчетных данных. Разработанные модели и алгоритмы предназначены для применения в автоматизированных технологиях обработки гидрологической информации по рекам и каналам в рамках ведения Государственного водного кадастра.

Апробация работы.

Эффективность использования предлагаемых алгоритмов и моделей проверена по материалам наблюдений в 60 гидрометрических створах с площадью водосбора от 65 до 2950000 км2, на реках, протекающих в различных физико-географических условиях. Материалы диссертации использованы при подготовке "Методических рекомендаций по оперативному учету стока рек с интенсивными деформациями русел (на примере р.Амударьи)" ( опытное внедрение - в Туркменском УГМС, 1985 г.) а также "Методических рекомендаций по учету и увязке стока рек с периодическими деформациями русла (на примере р.Куры)", 1988г. Оперативно-прогностическая модель учета стока в нижнем течении Дона принята к использованию в Северо-Кавказском УГМС. Результаты работы неоднократно докладывались на Ученом совете ГГИ, на различных конференциях и совещаниях. Основные материалы диссертации изложены в 10 публикациях.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка использованной литературы из 118 наименований, двух приложений, 32 таблиц, 43 рисунков. Общий объем работы составляет 184 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе выполнен критический обзор существующих методов I идрометрического учета стока и обосновывается необходимость разработки объективных аналитических моделей и алгоритмов учета стока с

использованием измеренных расходов воды и корреляционно-гидравлических характеристик пропускной способности русла.

При анализе применяемых на гидрологической сети России методов учета стока выделены следующие комплексы факторов, определяющих пропускную способность русла:

1. Сезонные изменения пропускной способности русла:

- свободные ото льда и растительности русла;

- ледовые явления в зимний и переходные периоды;

- зарастание русла в теплый период года.

2. Особенности руслового режима::

- устойчивые русла, подверженные лишь многолетним переформированиям;

- неустойчивые русла: периодически деформируемые под воздействием фазовых переформирований русла; легко деформируемые, подвергающиеся многократным сезонным переформированиям; блуждающие русла.

3. Изменения гидравлических условий:

- наличие переменного подпора;

- неустановившееся движение воды (волны попусков, паводочные петли). Во второй главе анализируются факторы, определяющие пропускную способность русла. Предложены основополагающие принципы построения моделей гидрометрического учета стока по данным измерений расходов и уровней воды на гидрологических постах.

Они основаны на следующих положениях.

1. По совокупности ИРВ устанавливается уравнение регрессии расходов по уровням воды (УР) (кривая расходов (КР)), которое принимается в качестве опорной характеристики пропускной способности русла.

2. Относительные отклонения измеренных расходов воды (ИРВ) от этой зависимости q (остатки регрессии) рассматриваются как случайные величины в случае, если зависимость однозначна, или как неслучайные, обусловленные влиянием различных факторов (деформации русла,

переменный подпор, нарушение стационарности движения потока, зарастание или ледообразование). В последнем случае отклонения должны быть учтены при расчете ЕРВ по УР.

Принципиальную важность приобретает задача корректной аппроксимации однозначной зависимости расходов от уровней воды, т.е. подбор аналитического выражения связи расходов (Q) и уровней воды (Я) Q(H), отражающего ее оптимальным образом. При этом рассматриваются следующие алгоритмы:

1. Парабола Глушкова:

Q(H) = a(H-H0f. (1)

Это выражение предложено для представления КР в начале прошлого века и используется как в нашей стране, так и за рубежом, в частности в СЩА. Многочисленные исследования показали, что парабола Глушкова не всегда пригодна для аппроксимации КР во всем диапазоне изменения уровня воды, а параметр Н0 (уровень нулевого расхода) оказывается таким же статистическим параметром, как а и Ь.

2. Полиномиальная зависимость в виде:

Q = а0 + а,Н + а2Н2+ + amIf, (2)

и ее варианты:

- с использованием взвешенного метода наименьших квадратов (МНК);

- с ограничениями.

Оценка параметров этого уравнения осуществляется обычно с использованием МНК, а качество аппроксимации оценивается средним квадратическим рассеянием кривой

0,4х--(3)

V п-р

где Qu - измеренный расход воды, QU{HU}- расход, вычисленный по УР для наблюденного при измерении уровня //„, п - количество, ИРВ, р - число степеней свободы уравнения (2).

Преимущество использования полиномиальной зависимости по сравнению с параболой Глушкова состоит в том, что она позволяет корректно аппроксимировать нижнюю часть КР, если минимизировать сумму квадратов не абсолютных, а относительных значений отклонений q. Это возможно при использовании процедуры метода взвешенных наименьших квадратов. В качестве весов и>, рекомендуется использовать значения обратно пропорциональные погрешностям измерения независимой переменной - расхода воды О,:

и>, = 1/о*о, . (4)

Относительное значение погрешности каждого измерения расходов воды аи_ в процедурном отношении оказалось целесообразным оценивать погрешностью измерения скорости течения V,, вносящей наибольший вклад в совокупную погрешность измерения расхода воды ад, Приближенно погрешность измерения скорости течения принимается равной инструментальной погрешности. Например, для вертушки с диаметром лопастного винта 120 мм, согласно ГОСТ, она равна

<т„= 0.015 + 0.002(5/К - 1). (5)

Теоретически наилучшими оценками параметров уравнения регрессии

0(Н) являются оценки, полученные методом взвешенных наименьших

квадратов. Однако неправомерно распространять эту оценку по всей

амплитуде изменения уровня. Большая часть измерений расходов воды

обычно приурочена к средней части амплитуды уровня Наименее

освещенными измерениями бывают высшие и низшие уровни воды.

Взвешенный метод наименьших квадратов позволяет увеличить вес расходов

воды, измеренных при низких уровнях, но при этом слишком уменьшается

вес максимальных расходов воды. Это приводит к тому, что для сложных

форм русел (например, при наличии широкой поймы) зависимость Г)(Н),

полученная взвешенным М1ПС, может значительно отклониться от точек

измерения, как это видно на рис.1. Для того чтобы получить

удовлетворительную аппроксимацию во всем диапазоне изменения

6000 о.

Н, м

Рис. 1 - Аппроксимация методом взвешенной полиномиальной регрессии,

р.Дон - х.Хованский, УРМ 1970-1974 гг. а) зависимость 0(11); б) график остатков взвешенной линейной регрессии д( Н), 1 -ИРВ,2-<Зрасч

уровней воды, предлагается использовать метод кусочно-полиномиальной регрессии и его частный случай - метод полиномиальной регрессии с ограничениями. При этом первоначально для аппроксимирующей функции задаются ограничения в точке низшего наблюденного уровня воды, т.е. априори должно быть установлено положение кривой в нижней части посредством графической или аналитической аппроксимации, выполненной только по данным ИРВ в нижнем диапазоне изменения уровней воды. Для оценки граничных значений рекомендуется привлекать и данные предшествующих лет.

Аппроксимирующая функция, удовлетворяющая заданным

ограничениям, представляется следующим образом:

<ХН)= ц(Н)+ У(Н)8(Н), (6)

где ц (Н) - полином, удовлетворяющий заданным ограничениям, V (Н)-зануляющий полином, гарантирующий выполнение заданных ограничений, §(Н) - полином, подбираемый методом наименьших квадратов. В порядке первого приближения первым двум полиномам придается вид:

ц(Н) = 0(Ннюш) = соп51; (7)

у((Н) = (Н-Ннизш). (8)

Подбор аналитической формы полинома ¿(11) производится на основе метода наименьших квадратов с учетом тех же критериев качества, которые описаны выше. При этом предварительно осуществляется следующее преобразование исходных данных об ИРВ

у — 9«, ~ «и»)

' Н — Н

ш иизш

Здесь ()„, - измеренный расход воды, Ни, - соответствующий ему уровень воды.

Такое преобразование позволяет снизить степень подбираемого по МПК многочлена. Очевидно, что при этом надежность оценок параметров УР, получаемых посредством МНК в значительной степени возрастает. После подбора полинома в(Н) расчетное уравнения для всего диапазона уровней воды приобретает вид:

<ХН) = 0(Ннизш) + (Н - Ннизш )(ао + а, Н + а2 Н2 + + аш Нт). (10)

Если оказывается, что полученное уравнение не удовлетворяет условию выпуклости связи 0(Н) в точке Нншш необходимо ввести еще одно ограничение - на значение первой производной. При соблюдении критериев качества вычислительная процедура на этом заканчивается. Однако известно, что для сложных форм поперечного сечения русла не всегда удается получить удовлетворительную аппроксимацию связи 0(11),

используя одно уравнение во всем диапазоне изменения уровня воды. Для выявления участков с неудовлетворительной аппроксимацией могут служить графики остатков регрессии (рис.2). Относительные остатки уравнения регрессии должны располагаться полосой, примерно равной ширины по всей амплитуде уровня воды (рис.2.а), симметрично относительно линии нулевого значения. Если же в каком-то диапазоне уровней воды поведение остатков приобретает систематический характер (например, все они оказываются одного знака (рис.2.б)), то это свидетельствует о неудовлетворительной аппроксимации связи 0(Н) в данном интервале уровней. Зависимость в виде (11), полученная на первом шаге аппроксимации, принимается для представления связи 0(Н) в том диапазоне, где ее можно считать удовлетворительной, а для других диапазонов выполняется процедура уточненной аппроксимации: назначается

б А

2 О - 2 -А - 6

Н.м

ч,%

15 Ю 5

О

-5 -10

<9

2 4 * 6 8 н.м

Рис.2 - График остатков регрессии д = Г(Н), р.Дон - х.Беляевский, 1971 г. а) регрессия с ограничениями; б) полиномиальная регрессия

верхняя граничная точка первого отрезка диапазона уровней, она же является нижней граничной для следующего интервала уровня воды. Граничные значения в этой точке определяются по УР, полученному для первого отрезка. Далее выполняется аппроксимация О(Н) по данным ИРВ вышерасположенного интервала уровней воды. Снова анализируется поведение остатков регрессии, и, при необходимости, выделяются новые отрезки для кусочной аппроксимации функции.

Использование кусочно-полиномиальной регрессии наиболее предпочтительно при получении многолетних зависимостей 0(Н), в чем можно убедиться на примере р.Дон - х.Хованский при получении УРМ (связь С>(Н) за многолетие) за 1970-1974 гг. Рассеяние связи 0(Н) после использования этого метода уменьшилось с 10,2% до 7,1%. Остатки кусочно-полиномиальной регрессии (рис.3) распределены равномерной симметричной полосой во всем диапазоне изменения уровня воды, в то время, как в полосе остатков простой полиномиальной регрессии отмечаются участки, с явно выраженной систематической составляющей.

4

7000 О, щр/С

Н, М

1-60-

Рис.З - Аппроксимация многолетней зависимости 0(11), р.Дон - х.Хованский, 1970-1974 гг. а) график 0(Н); б) график относительных остатков регрессии, 1 - кусочно-полиномиальнач регрессия, 2 простая полиномиальная регрессия, 3 - ИРВ.

Как уже отмечалось, КР или выполненная оптимальным образом ее аппроксимация отражают осредненные характеристики пропускной способности русла. Отклонения точек ИРВ от этой связи обусловлены, с одной стороны, случайными погрешностями измерения расходов воды, с другой - гидравлическими и морфологическими факторами. Характеристиками изменчивости пропускной способности русла служат относительные отклонения ИРВ от связи С)(Н) (относительные остатки регрессии):

, ' (11) е(я„)

Здесь Qu- измеренный расход воды, ()(Ни) - расход воды, полученный по УР для уровня воды (Нц), наблюденного при измерении расхода воды.

Характер связи расходов и уровней воды, а именно: ее однозначность или неоднозначность оценивается на основе сопоставления дисперсии относительных остатков регрессии с дисперсией случайной погрешности измерения расходов воды с использованием критерия Фишера F и проверки рядов относительных остатков регрессии на случайность по критерию знаков.

Связь (?(Н) признается однозначной, если значение параметра Фишера ^ не превышает критического значения при заданном уровне значимости

Р = (12)

в.

где Оч - дисперсия относительных отклонений д, сТи - дисперсия относительных погрешностей измерения расходов воды.

Для проверки рядов относительных остатков регрессии на случайность используется непараметрический критерий знаков.

Если СКН) признана однозначной, это означает, что ее аппроксимация выполнена оптимальным образом, а разброс точек ИРВ относительно осредняющей кривой обусловлен только случайными погрешностями

измерения расходов воды. В таком случае аппроксимация связи С>(Н) обеспечивает статистическое сглаживание погрешностей ИРВ и вычисление расходов воды осуществляется непосредственно по зависимости (ХН). В этой же главе приводятся примеры вычисления ЕРВ при наличии годовой и многолетней зависимостей СКН), рассматривается вопрос экстраполяции расходов воды за пределы диапазона их измерения с использованием алгоритма кусочно-полиномиальной аппроксимации.

Аналитическое представление связи (ХН) позволяет получить приближенные оценки погрешностей вычисления ЕРВ в зависимости от количества измеренных расходов воды (п) и относительного расхода воды <3/<3ср (рис.4). Здесь <3ср - средний по совокупности ИРВ расход воды.

Рисунок 4 - Зависимость относительных погрешностей вычисления ЕРВ от числа ИРВ(п) и относительного расхода воды С>/()ср.

Четвертая глава - центральная. В ней приводится модели режимного учета стока при изменяющихся гидравлических условиях и деформациях русла. Корреляционно-гидравлические основы этих моделей разработаны в отделе гидрометрии ГГИ (И.Ф.Карасев). В настоящей работе они получили дальнейшее развитие. Им придан универсальный характер, облегчающий реализацию на ЭВМ.

При нарушении критерия однозначности (12) или не случайности группировки последовательности <7,, установленной в соответствии с критерием знаков, кривую 0(11) или УР следует считать неоднозначными, дающими лишь первое приближение для НРВ. Для их уточнения на основе каждого измеренного расхода воды определяются относительные отклонения Ци, которые рассматриваются в качестве поправок к расходам воды,

подлежащих интерполяции на интервал между измерениями. Полученная при этом хронологическая последовательность поправок используется для уточнения ЕРВ

(2ер=0ур(1+?,). (13)

Именно метод интерполяции отклонений 6(Щ создает отличительные

особенности моделей гидрометрического учета стока. Хронологическая последовательность отклонений $(1) может рассматриваться как случайный квазистационарный процесс. Его статистическими характеристиками служат: математическое ожидание, дисперсия, и автокорреляционная функция. Эти характеристики получают на основе учащенных измерений расходов воды, выполненных в течение фазово-однородных периодов: половодья, межени, ледостава и т.п. Хронологические графики отклонений, отражающие изменение характеристик пропускной способности русла во времени, как правило, имеют циклический (квазициклический) характер, образуя полные реализации цикла за период наблюдений Тн> и могут быть приближенно аппроксимировано периодической функцией - косинусоидой. Например, для петлеобразной зависимости 0(Н) хронологический ход с}{1) может быть представлен полной косинусоидой (рис.5а):

д (т) = асо.?(2тп/Тн + ф), (14)

где а - осредненные по модулю наибольшие значения с/: а = | ц тах |, Тк -продолжительность периода, в течение которою связь 0(11) остается неоднозначной, ф - фаза (для графика на рис.5 ф =37г/2)). При доминирующем

влиянии русловых деформаций на режим движения потока с одновременным эффектом неустановившегося движения, наблюдающемся на р.Амударье, которая отличается крайней неустойчивостью своего ложа, хронологическая последовательность отклонений ц образует квазициклы с периодом 20-60 суток и наибольшими значениями I д тах | до 15+30% (рис. 5а). В зимний и переходный периоды, а также во время зарастания отклонения во времени отображаются одной волной косинусоиды (16) с фазой ф =тс/2 и периодом Т„ = 2Т0, где Т0 - продолжительность ледостава (зарастания) (рис.5б).

л

1 «" 1 . 1 . 1 . » II

1 — т

• • 4 « • • • *

Рис.5 - Хронологические графики относительных отклонений д и их гармоническая аппроксимация, а) открытые русла: 1 - р.Волга -г.Камышин (1935), а = 0,09, ф = 37г/2, 2- р.Амударья -.Керки (1970), а = 0,14, ф = 0; б) ледостав: р.Волга-г.Камышин (1970 г.).

Нормированная автокорреляционная функция (АКФ) при принятом представлении изменений ц(1) выражается также косинусоидой

ф) = соб (2я/Т„ )т.. (15)

Здесь т - параметр сдвига в долях Тн. Как видим, АКФ выражается функцией того же вида, что и сам случайный процесс; этим открывается возможность

ее определение без проведения специальных учащенных измерений.

Изложенные предпосылки позволили синтезировать универсальную модель гидрометрического учета стока, применимую как в режимном, так и в оперативном вариантах учета стока. При этом для статистической интерпретации изменения характеристик пропускной способности русла могут быть использованы известные методы пространственно-временного разрешения случайных полей и процессов, в частности, оптимальная интерполяция и экстраполяция элементов При использовании метода оптимальной интерполяции значение на любую дату в интервале между измерениями представляется в виде суммы взвешенных результатов измерений

I I

1=1 1=1

здесь р, - весовые коэффициенты метода оптимальной интерполяции, тч -математическое ожидание элементов д,. Значения р„ вычисляются с учетом степени коррелированности и меры погрешности результатов измерений (в нашем случае (¡¡щ) Тем самым обеспечивается наилучшее (оптимальное)

приближение к искомой величине

Для вычисления поправок с/, в интервалах между измерениями использовался так же метод линейной интерполяции, но не исходного, а предварительно выровненного (сглаженного) временного ряда §(1). Выравнивание позволяет отсеять составляющую ряда обусловленную случайной погрешностью измерения расходов воды: оно выполняется на основе скользящего представления его элементов уравнением.

§а) = ао+а,1, (17)

где I - временная координата..

В разделах четвертой главы приведены примеры реализация предложенной универсальной модели на гидрологических постах с неоднозначной зависимостью расходов от уровней воды, обусловленной

различными факторами: наличием паводочной петли, деформациями русла, переменным подпором, присутствием в русле растительности или ледовых образований.

В численных экспериментах проверялись оба варианта сглаживания и интерполяции отклонений д, В большинстве случаев результаты вычисления ЕРВ оказались очень близки: расхождения не превышают 2%, расхождения вычисленных по методике ЕРВ с данными, помещаемыми в ЕДС Г'ВК, не превышают 2-3 %.

Предлагаемая методика использовалась для вычисления ЕРВ при анализе невязок стока на участке нижнего течения Дона, что позволило выявить периоды, когда использование традиционных методов учета стока приводило к значительным систематическим погрешностям вычисления ЕРВ (до 10%).

В диссертационной работе на примерах показано, что универсальная модель существенно повышает надежность гидрометрического учета стока. Она легко может быть реализована в компьютерных технологиях, обеспечивает не только вычисление ЕРВ, но и корректную оценку их погрешностей ЕРВ. В работе приведены формулы для оценки погрешностей вычисления ЕРВ при использовании различных способов интерполяции элементов ряда 9(1).

Пятая, заключительная глава, посвящена оперативному варианту гидрометрического учета стока. Как известно, существует два варианта учета стока: режимный и оперативный: режимный - для определения водных ресурсов и изучения гидрологического режима рек; оперативный - для текущего контроля водности рек при гидролого-прогностическом обслуживании народного хозяйства. В практике УГМС оперативный учет стока ведется с использованием данных прошлых лет при недостаточно обоснованных во многом субъективных подходах, что приводит к несопоставимым расхождениям получаемых данных с ЕРВ, вычисленными в режимном варианте по истечении расчетного периода. Предлагаемые нами

модели гидрометрического учета стока опираются на методическую основу, являющуюся единой для вариантов режимного и оперативного стока.

Наиболее сложна задача оперативного учета стока при неоднозначных зависимостях расходов от уровней воды. В этом случае временной ряд отклонений <?(0 должен быть тем или иным способом экстраполироваться в интервале от состоявшегося до очередного измерения расхода воды. Очевидно, что для получения оперативных данных о стоке, приходится опираться на данные прошлых лет. За основу оперативного учета стока рекомендуется принимать УРМ в случаях, когда в течение последних лет не происходило существенных изменений русла и режима реки, или УР, полученное по данным ИРВ одного-двух последних лет, если такие изменения прослеживались.. Об изменениях, происходящих в русле реки, можно судить на основе анализа положения годовых кривых расходов на графике 0(Н) и изменения средних отметок дна в исследуемом гидрометрическом створе. Экстраполяцию рядов относительных отклонений ¿¡0) рекомендуется выполнять с использованием формул оптимальной экстраполяции (17) или экстраполяции на период расчета последнего элемента ряда отклонений, выровненного при использовании формулы (18).

В диссертационной работе приведены результаты применения разработанной методики оперативного учета стока на примерах гидрологических постов (ГП) на реках Егорлык - Н.Егорлык, Дон -Раздорская, Северский Донец - Белая Калитва. Особый методический интерес представляет последний. Неоднозначность связи 0(Н) в этом створе обусловлена наличием переменного подпора от реки Калитва, впадающей в 1 км ниже гидрологического поста, а также влиянием плотин гидроузлов № 4 и № 5, расположенных соответственно в 34 км ниже и в 7 км выше ГП.. За основу учета стока принято уравнение, включающее в качестве переменных уровни по ГП Белая Калитва, ГП Погорелов на р.Калитва и разность уровней в бьефах гидроузлов № 4 и № 5.

На рис.6 представлены гидрографы р.Северский Донец - ГП Белая Калитва за период половодья 1991 г., полученные в режимном и оперативном вариантах по предлагаемой модели и данным гидрологического ежегодника. Плотины гидроузлов были подняты в 1991 г 6 апреля, чему соответствует значение I, равное 35 дню от начала расчета. Можно видеть, что данные, полученные по двум вариантам аналитической методики (режимному и оперативному) очень близки. Их среднее квадратическое расхождение за период расчета составило 5%. Оба варианта расчета существенно отличаются (до 30%) от данных ЕДС во второй декаде апреля. Различия объясняются тем, что для ЕДС ЕРВ вычислены посредством интерполяции между данными измерений, предлагаемая же методика позволяет учесть изменения уровней воды на ГП и в бьефах гидроузлов.

Рисунок 6 - Гидрограф р.Сев.Донец - г.Б.Калитва (03.03-20.04.1991 г.) 1 - данные ЕДС ГВК, 2 - режимные, 3 - оперативные ЕРВ, вычисленные по моделям, 4 - измеренные расходы воды.

Уточненные данные были использованы нами при расчете русловых водных балансов (РВБ) Нижнего Дона. Во 2-й декаде апреля 1991г. невязка

РВБ при использовании уточненных данных снизилась на 20 % (оперативные значения ЕРВ по ГП Белая Калитва учитываются при составлении краткосрочного прогноза расходов воды по ГП р.Дон - ст.Раздорская и были использованы нами при разработке оперативно-прогностической модели учета стока в этом створе).

В разделах 5.2 и 5.3 рассматривается модель оперативного учета стока с использованием способа оптимальной экстраполяции рядов относительных отклонений измеренных расходов воды в наиболее сложных условиях -легкодеформирующихся руслах на примере р.Амударьи. В основу модели положены те же методические подходы, с учетом того, что сложный русловой и водный режим реки требует более детальных оценок характеристик изменения пропускной способности русла, так как в условиях исключительной неустойчивости русла этой реки закономерности изменения элементов ¡¡{I) не остаются одинаковыми. В хронологической последовательности отклонений г], за гидрологический год выделяются, как правило, две совокупности с различными статистическими характеристиками. Одна из них представляет собой последовательность наблюдающуюся в паводочный период (май-август), при положении уровней воды выше верхнего критического уровня (Н >Нкрв), другая соответствует осенне-зимнему меженному периоду (октябрь-март) при II < Нкр „.. Для каждой из этих совокупностей вычисляются статистические характеристики случайного процесса которые затем используются для вычисления

весовых коэффициентов в формулах оптимальной экстраполяции. В разделе приводятся результаты проверки эффективности применения модели. Они обеспечивают сокращение погрешностей ЕРВ в 1,5-2 раза. Рекомендована оптимальная частота измерений расходов воды для различных фаз режима.

В разделе 5.4 представлена оперативно-прогностическая модель учета стока для равнинных рек с относительно устойчивым руслом на примере участка Нижнего Дона, (от Цимлянского гидроузла до ст.Раздорская). Здесь важное значение имеют краткосрочные прогнозы расходов воды. На их

22

основе задается режим регулирования в бьефах гидротехнических узлов, обеспечивающий поддержание судоходных глубин в течение всего навигационного периода. При разработке модели краткосрочного прогноза ЕРВ для замыкающего створа р.Дон - Раздорская учтены особенности формирования и перемещения волны весеннего половодья в низовьях Дона. Предложенная расчетная схема учитывает расходы воды на верхних ГП, время добегания от которых составляет примерно 3 сут, неучтенный приток, сформировавшийся ниже этих ГП и регулирующее влияние ГУ, расположенных в русле.

Обмеучт ~~ Оггу. (18)

Здесь О^роз I - прогноз расхода воды на ГП Раздорская на дату I, -расчетное значение расхода полученное по уравнению регрессии

й*, =61,6+0,398Еев1(,_3) +0,5720,„„,.„,) , (19)

где ЩВф.}), Орш I - соответственно сумма расходов в верхних створах и на ГП Раздорская на дату выпуска прогноза (1-3). ()б неучт - неучтенный боковой приток, который рассчитывается с использованием эмпирической формулы, (2р1у - поправка на регулирующее влияние гидроузлов.

Апробации методики в Северо-Кавказском УГМС показала, что ее использование позволяет снизить относительные погрешности прогноза (а,,) до 4,4-13,8%, что на 3-14 % меньше погрешности, получаемой по схеме расчета, применявшейся в УГМС.

В заключении сформулированы основные выводы выполненных исследований.

1. Из критического анализа исторически сложившихся методик гидрометрического учета стока вытекает вывод о необходимости преодоления неоправданной множественности и элементов субъективизма, используемых графических операций и подходов, не отвечающих требованиям современных компьютерных технологий ведения государственного водного кадастра.

2. В качестве объективной предпосылки для выбора оптимальной методики учета стока обоснована необходимость предварительного анализа характера связи расходов и уровней воды, который включает: проверку ее однозначности в соответствии со статистической оценкой отношения дисперсии остатков регрессии к дисперсии случайной погрешности измерения расходов воды по критерию Фишера, затем проверку рядов относительных остатков регрессии на случайность по критерию знаков.

3. Указаны принципиально важные особенности: оперативного и режимного учета стока и реализовано их выполнение на единой методической основе. Этим преодолевается существующий в настоящее время разрыв в методиках учета стока, используемых при ведении водного кадастра и в оперативно-прогностической практике.

4. Показана необходимость корректной аппроксимации однозначной зависимости расходов от уровней воды и рекомендованы алгоритмы решения этой задачи, обеспечивающие надежную оценку ЕРВ во всем диапазоне изменения уровня воды, в том числе в фазы межени и паводка. Для этого применяются методы кусочно-полиномиальной регрессии и гидравлически обоснованные приемы экстраполяции расходов воды за пределы диапазона их измерения.

5. В предлагаемых методиках и алгоритмах гидрометрического учета стока при неоднозначных зависимостях расходов воды от уровней отражено влияние изменений пропускной способности русла из-за нестационарности потока, переменного подпора, периодических и интенсивных деформаций русла, зарастания летом и ледовых образований зимой. Несмотря на различие этих гидравлико-морфологических факторов, вызываемые ими изменения пропускной способности русла оцениваются на универсальной основе, которая включает: осредненную зависимость расходов от уровней воды и ряды относительных отклонений от нее ИРВ, представляемые в виде квазистационарных случайных процессов. На основе использования теории случайных функций для подобной интерпретации гидрометрических данных

синтезирована универсальная модель учета стока, ориентированная на компьютерную технологию ведения ГВК.

6. Показаны и представлены в виде алгоритмов варианты оперативного учета стока. На примерах продемонстрированы преимущества предлагаемых моделей по сравнению с традиционными во многом формальными и субъективными подходами.

7. На основе последовательного использования корреляционно-гидравлических характеристик пропускной способности русла в сочетании с корректной статистической интерпретацией гидрометрических данных для всех предлагаемых алгоритмов получены зависимости, позволяющие оценивать погрешности гидрометрического учета стока.

8. Предлагаемые методики режимного и оперативного учета стока представлены в алгоритмической форме, отвечающей требованиям компьютерных технологий ведения ГВК.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Методические рекомендации по уче1у и увязке стока рек с периодическими деформациями русла (на примере р.Куры). - Л.: Гидрометеоиздат, 1988 -65 с.

2. Зажимаров С.А., Яковлева Т.Н.. Расчет оперативных водных балансов для оптимизации управления ВХК на примере реки Маныч. Труды VI Всероссийского гидрологического съезда, (в печати).

3. Карасев И.Ф., Яковлева ТИ., Усовершенствованные методы гидрометрического учета стока. Труды VI Всероссийского гидрологического съезда, (в печати).

4. Карасев И Ф., Яковлева Т.И. Эксграиоляционно-аналитический метод оперативного учета стока рек с неустойчивым руслом (на примере р.Амударьи) - Труды ГГИ, 1988, вып.325, с. 19-30.

5. Карасев И.Ф., Яковлева Т.И. Методы оценки погрешностей гидрометрического учета речного стока. - Метеорология и гидрология, 2001, №6, с.96-106.

6. Савельева А.В., Яковлева Т.И. Расчет берегового регулирования как элемента руслового водного баланса на примере р.Амударьи. -Метеорология и гидрология, 1994, № 2, с. 109-115.

7. Яковлева Т.И. Оценка изменчивости пропускной способности русла на основе модели "сигнал плюс шум". - Вопросы гидрологии суши, Доклады молодых ученых и специалистов, 1991.-е. 209 -214.

8. Яковлева Т.И. Усовершенствование и адаптация моделей гидрометрического учета стока при неоднозначных зависимостях расходов от уровней воды. -Сборник работ по гидрологии ГГИ, 2003, № 26, с.58-69.

9. Яковлева Т.И. Оценка точности оперативного учета стока и оптимизация частоты измерения расходов воды в гидрометрических створах реки Амударьи. - Труды ГГИ, вып.328,1987, с.34-42.

10. Яковлева Т.И., Зажимаров С.А. Оперативно-прогностические модели учета стока на гидрологическом посту р.Дон-ст.Раздорская, ТТИ - Санкт-Петербург, 1994, Деп. в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД, 11с.:

(*

Подписано в печать 01.11.05 Сдано в набор 02 11 05 Заказ №02-11Р Тираж 100 экз Адрес Санкт-Петербург, ул Восстания, 6 тел (812) 579-08-91 (812) 579-38-50

Отпечатано в мини-типографии «Знак» Печать ризографическая ПЛД №69-320 от 10 12.98

!ß2 1 3 9§

РНБ Русский фонд

2006-4 20139

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Яковлева, Татьяна Ивановна

Введение

1 Современное состояние и проблемы гидрометрического учета стока рек.

1.1 Краткий очерк развития методических основ учета стока

1.2 Задачи усовершенствования методов гидрометрического учета стока 8 применительно к компьютерной технологии обработки данных.

2 Методические основы гидрометрического учета стока

2.1 Пропускная способность русла и определяющие ее факторы.

2.2 Уравнение регрессии расходов по уровням воды как основа математических моделей учета стока

2.3 Аналитическое представление и статистическая оценка связи расходов и уровней воды.

2.4 Анализ характеристик изменения пропускной способности русла и оценка однозначности зависимости расходов от уровней воды.

2.5 Учет стока в режимном и оперативном вариантах.

3 Учет стока при однозначных зависимостях расходов от уровней воды.

3.1 Выбор оптимального варианта аналитической аппроксимации связи расходов от уровней воды.

3.2 Многолетние," годовые и сезонные связи расходов и уровней воды и их использование для учета стока.

3.3 Оценка погрешностей гидрометрического учета стока на основе однозначных зависимостей расходов от уровней воды.

4 Универсальные модели учета стока при изменяющихся гидравлических условиях и деформациях русла.

4.1 Корреляционно-гидравлические характеристики пропускной способности русла и способы их интерполяции и экстраполяции

4.2 Неустановившееся движение потока при паводках и половодьях на реках.

4.3 Ограниченные деформации русла 97 4.4. Легко деформирующиеся русла.

4.5 Зарегулированные русла и переменный подпор

4.6. Зарастание.

4.7. Ледостав и ледообразование. 121 4.8.Оценка погрешностей учета стока при неоднозначных зависимостях расходов от уровней воды. 125 4.9. Погрешности определения осредненных характеристик стока.

5 Оперативно- прогностический учет речного стока.

5.1. Оперативный учет стока при ограниченных деформациях русла и переменном подпоре.

5.2. Модели оперативного учета стока в легко деформируемых руслах и оценка эффективности их применения на примере р.Амударьи

5.3 Оценка погрешностей оперативного учета стока при использовании метода оптимальной экстраполяции ряда относительных отклонений q( t).

5.4. Оперативно-прогностическая модель учета стока в нижнем течении Дона.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Корреляционно-гидравлические модели и алгоритмы гидрометрического учета стока"

•А.

Речной сток представляет собой, с одной стороны, элемент режима рек, а с другой -является одним из важных видов водных ресурсов. Как при изучении закономерностей вод суши, так и при планировании и контроле использования водных ресурсов, возникает необходимость усовершенствования методов и повышения точности учета речного стока.

Актуальность темы. До настоящего времени основным документом, регламентирующим порядок и методику гидрометрического учета стока остается: "Наставление гидрометеорологическим станциям и постам, выпуск 6, часть III", подготовленное еще в 1958 году и с тех пор не подвергавшееся развитию и переработке. В нем рассматривается более 20 способов учета стока, которые в большинстве своем ориентированы на ручную обработку результатов наблюдений и измерений с использованием сложных графических построений и схем, часто весьма противоречивых и не свободных от элементов субъективизма,. Существующие приемы и методы учета стока трудно поддаются формализации и аналитическому представлению, что затрудняет их реализацию в современных компьютерных технологиях. В действующих наставлениях и руководствах недостаточно исследуется или вовсе игнорируется задача оценки точности получаемых данных о стоке. Между тем без этих оценок снижается достоверность результатов изучения гидрологического режима и данных о водных ресурсах речных бассейнов и регионов.

Цель работы. Цель исследований заключалась в разработке моделей гидрометрического учета стока на последовательной гидравлико-статистической основе, которые поддавались бы- представлению - в - виде математических алгоритмов - и - реализации - в - компьютерных технологиях, а также позволяли бы получить зависимости для оценки погрешностей расчетных данных.

В качестве методической основы использованы предшествующие исследования и последующие разработки лаборатории гидрометрии ГГИ по оперативному и режимному учету стока (Карасев И.Ф.,Скородумов Д.Е., Коплан-Дикс С.И., Шестакова Р.А., Савельева А.В., Сибирякова Н.К., Попова J1.A.). При решении поставленных задач использовались методы линейного регрессионного анализа (Дж.Себер) и анализа временных рядов и процессов (М.Дж.Кендэл, А.Стьюарт, И.И.Поляк). Расчеты для проверки эффективности разрабатываемых моделей и алгоритмов проводилась по программам, написанным автором на языках: фортран, турбо-паскаль, делфи; графические построения выполнены в программной среде «Excel».

Научная новизна. По сравнению с исследованиями, выполненными ранее, в настоящей работе получены принципиально новые результаты, а именно: предложен новый метод аппроксимации кривой расходов и зависимостей эле-^ ментов расхода (площади поперечного сечения и средней скорости течения) от уровня воды с заданием ограничивающих условий применительно к фазам водного режима;

- обоснована методика определения тесноты связи расходов с уровнями воды и предложены критерии для оценки ее однозначности. впервые реализованы алгоритмы представления изменений пропускной способности русла при неоднозначных связях расходов и уровней воды в виде случайных временных рядов относительных отклонений измеренных расходов воды от уравнений регрессии расходов по уровням воды, на которые распространены методы анализа и аппроксимации случайных функций, в том числе методы интерполяции с использованием фильтров для сглаживания случайных погрешностей измерений; разработана не имеющая прецедентов универсальная система гидрометрического учета стока при неоднозначных связях расходов и уровней воды, основанная на корреляционно-гидравлических методах интерпретации измеренных расходов воды (ИРВ), что обеспечивает реализацию компьютерной технологии ведения государственного водного кадастра; предложены применительно ко всем алгоритмам расчетные зависимости для оценки погрешностей гидрометрического учета стока; выполнена адаптация разработанных моделей и алгоритмов учета стока для варианта оперативного учета стока, в-том числе в наиболее сложных случаях в легко-деформирующихся руслах с использованием метода оптимальной экстраполяции отклонений ИРВ от многолетней связи расходов от уровней воды; получены зависимости для оценки погрешностей получаемых при этом результатов; определены оптимальные интервалы дискретности измерений расходов воды в различные фазы режима реки на основе анализа данных ИРВ и оценок погрешностей учета стока.

Разработанные модели учета стока построены на единой гидравлико-статистической основе и представлены в виде алгоритмов, готовых для реализации в компьютерных технологиях. По точности они не уступают традиционным методикам учета стока и, в большинстве случаев, позволяют повысить надежность получаемых расчетных данных. Разработанные модели и алгоритмы предназначены для применения в автоматизированных технологиях обработки гидрологической информации по рекам л и каналам в рамках ведения Государственного водного кадастра.

Диссертация состоит из пяти глав, введения и заключения.

В первой главе выполнен критический обзор существующих методов гидрометрического учета стока и обосновывается необходимость разработки объективных аналитических моделей и алгоритмов учета стока с использованием гидравлических и корреляционно-статистических характеристик пропускной способности русла.

Во второй главе анализируются основные факторы, определяющие пропускную способность русла. Приводятся способы аналитической аппроксимации зависимостей расходов от уровней воды и методика оценки их однозначности. Предложены основополагающие принципы построения моделей гидрометрического учета стока по данным измерений расходов и уровней воды на гидрологических постах. В рядах измеренных расходов воды выделяются две составляющие: первая - детерминированная, которая определяется на основе связи расходов и уровней воды; вторая - случайная, представленная относительными отклонениями измеренных расходов воды от осредняющей связи и отражающая погрешности измерения и изменчивость пропускной способности русла под влиянием различных гидравлико-морфологических факторов.

В третьей главе даются рекомендации по выбору оптимальной аппроксимации связи Q(H), излагаются предварительные соображения по аттестации алгоритмов учета стока. Рассматриваются вопросы учета стока и оценки его погрешностей при наличии однозначной связи расходов и уровней воды.

Четвертая глава - центральная.~В ней приводятся-универсальные модели режимного учета стока при изменяющихся гидравлических условиях и деформациях русла. Излагается единый подход к учету стока при нарушении однозначности связи Q(H). Рассмотрены различные способы сглаживания случайных погрешностей измеренных расходов воды и интерполяции их относительных отклонений от осредняющей связи Q(H) в интервалах между измерениями расходов воды. Различные алгоритмы учета стока демонстрируются на конкретных примерах для условий неустановившегося движения (паводочная петля), русел с ограниченными и значительными деформациями, при переменном подпоре, в условиях ледообразования и зарастания. Приводятся результаты сравнения данных, полученных по моделям с вычисленными при составлении гидрологических ежегодников. Предлагается методика оценки погрешностей учета стока при неоднозначных зависимостях расходов от уровней воды.

Пятая, заключительная глава, посвящена вопросам гидрометрического учета стока в оперативном варианте. Во втором разделе рассматривается методика оперативного учета стока в гидрометрических створах р.Амударьи с использованием способа опти-л мальной экстраполяции рядов относительных отклонений измеренных расходов воды.

Оценивается точность оперативного учета стока и оптимальная частота измерений расходов воды для различных фаз режима. В третьем разделе главы 5 дана оперативно-прогностическая методика учета стока для зарегулированного участка Нижнего Дона. Приводятся результаты ее апробации в Северо-Кавказском УГМС.

Практическая ценность. Разработанные модели учета стока имеют единую гидрав-лико-статистическую основу, представлены в виде алгоритмов для реализации в компьютерных технологиях; как показано на примерах, они не уступают по точности традиционным методикам учета стока, а в большинстве случаев позволяют существенно повысить надежность получаемых расчетных данных.

Апробация работы и публикации. Эффективность использования предлагаемых алгоритмов и моделей проверена по материалам наблюдений в 60 гидрометрических створах с площадью водосбора от 65 до 2950000 км2 на реках, протекающих в различных физико-географических условиях. Материалы диссертации использованы при подготовке "Методических рекомендаций по оперативному учету стока рек с интенсивными деформациями русел (на примере р.Амударьи)" (1985г.), опытное внедрение которых осуществлено в Туркменском УГМС. Раздел, посвященный аппроксимации кривых расходов с заданием ограничений, включен в "Методические рекомендации по учету и увязке стока рек с периодическими деформациями русла (на примере р.Куры)", 1988г. Оперативно-прогностическая модель учета стока в нижнем течении Дона принята к использованию в Северо-Кавказском-УГМС.

Результаты работы неоднократно докладывались на Ученом совете ГГИ, на различных конференциях и совещаниях. Основные материалы диссертации изложены в 10 публикациях.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Яковлева, Татьяна Ивановна

1. Из критического анализа исторически сложившихся методик гидрометрического

учета стока вытекает вывод о необходимости преодоления неоправданной

множественности и элементов субъективизма, используемых графических операций и

подходов, не отвечающих требованиям современных компьютерных технологий ведения

государственного водного кадастра. 2. В качестве объективной предпосылки для выбора оптимальной методики учета

стока обоснована необходимость предварительного анализа характера связи расходов и

уровней воды, который включает: проверку ее однозначности в соответствии со

статистической оценкой отношения дисперсии остатков регрессии к дисперсии

случайной погрешности измерения расходов воды по критерию Фишера, затем проверку

рядов относительных остатков регрессии на случайность по критерию знаков. 3. Указаны принципиально важные особенности: оперативного и режимного учета

стока и реализовано их выполнение на единой методической основе. Этим

преодолевается существующий в настоящее время разрыв в методиках учета стока,

используемых при ведении водного кадастра и в оперативно-прогностической практике. 4. Показана необходимость корректной аппроксимации однозначной зависимости

расходов от уровней воды и рекомендованы алгоритмы решения этой задачи,

обеспечивающие надежную оценку ЕРВ во всем диапазоне изменения уровня воды, в том

числе в фазы межени и паводка. Для этого применяются методы кусочно-полиномиальной

регрессии_ и_ гидравлически обоснованные приемы экстраполяции расходов воды за

пределы диапазона их измерения. 5. В предлагаемых методиках и алгоритмах гидрометрического учета стока при

неоднозначных зависимостях расходов воды от уровней отражено влияние изменений

пропускной способности русла из-за нестационарности потока, переменного подпора,

периодических и интенсивных деформаций русла, зарастания летом и ледовых

образований зимой. Несмотря на различие этих гидравлико-морфологических факторов,

вызываемые ими изменения пропускной способности русла оценивается на

универсальной основе, которая включает: осредненную зависимость расходов от уровней

воды и ряды относительных отклонений от нее ИРВ, представляемые в виде

квазистационарных случайных процессов. На основе использования теории случайных

функций для подобной интерпретации гидрометрических данных синтезирована

универсальная модель учета стока, ориентированная на компьютерную технологию

ведения ГВК.

6. Показаны и представлены в виде алгоритмов варианты оперативного учета стока. На примерах продемонстрированы преимущества предлагаемых моделей по сравнению с

традиционными во многом формальными и субъективными подходами. 7. На основе последовательного использования корреляционно- гидравлических

характеристик пропускной способности русла в сочетании с корректной статистической

• интерпретацией гидрометрических данных для всех предлагаемых алгоритмов получены

зависимости, позволяющие оценивать погрешности гидрометрического учета стока. 8. Предлагаемые методики режимного и оперативного учета стока представлены в

алгоритмической форме, отвечающей требованиям компьютерных технологий ведения

9. Результаты выполненных исследований могут быть использованы для разработки

принципов метрологической аттестации методов гидрометрического учета стока и

оптимизации измерений расходов воды по критериям повышения точности данных ГВК.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Яковлева, Татьяна Ивановна, Санкт-Петербург

1. Алексеев Г.А. Объективные методы выравнивания и нормализации корреляционных связей. -Л., Гидрометеоиздат, 1971, 364 с.

2. Алексеев Г.А. Методы оценки случайных погрешностей гидрометеорологической информации. Л., Гидрометеоиздат, 1975, 96с.

3. Апполов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. Л., Гидрометеоиздат, 1974,419 с.

4. Бернадский Н.М. Построение кривой расходов по элементам паводка.- Вестник ирригации, 1928, № 10.

5. Бураков Д.А. К оценке параметров линейных моделей стока. Метеорология и гидрология, 1983, № 10, с.89-95.

6. Вагер Б.Г., Серков Н.К. Сплайны при решении прикладных задач метеорологии и гидрологии.- Л.: Гидрометиздат, 1987. 160 с.

7. Векшина Т.В., Зажимаров С.А. Усовершенствованная модель гидрометрического учета стока зарастающих рек. Сборник работ по гидрологии ГГИ, 2004 г. с.3-9

8. Великанов М.А. Ошибки измерения и эмпирические зависимости. Л. Гидрометеоиздат, 1962, 302 с.

9. Гаврин Ю.С. О вычислении ежедневных расходов воды с применением ЭВМ. Труды ГГИ, вып.202,1973, с. 131-135.

10. Гандин Л.С., Каган Р.Л. Статистические методы интерпретации метеорологических данных. -Л.:Гидрометеоиздат, 1976. с. 360.

11. Гончаров В.В. Точность и пути усовершенствования измерения расходов воды на реках с неустойчивым руслом. Труды ГГИ, 1978, вып. 256, с. 117-123

12. Грановский В.А.,Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях Энергоатомиздат - Л. 1990г.,288с.

13. Глубокое В.Н., Нагорнов В.А., Титов Ю.М. О подсчете ежедневных расходов воды по опорным кривым расходов. В кн.:Горно-таежные зоны Сибири и Дальнего Востока (сбоник работ по гидрологии). Л., 1977, с.69-77.

14. Глушков В.Г. Возможные формы кривых, выражающих зависимость величины площадей, скоростей и расходов воды от высоты стояния горизонта воды. С.-Петербург, 1910.

15. Глушков В.Г. Вопросы теории и методы гидрологических исследований.- М: Изд-во АН СССР, 1961,320с.

16. Григорьев В.И., Деснянский В.Н., Заимский Г.А., Каганов Е.И. Алгоритмы и система программ для расчета на ЭВМ ежедневных расходов воды. Труды ВНИИГМИ-МЦД, 1977, вып.32, с. 52-64.

17. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. JI: Гидрометеоиздат, 1979. 311 с.

18. Грушевский М.С. О распространении паводочных волн в неустойчивом русле. -Труды ГГИ, 1976, вып.234, с.72-87

19. Губарев Н.В. О построении кривых расходов воды по способу "относительных" наименьших квадратов. Труды гидрометрической части среднеазиатского гидрометеорологического института, вып.1, Саогиз, Москва, Ташкент, 1932.

20. Дрейпер Н. Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.Статистика, 1973 252 с.

21. Дроздов О.А., Шепелевский А.А. Теория интерполяции в стохастическом поле метеорологических элементов и ее применение к вопросам метеорологических карт в рационализации сети. Труды НИУ ГУГМС, сер.1, вып.13,1946.

22. Железняков Г.В. Теория гидрометрии. Л., Гидрометиздат, 1976,374 с.

23. Иванов Ю.Н. Методика автоматизированного вычисления ежедневных расходов воды при ведении государственного водного кадастра. Труды V Всесоюзного гидро логического съезда, 1989, т.З, с.97-104.

24. Иванов Ю.Н. О выборе уравнения для аппроксимации кривой расходов воды. Труды САРНИИГМИ, 1977, вып.52,

25. Иванов Ю.Н. Сравнение некоторых методов построения кривых расходов воды.-Труды САРНИИГМИ, 1980, вып.74

26. Карасев И.Ф. Гидравлические методы экстраполяции измеренных расходов воды на реках. Труды ГГИ, 1982, вып. 292, с.9-18.

27. Карасев И.Ф. Математические модели гидрометрического учета стока. Труды ГГИ, 1978, вып.256, с.З - 35.

28. Карасев И.Ф. Речная гидрометрия и учет водных ресурсов. Л., Гидрометеоиздат, 1980,310 с.

29. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 288 с. .

30. Карасев И.Ф., Васильев А.В., Субботина Е.С. Гидрометрия. JL: Гидрометеоиздат, 1991,376 с.

31. Карасев И.Ф. Трансформация расходов воды и русловой водный баланс при неустановившемся движении речных потоков. "Метеорология и гидрология", 1991, N 2, с. 84-91.

32. Карасев И.Ф. Векшина Т.В. Режим гидравлических сопротивлений зарастающих речных русел. Труды Академии проблем водохозяйственных наук, вып. 9: Проблемы ру-словедения, М., 2003, с. 112-122.

33. Карасев И.Ф., Коваленко В.В. Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии. -С-П., Гидрометеоиздат, 1992,250 с.

34. Карасев И.Ф., Коваленко В.В. Уравнение неустановившегося движения потока как основа экстраполяции расходов воды. Труды ГГИ, 1982, вып. 292,

35. Карасев И.Ф., Сунцова Е.Б. Пропускная способность русла и учет стока зарастающих рек. Гидротехническое строительство, 2001, № 1.

36. Карасев И.Ф., Яковлева Т.И., Усовершенствованные методы гидрометрического учета стока. Труды VI Всероссийского гидрологического съезда, (в печати).

37. Карасев И.Ф., Яковлева Т.И. Экстраполяционно-аналитический метод оперативного учета стока рек с неустойчивым руслом (на примере р.Амударьи) Труды ГГИ, 1988, вып.325, с. 19-30.

38. Карасев И.Ф., Яковлева Т.И. Методы оценки погрешностей гидрометрического учета речного стока. Метеорология и гидрология, 2001, № 6, с.96-106.

39. Кендалл М.Дж., Стюарт J1. Статистические выводы и связи М. Наука, 1973 - 342 с.

40. Кендалл М.Дж., Стюарт Л. Многомерный статистический ааализ и временные ряды. -М.: Наука, 1976.-736 с.

41. Коваленко В.В., Барышников Н.Б. К вопросу экстраполяции кривой расходов при неустановившемся движении открытого потока. Межвузовский сборник, 1977, вып.63, с. 38-42.

42. Ковалев Л.М. Расчеты зимнего стока рек с ледяным покровом. — М.,Л: Гидроэнергоиз-дат, 1950.- 104с.

43. Корень В.И. Идентификация параметров модели формирования талого и дождевого стока с использованием различных критериев качества. Труды Гидрометцентра СССР, 1988 г. вып.300, с. 43-52.

44. Копалиани З.Д., Ромашин В.В. Проблемы русловой динамики горных рек.- Тр.ГТИ ,вып.153,1970, с 81-98.

45. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Изд-во "Мир", 1975,648 с.

46. Крашников С.А. Об оптимальной аппраксимации зависимости расхода воды от уровня. Труды ГГИ, 1987, вып.328, с. 58-69.

47. Крейнович B.JL, Кириллова И.С. Аппроксимация экспериментальных данных при различной степени засоренности зависимой и независимой переменных. — Труды ВНИИЭП: Проектироваие Средств электроизмерительной техники, 1985, с.101-107.

48. Курдин Р.Д.,Серков Н.К. Методы вычисления ежедневных расходов воды и пути их реализации на ЭВМ. Труды ГГИ, 1980, вып. 262, с. 69 - 83.

49. Лесникова Г.В. К вопросу об аналитическом выражении зависимостей между расходами и уровнями воды и их использование при вычислении стока на ЭВМ. Труды НИИАК, 1973, вып.87, с. 32-37.

50. Методические рекомендации по оценке точности и гидрологическому контролю данных государственного учета вод и их использования. Л.: Гидрометеоиздат, 1977,117 с.

51. Методические рекомендации по учету стока на реках в зимний и переходный периоды.-Л., ГГИ, 1980.-80 с.

52. Методические рекомендации по учету и увязке стока рек с периодическими деформациями русла (на примере р.Куры). Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 65 с.

53. Методические рекомендации по проведению производственных испытаний методов и программ вычисления ЕРВ на ЭВМ. Л., Гидрометеоиздат, 1979,40 с.

54. Методические рекомендации по автоматизированному вычислению ежеднвных расходов воды.- Обнинск: ФОП ВНИИГМИ МЦД, 1991. 38с.

55. Методические указания по ведению Государственного водного кадастра.- Обнинск: ФОП ВНИИГМИ МДЦ, 1979. 163 с.

56. Методические указания МИ 1759-87. Расходы воды на реках и каналах. Госстандарт СССР. М., Изд-во стандартов, 1987,25с.

57. Морозова О.Л. О некоторых приемах уточнения экстраполяции расходов воды на реках. Труды ГГИ, 1982, вып. 292, с. 18-24.

58. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам, вып.6, ч.Ш.Составление и подготовка к печати гидрологического ежегодника. Л .Гидрометеоиздат, 1958,292с.

59. Нежиховский Б.Р. Влияние погрешностей статистических характеристик на точность оптимальной интерполяции.- Метеорология и гидрология, 1981, № 2 , с.77-85.

60. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 309 с.

61. Огиевский А.В. Гидрометрия и производство основных гидрометрических работ.- М., Л.: Ж ОГИЗ, 1937,342 с.

62. Поляк И.И. Модели "сигнал плюс шум" и осреднение по пространству временных рядов. Метеорология и гидрология, 1985, N 9, с. 46-53.

63. Полонский В.Ф., Апухтина С.П. Метод построения и увязка кривых расходов в системах дельтовых водотоков с использованием ЭВМ.- Тр.Гос.Океанографического института, 1989, № 185, с. 104-112.

64. Пособие по экстраполяции кривых расходов воды до наивысших уровней. JL: Гид-рометеоиздат, 1966, - 113 с.

65. Попова JT.A. Новые модели учета стока зарастающих рек. Труды ГГИ, 1978, вып.256, с.50-58.

66. Проскуряков А.К. Водный баланс р.Амударьи на участке от г.Керки до г.Нукуса. JI.: Гидрометеоиздат, 1958,80 с.

67. Пособие по экстраполяции кривых расходов воды до наивысших уровней. JI: Гидрометеоиздат, 1966. - 113 с.

68. Практическое руководство по построению кривой расходов.- Л.:Издание Государственного Гидрологического института, 1931, 95

69. Раткович Д.Я. Многолетние колебания речного стока. Л., Гидрометеоиздат, 1976, 255с.

70. РД 5208318-91 "Метрологическая аттестация методик выполнения измерений уровней и расходов. М.: 1991,68 с.

71. РД 52.08.12-97. Методические указания. "Вертушки гидрометрические речные типа ГР-21М, ГР-55, ГР-99. Методикаповерки в прямолинейном градуировочном бассейне".-М: 2000,20с.

72. Рождественский А.В., Ежов А.В. Сахарюк А.В. Оценка точности гидрологических расчетов- Л., 1990, Гидрометеоиздат, 276 с.

73. Рождественский А.В., Чеботарев А.И., Статистические методы в гидрологии. Л., 1974, Гидрометеоиздат, 422с.

74. Рубинова Ф.Е., Какурина Е.Г., Матвеева О.С. Труды САНИИ, 1980, вып.77 (158), с.80-89.

75. Руководство по гидрологической практике .Сбор и обработка данных, анализ, прогнозирования и другие применения. Пятое издание. ВМО, 1994,808 с.

76. Румянцев В.А. Оптимальная линейная интерполяция гидрологических элементов при наличии коротких рядов с неточными исходными данными. Труды ГГИ, 1976, вып.257.

77. Савельева А.В. Применение оптимальной интерполяции поправок к уровням при вычислении стока р.Амударьи на ЭВМ. Труды НИИАК, 1973, вып.87, с. 17 -35.

78. Савельева А.В., Яковлева Т.И. Расчет берегового регулирования как элемента руслового водного баланса на примере р.Амударьи. -Метеорология и гидрология, 1994, № 2, с.109-115.

79. Сальников M.JI., Хорст М.Г. Методика построения аналитической зависимости расходов воды от уровней в устойчивых руслах каналов. Труды ГГИ, 1978, вып.256, с.59-64.

80. Сасоров М.П. О неприменимости метода Стивенса к экстраполяции кривых расходов воды. Метеорология и гидрология, 1952, № 2,с. 37-38.

81. Себер Дж. Линейный регрессионный анализ. М.: Мир, 1980.- 456 с.

82. Серебряков А.В. Русловые процессы на судоходных реках с зарегулированным стоком. М.: Транспорт, 1970,124 с.

83. Серков Н.К., Яковлева Т.И., Никитин В.Г., Горячева Л.А.,Литвин А.С.,Никифорова И.А. Вычисление ежедневных расходов воды при ведении государственного водного кадастра.- Труды V Всесоюзного гидрологического съезда, 1989, т.З, с. 97-104.

84. Скородумов Д.Е. Вопросы гидравлики пойменных русел в связи с задачами построения и экстраполяции кривых расходов воды. Труды ГГИ, 1965, вып. 128, с.3-97.

85. Срибный М.Ф. Формулы средней скорости течения рек и их гидравлическая классификация по сопротивлениям движению. В кн.: Исследование и комплексное использование водных ресурсов. М., 1960, с.204-220.

86. Статистические методы в гидрологии. Под редакцией Русинова М.И. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 200 с.

87. Трестман А.Г. Методы подсчета стока рек в зависимости от физико-географических условий. Л.: Гидрометеоиздат, 1960,188 с.

88. Троицкий А.П. Методы перехода от уровней воды к расходам и их оценка в условиях рек Северного Кавказа. Новочеркасск, 1926 г., 56с.

89. Учет стока на реках с неустойчивым руслом (на примере р.Амударьи). Труды ГГИ, вып.234,. 1976. -257 с.

90. Устойчивые статистические методы оценки данных. (Под редакцией Р.Л.Ленера, Г.Н. Уилкинсона). М. Машиностроение, 1984 - 232 с.

91. Федоров В.В. Теория оптимального эксперимента (планирование регрессионных экспериментов). М.: Наука, 1971,312 с.

92. Федоров В.В. Об устойчивости кривых расходов воды в реках. Труды ЛИВТ, 1957, вып. 24, с. 74-85.

93. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами, М., Мир, 1973, 235с.

94. Чоу В.Г. Гидравлика открытых каналов.- М.: Стройиздат, 1969-464 с.

95. Шестакова Р. А. Определение расхода воды при высоких уровнях по уклону водной поверхности и коэффициенту С формулы Шези.- Труды ГГИ, 1963, вып.106, с.71-122.

96. Шикломанов И.А. Исследование водных ресурсов суши. Итоги, проблемы, перспективы. — JL: Гидрометеоиздат, 1988. 152с.

97. Эйпре Т.Ф. Анализ способов вычисления ежедневных расходов воды рек. JL: Гидрометеоиздат, 1961, 99 с.

98. Яковлева Т.И. Оценка изменчивости пропускной способности русла на основе модели "сигнал плюс шум". Вопросы гидрологии суши, Доклады молодых ученых и специалистов, 1991.-е. 209 -214.

99. Яковлева Т.И. Усовершенствование и адаптация моделей гидрометрического учета стока при неоднозначных зависимостях расходов от уровней воды. Сборник работ по гидрологии ГГИ, 2003, № 26, с.58-69.

100. Яковлева Т.И. Оценка точности оперативного учета стока и оптимизация частоты измерения расходов воды в гидрометрических створах реки Амударьи. Труды ГГИ, вып.328,-1987, с.34-42.

101. Яковлева Т.И, Зажимаров С.А. Оперативно-прогностические модели учета стока на гидрологическом посту р.Дон-ст.Раздорская, ГГИ Санкт-Петербург, 1994, Деп: в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД,11 е.:

102. Andre Н., Andinet М., Mazeran G., Richer С. Hidrometrie pratique des cours d'lau. -Paris, 1976, 260c.

103. J.C.Bathurst. Equations for estimating discharge in steep channels with coarse bed material.- (Pr. Of the Exeter Simposium, July, 1982) JAHS Publ.№ 134, p.63-70.

104. A.Beker, M.Melcher. Up-dating of discharge rating curves by means of mathematical models. Advances in Hydrometiy (Pr. Of the Exeter Simposium, July, 1982) JAHS - Publ.№ 134, p. 37-48.

105. J.W Brian, W.G.J.William Parameter estimation in rainfall-runoff models. J. of hydrology, vol.63,1983, p.373-393.

106. Dyck S. e. a. Angewandte Hydrologie. T.I. -Berlin, 1976,512s

107. Herschy R.W. The magnitude of errors of flow measurements stations hydrometry. Proc. Koblenz symp. UNESCO-WMO-IAHS, vol.2,1973. p.109-131.

108. R.W. Herschy Hydrometry Principles and Practices. Department of Environment Water data Unit Reading, 1978, 511 p.

109. E.J.Kennedy Disharge ratings at gaging stations. US Goverment printing office Washington, 1984. - 59 pp.

110. K.B.Melcher, J.J.Walker, Evaluation of selected methods for determining streamflow during periods of ice effect. -US Geol,Surv. Water-Supply Pap., 1992, № 2378, e.I, III-IV, 1-.

111. H.Rudolf, V.Arnold, K.Risters. Pegel. Dusseldorf. und Abflufsmefsruesen unter einsarts der Automatisireenten Datenvearlieitung in Nordrhun -Westfalen. - Wasser und Baden/ Zeitschrift fur die gesamte Wassernirfschaft, № 1, Januar, 1989, s.36-39.

112. S.Sorooshian. Parameter estimation in rainfall-runoff models with heteroscedastic stream-flow errors the non-informative data case. J. of hydrology, vol.52, 1981, p.127-138.

113. B.M. Troutman Errors and parameter estimation in precipitation -runoff modeling: Theory. 2. Case stady. Water resources research, vol.21, № 8.1985 p.l 195-1222.

114. G.Weiya, L.Xueqi, T.peiwen. The method for uniformizing the stage-discharge relations of stable river beds and its application/- (Pr. Of the Exeter Simposium, July, 1982) JAHS Publ.№ 134, p. 49-61.

115. World Meteorological Organization, 1980: Manual on Stream Gauging, Volumes I and II, Operationnal Hydrology Reports No. 13, WMO No. 519,Geneva/