Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование процесса поступления воды на поверхность водосбора р. Риони для целей долгосрочного прогнозирования стока за половодье

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Федорова, Юлия Владиславовна

Введение.

Глава 1. Общая характеристика бассейна р. Риони.

1.1. Физико-географическое описание.

1.2. Гидрологические исследования.

1.3. Анализ гидрометеорологической информации.

Глава 2. Модель поступления осадков на поверхность бассейна.

2.1. Распределение осадков в бассейне.

2.2. Экстраполяция осадков по высоте.

Глава 3. Модель формирования снежного покрова.

3.1. Распределение запасов воды в снежном покрове.

3.2. Температурный режим в бассейне.

3.3. Определение фазового состояния выпадающих осадков.

Глава 4. Расчеты весенне-летнего стока.

4.1. Расчет поступления воды на поверхность водосбора р. Риони.

4.2. Расчет гидрографа.

Глава 5. Долгосрочный прогноз весенне-летнего стока р. Риони.

5.1. Методы долгосрочного прогноза стока рек Закавказья."

5.2. Методика прогноза весенне-летнего стока р. Риони.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Моделирование процесса поступления воды на поверхность водосбора р. Риони для целей долгосрочного прогнозирования стока за половодье"

Для горных рек методы прогноза весенне-летнего стока традиционно выделяются в отдельную группу [30], хотя принципиальных отличий от методов прогноза стока равнинных рек они не имеют. Специфика формирования стока горных рек определяется высотной поясностью стокоформирующих факторов (таких, как климат и факторы подстилающей поверхности). Особых методов описания требуют такие факторы, как высокая степень неоднородности подстилающей поверхности, нарушающая поясные закономерности, а также значительная изменчивость во времени и в пространстве метеорологических характеристик. Недостаточное число пунктов наблюдений в горах, обусловленное техническими и материальными трудностями их организации, приводит к тому, что в распоряжении исследователей и практиков имеются короткие периоды наблюдений. Кроме того, в горных условиях чаще всего станции и посты расположены в местах, которые не могут быть признаны репрезентативными для стокоформирующих процессов. Особенно слабо освещена гидрометеорологическими наблюдениями высокогорная часть бассейнов, где формируется основной талый сток. Все это обуславливает определенные особенности методов прогноза стока в горах. Так, в гидрологии горных территорий большое значение придается разработке способов интерполяции и экстраполяции данных наблюдений, а также расчету по метеорологическим данным формирования и стаивания снежного покрова.

В бассейнах горных рек время добегания талых вод к расчетному створу зависит от площади бассейна и высоты водосбора. При площадях менее 4000 км2 время добегания обычно не достигает суток [50]. Поэтому широкий класс методов прогноза стока равнинных рек, основанных на описании закономерностей накопления и расходования запасов воды в руслах, а также перемещения паводковых волн, как правило, неприменим для составления даже суточных прогнозов стока горных рек [60], [76]. Для увеличения заблаговременности прогнозов и повышения их надежности необходим учет закономерностей накопления и расходования влаги в пределах бассейна реки [62]. Используют также учет влияния атмосферной циркуляции над определенными районами, участвующими в формировании погоды горного бассейна. Требуется балансовый расчет формирования влагозапасов [55] и прежде всего запасов воды в снежном покрове по метеорологическим данным.

До настоящего времени долгосрочные прогнозы стока горных рек составляются главным образом на основе физико-статистических, регрессионных зависимостей, аргументами которых служат косвенные характеристики, показатели, индексы влагозапасов, имеющихся в бассейне на момент составления прогноза [2], [8], [11], [12], [19], [60], [91], [97]. Однако подобные прогностические зависимости, кроме всего прочего учитывающие незначительное

Глава 1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАССЕЙНА р. РИОНИ

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Федорова, Юлия Владиславовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа является продолжением серии работ по применению концептуальных моделей формирования стока для целей долгосрочного прогноза. Для условий Кавказа, в частности бассейна р. Риони, такая работа выполнена впервые. В качестве основы использовалась модель формирования стока горных рек Гидрометцентра России, которая была адаптирована для условий водосбора р. Риони. Для этого по данным наблюдений и на основе анализа физико-географических условий в бассейне, подчиняющихся вертикальной поясности, были получены распределения по высотным зонам бассейна величин метеорологических элементов, определяющих процессы стокоформирования.

Экстраполяция осадков по высоте проведена на основе известной модели распределения осадков по поверхности горного бассейна. Учет воднобалансовых соотношений в целом для водосбора и сравнение их с результатами гляциологических исследований позволяет утверждать, что в бассейне р. Риони происходит закономерное увеличение количества выпадающих осадков (X) с высотой (г), отмеченное рядом исследователей. Получена квадратичная аппроксимация зависимости Х=/(г) с учетом сезонного хода ее параметров.

Анализ данных измерений по 2-м снегомерным маршрутам бассейна позволил сделать вывод о том, что оценки запасов воды в снежном покрове по снегомерным съемкам не могут быть использованы для определения параметров экспоненциального распределения запасов воды в снежном покрове высотных зон, полученном в Гидрометцентре России для условий Средней Азии. Оценки параметра распределения, соответствующего запасам воды в снежном покрове высотной зоны, при котором она полностью покрыта снегом, могут быть получены на основе сравнения характеристик рельефа бассейна с аналогом, для которого значения параметра рассчитаны по данным наблюдений за покрытостью высотных зон снежным покровом в период снеготаяния.

При расчете температурного режима бассейна выявлено влияние на величину вертикального градиента температуры воздуха местоположения станций, данные наблюдений которых использовались в расчете. Для определения значения вертикального градиента температуры воздуха в течение года получена экспоненциальная зависимость. Вероятность выпадения осадков в твердом виде при заданной температуре воздуха зависит от высоты местности и может быть рассчитана по уравнению, полученному по суточным данным наблюдений на 5-и метеорологических станциях бассейна за период 1950-60 гг. Приведены оценки предельных значений температуры воздуха для жидких и твердых осадков.

Для оценки степени влияния выбора метеостанций, а также распределения по высоте бассейна площадей высотных зон, сумм осадков, температуры воздуха и вероятности выпадения осадков в твердом виде, были проведены серии расчетов по модели поступления воды

102 на поверхность горного бассейна. Анализ полученных результатов позволил выбрать составляющих модели, дающих наиболее качественные результаты расчета суммарного поступления воды на поверхность водосбора р. Риони.

Расчеты проводились для 15 лет, освещающих весь диапазон характеристик гидрографов половодья. Качество расчетов оценивалось по отношению Я/ст и коэффициенту корреляции между рассчитанными и фактическими гидрографами стока, выраженными в декадных слоях, в замыкающем створе с. Алпана. Эталонный расчет, в котором использовались эмпирические зависимости, полученные для бассейна р. Риони показал лучшие оценки. Наибольшее влияние на качество расчетов гидрографов оказали распределение площадей высотных зон и выбор метеостанций, по данным которых производился расчет. Разработка методов прогноза на основе гидрографа стока является задачей последующих исследований.

Рассчитанные по модели запасы воды в снежном покрове бассейна и декадные слои поступления воды на его поверхность являются предикторами прогнозных зависимостей для стока за период весеннего половодья р. Риони. Получены прогностические уравнения для месячного стока, стока за 2-ой квартал и все половодье. Для апреля, 2-го квартала и половодья имеется тесная связь между стоком и суммой зимних осадков, поэтому расчет по модели почти не дает выигрыша в качестве прогностических зависимостей по сравнению с использованием регрессионных зависимостей. Для мая, июня и июля использование модели дает неоспоримые преимущества, что проявляется в физической обоснованности предикторов и в качестве полученных прогностических уравнений. Кроме того, использование модели поступления воды на поверхность горного бассейна для долгосрочного прогнозирования стока р. Риони дает возможность получать распределение стока в течение конкретного периода половодья, для которого готовится прогноз.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Федорова, Юлия Владиславовна, Москва

1. АбальянТ. С. Ледниковая составляющая стока р. Вахш // Труды Гидрометцентра. -1980.-Вып. 223.-С. 3-11.

2. А б а л ь я н Т. С. Основные высотные зоны формирования стока рек Средней Азии в различные месяцы вегетационного периода // Труды ЦИП. 1967. - Вып. 155.-С.3-15.

3. Абальян Т. С., Мазурова Л.И., Никанорова С. Н. Об использовании аэрофотосъемки для изучения снежного покрова в горном бассейне р. Варзоб // Труды Гидрометцентра. 1980. .-Вып. 72. - С. 92-105.

4. А б а л ь я н Т. С., М у х и н В. М., Полунин А. Я. О ледниковом питании и возможностях долгосрочного прогноза стока горных рек с большим оледенением водосбора // Материалы гляциологических исследований. Хроника обсуждений. 1980. -Вып.39. - С. 42-49.

5. Алибегова Ж. Д., Элизбарашвили Э. Ш. Статистическая структура атмосферных осадков в горных районах -Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 136 с.

6. Алиев И. А., 3 а л и х а н о в М. Ч., Ц о м а я В. Ш. Средние многолетние снегоза-пасы и снеговая нагрузка на дату максимального снегонакопления в горах Кавказа // Труды ЗакНИИ. 1988. - Вып. 88(95). - С. 46-58.

7. БарриРоджерГ. Погода и климат в горах. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 310 с.

8. Басилашвили Ц. 3. Анализ стокообразующих факторов половодья рек Западной Грузии в целях прогнозирования. Л.: Гидрометеоиздат // Труды ЗакНИИ. - 1986. -Вып. 85(92) - С. 13-24.

9. Басилашвили Ц. 3. Анализ формирования и долгосрочный прогноз стока рек Западной Грузии: дис. канд. геог. наук. Тбилиси, 1980. - 150 с.

10. Б а с и л а ш в и л и Ц. 3. Долгосрочные прогнозы стока горных рек для обслуживания каскада ГЭС на р. Риони // Труды Y Всесоюз. гидрол. съезда, т. 7. 1989. - С. 106-111.

11. Басилашвили Ц. 3. О возможностях долгосрочного прогнозирования максимального пика половодья при недостаточной информации (на примере р. Ингури)// Труды ЗакНИГМИ. 1990. - Вып. 87(94). - С. 3-11.

12. Б а с и л а ш в и л и Ц. 3. Прогнозы стока горных рек Западной Грузии // Труды ГМЦ. -1988 С. 80-88.

13. БолговМ. В.О стохастических связях в моделях речного стока // Метеорология и гидрология. 1992. - № 6. - С. 67-75.

14. Борисов A.A. Климаты СССР М.: Изд. "Просвещение", 1967. - 295 с.

15. Боровикова Л. Н., Денисов Ю. М. Модель поступления воды на поверхность горного бассейна и некоторые результаты проверки на бассейнах рек Западного Тянь-Шаня // Тр. САНИГМИ. 1970. - Вып. 52(67). - С. 3-25.

16. Боровикова Л. Н, Денисов Ю. М., Трофимова Е. Б., Ш е н ц и с И. Д. Математическое моделирование процесса стока горных рек // Труды САНИГМИ. -1972. Вып. 61(76). - 150 с.

17. Боровиков В. П., Боровиков И. П. STATISTICA . Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. М.: Инф.-изд. дом "Филин", 1997. - 592 с.

18. Б у д ы к о М. И. Испарение в естественных условиях. Л.: Гидрометеоиздат, 1948. -136 с.

19. Важное АН. Анализ и прогнозы стока рек Кавказа. М.: Гидрометеоиздат, 1968. - 274 с.

20. Влажность воздуха, атмосферные осадки, снежный покров / Справочник по климату СССР, Вып. 14. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 426 с.

21. Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 312 с.

22. Владимиров Л.А. Водный баланс Большого Кавказа. Тбилиси.: из-во "Мецниерба", 1970. - 142 с.

23. Владимиров Л.А. К истории исследований закономерностей стока в горных областях. Тбилиси.: из-во АН ГрССР, 1960. - 147 с.

24. Владимиров Л.А. О вертикальной зональности внутригодового распределения стока в горных районах Грузии // Метеорология и гидрология. 1948. - № 5. - С. 47-55.

25. Владимиров Л.А. Средний годовой сток рек Грузии,- Тбилиси.: из-во АН ГрССР, 1962. 122 с.

26. Водные ресурсы Закавказья. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 264 с.

27. Г е т к е р М. И., Глазырин Г. Е., Емельянов Ю. Н. Расчет месячных сумм твердых осадков по общим месячным суммам осадков и средним месячным значениям температуры воздуха // Труды СА ВДГМИ. 1972. - Вып. 62(77). - С. 39-45.

28. Гигинеишвили В.М. К методике определения водности горных рек // Метеорология и гидрология. 1936. - № 1. - С. 69-75.

29. Гидрографическое описание рек, озер и водохранилищ/ Ресурсы поверхностных вод СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - Т. 9. - Вып. 1.- 577 с.

30. Гидрологические прогнозы и предсказания // Труды У Всесоюз. гидрол. Съезда. Т. 7,1989. - 420 с.

31. Глазырин Г.Е. Распределение и режим горных ледников Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 182 с.

32. Глазырин Г.Е. Фазовое состояние осадков в горах в зависимости от приземной температуры воздуха // Метеорология и гидрология. 1970. - № 1. - С. 30-34.

33. Голубцов В. В., Ли В. И., Строева Т.П. Использование модели формирования стока горных рек для разработки метода его долгосрочного прогноза // Труды У Всесоюз. гидрол. Съезда. Т. 7. - 1989. - С. 111-117.

34. Денисов Ю. М. Модель формирования снежного покрова в горных бассейнах // Метеорология и гидрология. 1967. - № 5. - С. 75-81.

35. Денисов Ю. М. Схема расчета гидрографа стока горных рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1965.-295 с.

36. Долгосрочные прогнозы элементов водного режима рек и водохранилищ / Руководство по гидрологическим прогнозам. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - Вып. 1. - 357 с.

37. Долгушин Л. Д., Осипова Г. Д. Ледники // Серия "Природа мира". М., 1989. -448 с.

38. Зайков Б. Д. Средний сток в году и его распределение на территории Кавказа // Труды НИЦГМС. 1946. - Сер. 4. - Вып. 40. - 64 с.39. 3 а л и х а н о в М. Ч. Осадки на Большом Кавказе // Труды ВГИ. 1974. - Вып. 27. - С. 85-98.

39. ЗалихановМ. Ч. Плотность и водность снежного покрова на Большом Кавказе // Труды ВГИ. 1974.-Вып. 27.-С. 99-110.

40. Комаров В. Д., Мух и н В. М., А б ал ья н Т. С., П о л у н и н А. Я. Расчет поступления осадков на поверхность горного бассейна на основе модели этого процесса // Труды Гидрометцентра. 1976. - Вып. 163. - С. 19 -28.

41. К о м а р о в В. Д., М у х и н В.М., Агранович Л. Е. Трансформация слоя поступления воды на поверхность горного бассейна в расходы воды в замыкающем створе // Труды Гидрометцентра. 1976. - Вып. 163. - С. 58-73.

42. К омаров В. Д., Мухин В. М., Полунин А. Я. Модель формирования снежного покрова и поступления воды на поверхность горного бассейна // Труды Гидрометцентра. 1976. - Вып. 163. - С. 38 -57.

43. К р е н к е А. Н., Боровик 3. С., Р о т о т а е в К. П. Снегонакопление на ледниках Кавказа// Труды ЗакНИГМИ. 1970. - Вып. 45(51). - С. 123-131.

44. Кренке А.Н. Массообмен в ледниковых системах на территории СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 288 с.

45. К р е н к е А. Н., Т а р е е в а А. М. Расчет ледникового стока на Кавказе по полю температуры воздуха на высоте границы питания ледников // Кн. МГИ. М., 1980. -Вып. 39.-С. 31-37.

46. Кучмент Л.С. Гидрологическое прогнозирование для управления водноресурс-ными системами. М.: ВИНИТИ, 1981.- 120 с.

47. Лаппо Г. М., Лилиенберг Д. А. Международные полевые симпозиумы в сравнительно-географических исследованиях горных стран (Альпы Кавказ, Большой Кавказ - Стара-Планина) // Известия РАН. - 1999. - № 2. - С. 99-109.

48. Лаптев В. И., МочаловВ. П. О расчете испарения с водной поверхности в горных районах // Вестник МГУ. Серия 'Теография". - № 3. - 1972.

49. М а р т и н е к Д ж. Время в гидрологии / Грани гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-С. 308-351.

50. Материалы наблюдений над снежным покровом по маршрутным снегосъемкам в горах Кавказа / Метеорологический ежегодник 1956-57 1959-60 гг. - М.: Гидрометеоиздат, 1964. - 293 с.

51. Мезенцев B.C., К а р н а ц е в и ч И. В. и др. Режим влагообеспеченности и условия гидромелиорации степного края. М: Изд. "Колос", 1974.

52. Месхия Р.Ш. Стокоформирующие комплексы для моделирования гидрографа стока в бассейне р. Риони // Труды ЗакНИИ. 1987. - Вып. 82(89). - С. 41-52.

53. Методика предсказания сроков наступления максимальных расходов половодья на реках Риони /Алпана/, Кура /Тбилиси/. Тбилиси, 1960. - 26 с.

54. Методы расчета водных балансов / Международное руководство по исследованиям и практике /Под ред. А.АСоколова и Т.Г.Чапмена. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. -119 с.

55. М о ч а л о в В. П. Расчет начальных потерь дождевого стока: Канд. дис. канд. геогр. наук. Алма-Ата, 1976. - 132 с.

56. Музылев Е. Л. Моделирование стока горных рек и спутниковая информация. М.: "Наука", 1987. - 136 с.

57. Мухин В. М. Метод долгосрочного прогноза весеннего стока реки Белой, основанный на оптимизации модели формирования стока в ее бассейне // Труды Гидрометцентра России. 2000. - Вып. 332. - С. 38-46

58. Мухин В. М. Метод прогноза расходов воды горных рек Средней Азии на основе математической модели формирования стока // Труды Y Всесоюз. гидрол. Съезда. Т. 7. - 1989. - С. 126-132.

59. Мухин В. М. Методы прогноза весенне-летнего стока горных рек (ключевой доклад) // Труды Y Всесоюз. гидрол. Съезда. Т. 7. - 1989. - С. 96-106.

60. Мухин В. М. Прогнозы гидрографа горной реки в вероятностном виде // Труды Гидрометцентра. 1992. - Вып. 324. - С. 28-35.

61. Мухин В. М. О влиянии изменений климата на возникновение катастрофических ситуаций на горных реках // Метеорология и гидрология. 1994. - № 5. - С. 13-26.

62. Мухин В.М., Полунин А.Я. Методические указания к разработке метода краткосрочного прогноза расходов воды горных рек на основе математической модели формирования стока (на примере р. Карадарьи). М.: Гидрометеоиздат, 1982. - 148 с.

63. Мучник В. М. Прогнозирование фазового состояния осадков // Метеорология и гидрология. 1953. - № 7. - С. 32-34.

64. Опасные гидрометеорологические явления на Кавказе/ под ред. Сванидзе Г.Г., Цуцки-ридзе Я. А. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 287 с.

65. П а н о в В. Д. Эволюция современного оледенения Кавказа. С.-П.: Гидрометеоиздат, 1993. -430 с.

66. П и ц х е л а у р и 3. С. Распределение осадков по высоте и во времени в бассейнах рек Ингури, Риони, Аджарисцкали и Арагви // Труды ЗакНИГМИ. -1990. Вып. 87(94). - С. 140-146.68