Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Прогнозирование водности притоков реки Сырдарья в пределах Республики Казахстан

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование водности притоков реки Сырдарья в пределах Республики Казахстан"

"УДК 55б&84. 001. 18. (282. 255. 2)

/ б ИЮЛ 1998

На правах рукописи

ПОПОВА ВАЛЕНТИНА ПЕТРОВНА

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВОДНОСТИ ПРИТОКОВ РЕКИ СЫРДАРЬЯ В ПРЕДЕЛАХ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

11. 00. 07 - Гидрология суши, водпые ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Республика Казахстан Алматы 1998

Работа выполнена в Казахском научно-исследовательском институте мониторинга оьфужающей среды и климата (КазНИИМОСК).

Научные руководители: кандидат географических наук, СНС кандидат технических наук, доцент

ГОЛУБЦОВ В.В. ЛИ в.и.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат географических наук

ТУРСУНОВ А.А. ПЛЕХАНОВ ПА.

Ведущая организация (предприятие): Казахский Государственный университет им. аль-Фараби, географический факультет, кафедра гидрологии суши.

Защита состоится 1 июля 1998 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д. 53.15.01 при Институте географии МН-АН РК по адресу: 480100, г. Алматы, ул. Ч. Валиханова, 94, Институт гидрогеологии и гидрофизики МН-АН РК, ауд. 83.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института Географии МН-АН РК по адресу: 480100, г. Алматы, ул,Пушкина, 99.

Автореферат разослан 3.0 мая 1998 г.

Ученый секретарь ---

диссертационного совета, к. б.н. ■— Басова Т.А

Общая характеристика работы

Прогнозы водности рек являются одной из важнейших составных частей гидрометеорологического обслуживания различных хозяйственных отраслей Республики Казахстан, в первую очередь гидроэнергетики и сельского хозяйства. Эти прогнозы до настоящего времени составляются, в основном, с помощью методик, разработанных на основе использования эмпирических и полуэмпирических методов. Нередко такие методики базируются только на косвенном учете гидрологических процессов, происходящих в бассейнах рек. Поэтому многие из ранее разработанных методик недостаточно обоснованы. Кроме того, значительное влияние хозяйственной деятельности на формирование стока, наблюдавшееся особенно в последние десятилетия, нарушило однородность гидрологических рядов, что в определенной мере создает дополнительные трудности при уточнении существующих и разработке новых методик прогноза водности рек. Повышение оправдываемости способствует увеличению эффективности сельского хозяйства, водного хозяйства, энергетики и других отраслей экономики. Все это обусловливает необходимость и актуальность разработки методик прогноза водности рек на более совершенной методической основе. В качестве такой основы в диссертационной работе используется модель формирования стока горных рек, разработанная в Казахском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте (КазНИГМИ, ныне Казахском научно-исследовательском институте мониторинга окружающей среды и климата - КазНИИМОСК) под руководством В.В. Голубцова. Особенностью модели КазНИГМИ является то, что она позволяет даже при наличии ограниченной исходной информации моделировать сток с каждой высотной зоны и склонов различной экспозиции. Параметры модели принимаются изменяющимися в зависимости от высоты местности, уклона и экспозиции горных склонов.

Актуальность работы. Определяется ограниченностью водных ресурсов рассматриваемого региона, сокращением стока реки Сыр-дарья и катастрофическим усыханием Аральского моря под влиянием хозяйственной деятельности. В связи с этим значение разработки надежных методик прогнозов водности рек еще больше возрастает.

Цели и задачи исследований. Основными целями работы являются оценка влияния хозяйственной деятельности на сток рек юго-западного склона хребта Каратау и западных отрогов Таласского Алатау и разработка методики долгосрочного прогноза естественного стока рек бассейна р. Сырдарья в пределах Казахстана за период половодья и отдельные месяцы. Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:

- восстановить значения естественного стока за период половодья и оценить влияние хозяйственной деятельности на его величину;

- адаптировать модель формирования стока к условиям конкретных бассейнов рек Южного Казахстана (оценить ее параметры);

- осуществить выбор наиболее информативных предикторов для прогнозирования стока рек;

- разработать методики долгосрочного прогноза водности рек Арыс, Бадам, Аксу, Сайрам, Жабаглысу, Келес, Боген, Шаян;

- разработать методики краткосрочного прогноза стока рек Арыс и Шаян;

- провести оценку разработанных методик и внедрить их в оперативную практику.

Методика исследований. Работа имеет методическую и прикладную направленность, основана на использовании методов моделирования процессов формирования стока рек рассматриваемого региона и физикостатистических методов восстановления и прогноза стока. Оценка влияния хозяйственной деятельности на водность рек проводилась с помощью уравнения водного баланса и статистических методов, позволивших исследовать воднобалансовые процессы и выявить закономерности формирования стока в рассматриваемых бассейнах.

Научная новизна исследований. Автором впервые:

- детально описаны процессы и закономерности формирования сток рек региона;

- адаптирована для рек Южного Казахстана модель формирования стока горных рек КазНИГМИ;

- осуществлено для этих рек непрерывное за многолетний период моделирование основных стокообразующих факторов;

- произведена оценка влияния хозяйственной деятельности на сток рек, предложены схемы прогноза водозаборов для рек Арыс и Бадам;

- разработаны методики долгосрочного прогноза водности рек (за период половодья и отдельные месяцы), в основу которого положены зависимости стока от моделированных значений снегозапасов, поступления воды на поверхность водосбора, влагозапасов и промерзания почвогрунтов, а также инерционные зависимости, учитывающие предшествующую водность и параметры, характеризующие интенсивность общей циркуляции атмосферы;

- разработана методика краткосрочного прогноза стока рек, основанная на использовании модели формирования стока.

Обоснованность выводов обеспечена использованием концептуальной математической модели формирования стока, применением статистически корректных методов анализа, достаточным объемом исходной информации (среднесуточная температура воздуха и

суточные суммы осадков по 5 метеорологическим станциям, данные по стоку - по 8 гидрологическим постам).

Кроме этого, обоснованность выводов подтверждается относительно высокой оправдываемостью проверочных долгосрочных и краткосрочных прогнозов речного стока составленным по разработанным методикам.

Осповпые защищаемые положения:

а) Выявленные региональные закономерности изменения температуры воздуха и осадков, основанные на учете высотной зональности и их внутригодового распределения, а также установленное распределение морфометрических характеристик позволили адаптировать модель формирования стока горных рек КазНИГМИ, являющуюся методической базой расчета и прогноза речного стока по метеорологическим данным, к условиям Южного Казахстана.

б) На основе воднобалансовых и статистических методов впервые проведена количественная оценка влияния хозяйственной деятельности на сток рассматриваемых рек. При этом выявлено, что наибольшее антропогенное уменьшение стока произошло в бассейнах рек Арыс и Бадам. На р. Арыс, после ввода в действие Арысского канала это изменение составило в среднем 55 %, нар. Бадам, после построения водоотводного канала оно возросло и составило в среднем 58 %. Предложеная схема прогноза водозаборов, основана на зависимости от прогнозируемой водности (для р. Арыс) и от уровня наполнения Бадамского водохранилища (для р. Бадам).

в) Применение модели формирования стока горных рек КазНИГМИ, для получения рассчитанных величин снегозапасов, поступления воды на поверхность водосбора, влагозапасов и промерзания почвогрунтов, является основой при разработке методик прогноза водности рек Южного Казахстана в условиях ограниченной гидрометеорологической информации.

г) Методики долгосрочного прогноза водности притоков р. Сыр-дарья в пределах Казахстана, представляющие собой регрессионные схемы (54 прогностических уравнения), позволяют прогнозировать сток за период половодья (для рек Арыс, Бадам, Кслес, Боген, Шаян), период вегетации (для рек Аксу, Сайрам, Жабаглысу) и отдельные месяцы. Общая эффективность предложенных схем составляет 78 %.

Апробация и практическая значимость работы. Основные положения и результаты исследований, приведенные в диссертации, докладывались на Третьей конференции СНГ-США по гидрологическим и гидрогеологическим проблемам охраны окружающей среды - "Вода-критический ресурс: проблемы сохранения, использования и управления" (Ташкент, 1996 г.), на Международной конференции по проблемам изменения климата (Алматы, 1997 г.), на совещании по прикладным демонстрационным проектам Агентства

США по международному развитию (ЮСАИД) - "Проект по природоохранной политике и технологии" (Алматы, 1996 г.), на Ученом Совете КазНИГМИ ( Алматы, 1988, 1993), КазНИИМОСК (Алматы, 1997 гг.). Практическая ценность работы состоит в развитии исследований по прогнозированию водности горных рек в условиях ограниченной исходной информации и значительного антропогенного влияния на сток. Разработанные методики долгосрочного и краткосрочного прогноза речного стока прошли производственные испытания и внедрены в отделе гидропрогнозов Казгидромета (акт о внедрении от 15.03.1997 г.).

Содержание диссертации отражено в 7 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения и 10 табличных приложений. В работе 27 рисунков, 19 таблиц. Список литературных источников включает 130 наименований, в том числе 14 работ шюстранных авторов. Общий объем работы составляет 147 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели и задачи, кратко описано содержание каждой главы представленной работы.

В первом разделе рассмотрены физико-географические особенности исследуемого района, условия формирования стока, гидрологический режим рек, приведены морфометрические характеристики бассейнов рек с дифференциацией по высотным зонам и экспозициям склонов.

Важнейшими притоками реки Сырдарья в пределах Республики Казахстан являются Арыс, Келес и Боген, стекающие с юго-западного склона хр. Каратау и западных отрогов Таласского Алатау. Эти реки в свою очередь принимают ряд притоков: в Арыс впадают Бадам, Жа-баглысу, Аксу и Сайрам, в Боген - р. Шаян. Бассейны перечисленных рек располагаются в области резкоконтинентального климата. Среднегодовая температура воздуха изменяется в довольно широких пределах: от 12,1 °С ( М Шымкент, ъ = 543 м ) до 5,9 °С ( М Шуул-дак, г = 1947 м). Годовой размах колебаний температуры воздуха в среднем составляет 40 °С. С увеличением высоты местности температура воздуха обычно уменьшается. В весенне-летний период (май-август) эта зависимость прямолинейная, в зимние и переходные месяцы она имеет нелинейный вид. Градиент изменения температуры воздуха в среднем равен 0,5-0,6 °С на 100 м. Количество и особенности распределения осадков в Южном Казахстане определяются расположением региона в глубине материка, большим разнообразием и сложностью рельефа. На равнинной территории годовое количество

осадков составляет 360 мм в год, возрастая по направлению к предгорьям. В горной юго-восточной части оно достигает 1000 мм в год. Максимум осадков приходится на март - апрель, когда выпадает 30-45 % их годовой суммы. Минимальное количество осадков наблюдается в июле-сентябре - около 3-5 % их годовой суммы. На значительной части территории по повторяемости их выпадения преобладают жидкие осадки. Они составляют около 60-70 % общего числа суток с осадками. Устойчивый снежный покров в среднегорье обычно устанавливается в середине декабря. Мощность его зависит от высоты и экспозиции склонов гор. С увеличением высоты местности при переходе от южных склонов к северным толщина снежного покрова, как правило, возрастает. На высоте 1100 м от 10 до 15 % зим характеризуются неустойчивым снежным покровом.

На формирование стока и его распределение внутри года существенное влияние оказывают высотное положение водосбора, распределение площади по высотным зонам, а также ориентации склонов. Все эти характеристики притоков р. Сырдарья в пределах Казахстана были определены статистическим методом, предложенным И.В. Бусалаевым, по картам масштаба 1:100000.

По классификации В.Л. Шульцареки Арыс, Келес, Боген, Шаян и Бадам относятся к 4 типу водного режима, т.е. основная часть их стока приходится на весенне-летний период. Бассейны этих рек имеют площадь водосбора от 485 км2 - р. Шаян до поста в 3,3 км ниже устья р. Акбет, до 13000 км2 - р. Арыс до ж.-д. ст. Арыс и расположены в интервале высот от 200 м до 4200 м. Уклоны водосборов этих рек изменяются от 95 до 198 °/оо> 1устота гидрографической сети находится в пределах 0,40 - 1,09 км/км2.

Весеннее половодье на реках Арыс, Келес, Боген, Бадам, Шаян начинается в феврале - марте, иногда в конце января. Наибольшие расходы воды на реках данного типа наблюдаются в апреле-мае. Общая продолжительность половодья составляет порядка 100- 140 дней. За этот период проходит основная доля годового объема стока, от 56 % на р. Арыс до 81 % на р. Боген. Половодье формируется за счет таяния преимущественно сезонного снежного покрова. Рост водности рек начинается после наступления устойчивых положительных температур воздуха. Колебания расходов воды имеют суточный ход, обусловленный внутрисуточными колебаниями температур воздуха. Сильные обложные дожди в нижних зонах водосборов вызывают дождевые паводки, накладывающиеся на снеговое половодье. При благоприятных условиях, особенно на реках с низко расположенными водосборами, такие дожди формируют катастрофические максимальные расходы воды. Половодье проходит в виде одной волны, на фоне которой часто отмечаются высокие кратковременные пики. В отдельных случаях увеличение водности рек, обусловлено дождями и

оттепелями, начинается еще с осени. Повышенные расходы держатся в декабре и январе, иногда до начала основного паводка. Половодье обычно заканчивается в июне.

Реки Аксу, Сайрам и Жабаглысу по классификации В.Л. Шуль-ца, относятся ко второму типу. Эта категория рек получает питание в высокогорной зоне, но ледниковая составляющая незначительна или совсем отсутствует. Бассейны этих рек имеют небольшую площадь водосбора (172 - 468 км2) и расположены в диапазоне высот 800-3800 м над уровнем моря. Их бассейны имеют большие уклоны 370 - 484 °/оо и относительно высокую густоту гидрографической сети ( 0,71 -2,2 км/км2): Их водный режим характеризуется сильным увеличением водности в летний период в связи с интенсивным таянием сезонных снегов и ледников. Весенний паводок обычно начинается в конце марта-апреля от таяния сезонного снега, в средние по водности годы, расходы воды рек Аксу и Сайрам равны 7-8 м3/с, а на р. Жабаглысу составляют 2,9-3,3 м3/с. В многоводные годы они могут достигать соответственно 16 - 18, и 6-10 м3/с. Небольшое понижение водности отмечается в начале мая. Затем, когда линия снеготаяния поднимается выше, начинается вторая волна половодья. В многоводные годы, как правило, спада в начале мая не отмечается. Первая волна половодья сливается с ледниковым паводком. Среднесуточные расходы воды в такие годы на реках Аксу и Сайрам в конце мая-в июле достигают 5065 м3/с, на р. Жабаглысу - увеличиваются до 13-14 м3/с.

Второй раздел посвящен оценке влияния хозяйственной деятельности на сток исследуемых рек и его восстановлению.

Сток притоков р. Сырдарья используется в промышленности и сельском хозяйстве. Промышленный комплекс представлен цветной металлургией, химической, машиностроительной, цементной, ас-бестоцементной, пищевой и медицинской отраслями промышленности. Общая валовая продукция промышленности в 1991 году составляла более 5000 млн. американских долларов. Наибольший вклад в экономику вносят химическая, нефтехимическая, машиностроительная, легкая и пищевая отрасли промышленности, дающие в целом до 70 % валовой продукции.

В сельском хозяйстве основная часть потребляемой воды расходуется на регулярное и лиманное орошение. Забор воды осуществляется на всем протяжении реки Арыс. Здесь насчитывается до 300 магистральных и внутрихозяйсивенных каналов. Площадь орошаемых земель составляет около 50 тыс. га. Кроме того примерно 435 тыс. га приходится на обводняемые земли. В 1965 году начал эксплуатироваться Арысский магистральный канал пропускной способностью 45,0 м3/с. Его назначение переброска части стока р. Арыс в Бугуньское водохранилище. В бассейне р. Бадам, левобережного притока р. Арыс в 1974 году в 500 м выше гидроствора с. Михайловка,

сооружена водоподъемная плотина, обеспечивающая поступление воды в Бадамское водохранилище. Сброс из этого водохранилища располагается ниже гидропоста с. Михайловка. В меженный период практически весь сток реки поступает в Бадамское водохранилище. Бассейн реки Келес до створа Акжар имеет 80 магистральных каналов. Все они земляные, не оборудованы даже простейшими инженерными сооружениями. В пределах бассейна р. Боген до с. Красный мост насчитывается 20 магистральных каналов. Площадь орошаемых земель составляет 50 тыс. га, обводняемых - около 420 тыс. га.

Активная водохозяйственная деятельность в бассейнах рассматриваемых рек началась в 1930-1940 годах. Именно в этот период введено в эксплуатацию большинство оросительных каналов. До настоящего времени они не имеют современного инженерного оборудования. Забор воды на различные нужды (поливы и т.д.) существенно искажает гидрографы половодья, значительно уменьшает водность рек.

Статистическая значимость влияния хозяйственной деятельности на сток определялась путем оценки однородности стоковых рядов и наличия тренда. Для этого использовались критерии Вилкоксона, Фишера, Сгьюдента, г-критерий, а для проверки исходных совокупностей - коэффициенты автокорреляции и критерий Неймана. Кроме того для объективного установления момента начата существенных изменений в стоке под влиянием хозяйственной деятельности применялся метод двойных интегральных кривых.

Значительное нарушение синхронности колебаний поступления воды на поверхность водосбора и стока р. Арыс у ж.-д. ст. Арыс, выявленное по интегральной кривой, отмечается с 1965 г., на р. Бадам у с. Михайловка - с 1974 г. Причиной его для р. Арыс является ввод в эксплуатацию Арысского канала, для р. Бадам - сооружение водоподъемной плотины, обеспечивающей поступление воды в Бадамское водохранилище. По всем критериям для рек Арыс и Бадам гипотезы об однородности данных по измеренному (бытовому) стоку отвергаются.

В стоковом ряду р. Шаян тренд отсутствует. Практически по всем критериям гипотеза однородности принимается. Это дает основание полагать, что хозяйственная деятельность не оказывает существенного влияния на водность реки.

Интегральные кривые, построенные для рек Келес, Боген, не позволили выявить период с резким нарушением стока, несмотря на то, что забор воды из этих водотоков осуществляется с давних пор.

Выполненные исследования позволили восстановить естественный сток рек Арыс, Бадам, Келес, Боген и Шаян. Для этого были использованы три принципиально различных способа: - статистический, по уравнению линейного тренда (для рек Арыс, Келес, Боген,

Шаян); по упрощенному уравнению руслового баланса (для рек Арыс, Келес, Боген, Бадам); путем моделирования с помощью усовершенствованной концептуальной математической модели формирования стока горных рек, разработанной в Казахском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте (КазНИГМИ ныне КазНИИМОСК) под руководством В.В. Голубцова. Модель успешно адаптирована для р. Арыс, являющейся самым многоводным притоком р. Сырдарья в пределах Казахстана, и р. Шаян, сток которой, по предварительной оценке, не подвержен существенному антропогенному влиянию.

Проведенная с помощью указанных методов оценка влияния хозяйственной деятельности на сток рассматриваемых рек показала, что большие антропогенные изменения наблюдаются только на реках Арыс и Бадам (таблица 1). Она позволяет сделать следующие выводы:

- уменьшение стока по сравнению с естественными условиями произошло на р. Арыс после ввода в действие Арысского канала и составило в среднем 55 % , в маловодные годы - 80 %, в многоводные годы - 35 %;

- изменения стока р. Бадам, достигавшие до 1974 года 36 % от его естественных значений, после построения водоотводного канала возросли в среднем до 58 %, а в отдельные годы практически вся вода р. Бадам забирается на пополнение Бадамского водохранилища;

- в бассейнах рек Келес и Боген резких антропогенных изменений стока за период с 1960 по 1990 гг. не наблюдалось, что является следствием одного и того же уровня хозяйственной деятельности;

- в бассейне р. Шаян влияние хозяйственной деятельности несущественно;

- хорошая сходимость оценок антропогенных изменений и восстановления естественного речного стока, произведенных тремя независимыми способами (статистическим, воднобалансовым, по математической модели), дает основание считать, полученные результаты достаточно достоверными, и рекомендовать восстановленные ряды стока для использования в различных гидрологических расчетах, а также для разработки методик гидрологических прогнозов;

- в условиях снижения качества гидрологических наблюдений, происходящего в настоящее время, наиболее приемлемым и перспективным способом восстановления естественного стока рек и оценки влияния хозяйственной деятельности на водные ресурсы можно считать использование математической модели формирования стока КазНИГМИ.

Таблица 1

Изменение стока рек, обусловленное хозяйственной деятельностью

Расчетный период, годы Бытовой сток, М3/с Естественный сток, м3/с Изменение стока

по тренду по русловому балансу по модели по тренду по русловому балансу по модели

м'/с % м7с % м7с %

Река Арыс - ж.-д. ст. Арыс

1951-1990 55,3 91,7 88,9 87,4 36,4 40 33,6 38 32,1 37

Река Келес - аул Акжар

1960 - 1990 9,65 9,19 10,2 0,46 5 0,58 6 _

Река Боген - с. Красный Мост

1966 - 1990 9,23 | 10,8 | 10,4 1,57 14 1,11 11

Река Шаян - в 3,3 км ниже устья р. Акбет

1951 - 1990 5,3 5,58 5,36 0,28 5 0,06 1

Река Бадам - с. Михайловка

1966 - 1990 3,83 8,03 4,16 52

В третьем разделе приведено краткое описание модели формирования стока КазНИГМИ и основные ее параметры для рассматриваемых рек.

В модели КазНИГМИ речной бассейн представлен в виде трех последовательно соединенных регулирующих емкостей, расположенных одна над другой и отождествляемых с поверхностным, почвенногрунтовым и грунтовым стокообразованием. Модель включает описание отдельных элементарных воднобалансовых процессов: формирования снегозапасов и поступления воды на поверхность бассейна, изменения влагозапасов, промерзания и оттаивания в почвогрунтах, суммарного испарения, поверхностного, почвен-ногрунтового и грунтового стокообразования, формирования притока к русловой сети и гидрографа стока в замыкающем створе.

Модель КазНИГМИ позволяет даже при наличии ограниченной исходной информации моделировать сток с высотных зон, а также с различных ландшафтных частей бассейна и склонов различной экспозиции. Эти возможности модели определяются тем, что ее параметры принимаются зависящими от высоты местности, уклона и экспозиции горных склонов, а также характера подстилающей поверхности (открытой, залесенной, ледниковой и т.д.).

Одним из основных элементарных процессов, определяющих формирование стока в период снеготаяния является поступление воды на поверхность бассейна. В число важнейших характеристик, необходимых для его моделирования, входят среднесуточная температура воздуха и суточная сумма осадков. Учитывая, что температура воздуха для большинства месяцев изменяется с высотой нелинейно, расчет ее значений проводился по выражению

6 (г,0 = 6 (г0,1) - 4\{г-ц) - у2(г-%)2, (1)

где 0 (г,!) - среднесуточная температура воздуха в момент времени I на высоте г, °С ;

0 (/-оД) - то же на высоте г0, к которой приводится температура воздуха на

метеорологических станциях °С;

У! и у2- параметры зависимости, размерности которых соответственно град/км и град/км2. Обозначая у = у, + уг(г-г0), выражение ( 1 ) можно записать и в таком виде:

0(2,1) = 0(го,1)-у(г-го), (2)

где у - вертикальный градиент температуры воздуха, изменяющийся с высотой местности, град/км.

и

В случаях, когда у не зависит от z, выражение ( 2 ) сводится к линейному виду.

Для оценки параметров у, и у2 использованы выражения, предложенные JI.H. Боровиковой и Ю.М. Денисовым:

у, = (2az0 + b)/(aZo2 +bZo + с), (3)

у2 = a/(az02 + b zo + с). (4 )

Параметры a, b и с определялись методом наименьших квадратов по зависимости средней месячной температуры воздуха от высоты местности:

02 = az2 + bz + с. (5)

Значения у! и у2, рассчитанные с помощью выражений (3) и (4 ) при z0 = 0,5 км, изменяются в течение года. Зависимость, характеризующая эти изменения, аппроксимирована косинусоидой

y = ys+?,cos2rt/N(t-T0), (6)

где у и ys - текущее и среднее значение параметра; X - полуамплитуда колебаний параметра у; N - количество суток в году;

t - текущее время, отсчитываемое от начала года, сут; т0 - время, отсчитываемое от начала года и соответствующее экстремальному значению определяемого параметра, сут. В основу расчета поступления осадков положена их зависимость от абсолютной высоты местности, имеющая неодинаковый характер для различных бассейнов. Эта зависимость для расчета суточных сумм осадков в различных высотных зонах X(z,t), предложена JI.H. Боровиковой и Ю.М. Денисовым:

X(z,t) = X(Zo,t) [ 1 +K2(Z-Zo) + K3(z-Zo)2], (7)

где Х(7о,1) = 1/п ХХ(2„1)/[ 1+К2(2г2о) + К}(ггг0)% 1=1

20 - высота, к которой приводятся данные наблюдений за осадками

на метеорологических станциях, км; I - время, отсчитываемое от начала года, сут. К2, К3 - параметры; п - количество метеостанций;

- осадки на метеорологической станции, расположенной на высоте гъ мм;

Для исследуемого района высота ъ0 принята равной 0,5 км. Параметры К2, К3 определялись с помощью выражений

К2 = (2а2о + Ь)/(аг02 + с), (8)

Кз = а/(а202 +Ъг0 + с), (9)

а значения параметров а, Ь и с - методом наименьших квадратов по зависимости' месячных сумм осадков (X) от высоты местности (г):

Х(г) = аг2 + Ъг + с. (10)

Зависимости месячных осадков от высоты местности для бассейнов рек Боген и Шаян с августа по март имеют нелинейный вид, с апреля по июль - прямолинейный. По классификации М.И. Геткера, распределение осадков в этих бассейнах относится ко второму типу. В бассейнах рек Арыс, ее притоков и реки Келес - к первому типу. Значения К2 и К3 при ъ = 0,5 км изменяются в течение года. Зависимость, характеризующая это изменение, аппроксимируется косинусоидой вида (6).

Для устранения несоответствия между измеренными и истинными величинами осадков при моделировании поступления воды на поверхность бассейнов по методике ГГО-КазНИИ вводились поправки на ветровой недоучет, испарение и смачивание. При этом разделение осадков производилось на жидкие и твердые по методу Г.Е. Глазырина.

Расчет влагозапасов, глубины промерзания и оттаивания почвогрунтов осуществлялся последовательно от предыдущих суток к последующим по схеме Голубцова - Ли. В работе проведено определение параметров этой схемы для бассейнов рассматриваемых рек юго-западного склона хр. Каратау и северо-западного склона хр. Таласский Алатау. Хорошее совпадение наблюденных и рассчитанных величин влагозапасов, глубин промерзания и оттаивания почвогрунтов указывает на то, что рекомендованная схема учитывает основные факторы, обуславливающие динамику влагозапасов, промерзания и оттаивания почвогрунтов и может быть рекомендована для их определения в данном районе.

Четвертый раздел посвящен результатам исследования по разработке методик прогноза стока за период половодья. Дан аналитический обзор существующих приемов прогнозирования стока горных рек. Рассмотрены некоторые аспекты применения методов математической статистики для установления прогностических схем.

Приведены прогностические схемы долгосрочного прогноза стока рассматриваемых рек за период половодья и схема краткосрочного прогноза водности. Представлена оценка их точности, эффективности и значимости.

В работе описаны и проанализированы основные методы прогноза стока горных рек на вегетационный период и месяцев внутри него - от наиболее простых до современных многофакторных статистических моделей, прогностических схем, использующих данные искусственных спутников Земли о снежном покрове и его динамике, детерминированных математических моделей формирования стока.

Исходными при разработке методик прогноза стока половодья горных рек являются зависимости вида:

у-у0 = f (s,x, w), (11)

где у-у0 - сток половодья за вычетом многолетнего подземного питания, м3/с;

s - снегозапасы, мм;

х - жидкие осадки, мм;

w - характеристика увлажнения бассейна к началу половодья, мм.

Существенный недостаток большинства методов прогноза состоит в использовании косвенных характеристик снегозапасов и предшествующего увлажнения, а также в недоучете промерзания почвогрунтов, оказывающего во многих случаях существенное влияние на режим потерь стока. Прогностические схемы могут быть улучшены при наличии информации о реальных запасах воды в снеге и почве, о промерзании и оттаивании почвогрунтов.

В прогностической практике при разработке методик прогноза широко используется линейный ре1рессионный анализ. В ряде случаев при достаточном наборе факторов множественная регрессия позволяет создавать вполне удовлетворительные прогностические схемы. Поскольку при этом для составления уравнений множественной регрессии не всегда имеет смысл использовать весь набор предикторов из-за сильной скоррелированности между ними, возникает необходимость отбора наиболее информативных предсказателей, для чего существуют различные методы. Наиболее распространенным из них является метод "просеивания", предложенный H.A. Багровым.

Методика долгосрочного прогноза естественного стока рассматриваемых рек представляет собой регрессионные схемы, в которых в качестве предикторов используются моделированные значения снегозапасов, поступления воды на поверхность бассейна, влаго-запасов и глубины промерзания почвогрунтов. Выпуск прогноза предусмотрен за 10 дней до наступления прогнозируемого периода.

Моделирование предикторов осуществлялось по среднесуточным температурам воздуха и суточным суммам осадков на метеорологических станциях, расположенных в бассейнах рек. Оно проводилось на ЭВМ ЕС 1035 и персональном компьютере PC/AT с помощью программы POSTUPL. Дата начала моделирования принималась 1 ноября предшествующего года. В некоторых случаях в качестве дополнительных факторов, характеризующих снегозапасы и увлажнение бассейна привлекались значения индексов атмосферной циркуляции по Вангенгейму, количество осадков или суток с осадками по опорным метеостанциям, а также сток за предшествующий период.

Прогностические уравнения имеют следующий общий вид:

Хо = ао + аоЛ + 802X2 + Эоз^з «WQ» (12)

где Хо - предикгант;

ао - свободный член уравнения; ао b ао2, аоз, ао4 - коэффициенты регрессии; X], Х2, Х3, Х4 - предикторы.

Основным предиктором для прогнозирования естественного стока р. Арыс является объем оставшихся снегозапасов в бассейне на дату, предшествующую выпуску прогноза. Этот предиктор присутствует почти во всех прогностических уравнениях (кроме февральского и июньского). Кроме того, в уравнениях для прогнозирования стока на период половодья и май присутствует в качестве предиктора предшествующая водность. Поступление воды на поверхность водосбора и влагозапасы почвогрунтов используются как определяющие факторы естественного стока для его прогнозирования на февраль и июнь, для прогнозирования стока воды на март, апрель, май учитывается сумма осадков, выпавших в бассейне реки за период снегонакопления.

Для прогнозирования стока воды р. Боген на период половодья и все месяцы этого периода, кроме февраля основным предиктором является объем оставшихся снегозапасов. Учет запаса влаги в почво-грунтах позволяет увеличивать эффективность методик прогнозов на март и апрель. В качестве дополнительного предиктора в уравнении для прогноза стока используется сумма осадков, выпадающих в бассейне за период снегонакопления. Предшествующая водность и сумма осадков, выпадающая на водосбор в период снегонакопления учитываются в уравнениях для февраля, мая, июня и периода вегетации.

В бассейнах рек Келес и Бадам существует большая инертность процессов, учет которой производится предшествующей водностью. Этот предиктор участвует во всех прогностических схемах, кроме апрельской для р. Келес и мартовской для р. Бадам. Также большое

влияние на сток оказывает запас воды в почвогр унтах, который используется как предиктор для прогнозов водности р. Келес на период половодья, за февраль, март и июнь (рр. Келес, Бадам), а также на май (р. Бадам). Для прогноза мартовского стока на р. Келес и апрельского на р. Бадам привлечены объемы снегозапасов, оставшиеся в бассейнах на дату выпуска прогноза. В качестве дополнительного предиктора используется сумма осадков, за период снегонакопления.

Для прогнозирования водности р. Шаян в качестве основных предикторов служат поступление воды на поверхность водосбора и суммы осадков за период снегонакопления. Эти предикторы присутствуют во всех прогностических схемах, кроме июня, а для периода половодья они являются определяющими. Кроме того, в прогностических схемах учитывается сумма осадков за период снегонакопления (период половодья), объем оставшихся снегозапасов ( апрель), льдистость (март), влагозапасы почвогрунтов (май), число суток с атмосферной циркуляцией типа Е по Вангенгейму.

Определяющими предикторами для прогнозирования вегетационного стока рек Аксу, Сайрам и Жабаглысу являются объем оставшихся в бассейне снегозапасов на 20 марта и предшествующая водность. Для реки Аксу дополнительно используются запасы влаги в почвогрунтах на эту же дату в интервале высот 1600-1800 м. Кроме того, в схемах для бассейнов рек Сайрам и Жабаглысу учитывается количество суток с атмосферной циркуляцией типа С по Вангенгейму. Этот тип атмосферной циркуляции характеризует меридиональный перенос воздушных масс и приводит к установлению аномалии положительных температур воздуха и осадкам, превышающим норму в осенне-зимний период. В бассейне р. Жабаглысу проявляется и влияние на сток вегетационного периода общей влагонасыщенности бассейна в осенний период, в качестве показателя которого используется водность реки в ноябре. Для прогнозирования водности рек на второй квартал и апрель используются те же предикторы, что и для периода вегетации. Основными факторами, определяющими сток в мае и июне рек Аксу и Сайрам, являются поступление воды на поверхность бассейна и предшествующая водность. Сток р. Жабаглысу в мае зависит также от величины снегозапасов. В период летней межени месячный сток для всех рек определяется предшествующей водностью, которая характеризует инерционность процессов в бассейнах.

Наибольшее число предикторов для прогнозирования стока в предлагаемой методике учитывается в прогностических схемах, полученных для второго квартала. Это, в основном, те же факторы, что и для вегетационного периода. Разница состоит только в том, что во втором квартале не проявляется существенное влияние предшествующей водности на формирование стока реки Аксу.

Полученные прогностические уравнения характеризуются высокими коэффициентами корреляции (0,70-0,90) и высокой обеспеченностью допустимой ошибки (70-85 % и выше). Всего получено 54 прогностических уравнения. Разработанные методики характеризуются хорошими и удовлетворительными показателями качества. Достоверность прогностических уравнений за все календарные периоды оценивалась на основе проверки значимости их параметров, уравнений в целом, коэффициента множественной корреляции при уровне значимости равном 5 %.

Учитывая большое влияние хозяйственной деятельности на водность изучаемых рек возникла необходимость в прогнозе бытового стока, который определяется по разности естественного стока и водозабора:

где Обьгг - прогнозируемый бытовой сток, м3/с;

С)ест - прогнозируемый естественный сток, м3/с;

(Звдз - прогнозируемый водозабор, м3/с.

Методика прогнозов (2ест приведена выше. Что касается прогноза водозаборов, то анализ их изменения показал, что для р. Арыс существует зависимость между ними и естественным стоком. Учитывая наличие этих зависимостей, прогноз водозаборов для периода половодья можно осуществлять, используя следующие выражения:

С> - прогнозируемый естественный расход воды, м3/с.

Подобные схемы прогноза водозаборов разработаны для февраля - июня.

Способ прогноза водозаборов разработан и для р. Бадам у с. Ми-хайловка. Он основан на использовании зависимости водозаборов от естественного стока и уровня Бадамского водохранилища на 20-е число предшествующего прогнозу месяца. Установлено также, что при уровне водохранилища меньше 665,0 м на наполнение последнего забирается практически весь сток. В качестве примера приведена схема прогноза водозаборов для половодья:

(13)

(14)

Г <3п-0,3, при Н01< 665,0

{

I (Зп - 0,48(Н01 -665,0) - 2,8, при Н01 > 665,0,

где qlr - прогнозируемый водозабор, м3/с;

Qn - прогнозируемый естественный расход воды, м3/с;

Н02 - уровень воды Бадамского водохранилища на 20 февраля, м.

Для рек Келес до аула Акжар и Боген до с. Красный Мост водозаборы небольшие. Зависимость их от водности не обнаружена. Поэтому они приняты средними за периоды, для которых предполагается составлять прогнозы. Таким образом, зная естественный сток и забор воды по формуле ( 13 ) можно дать прогноз бытового стока.

При разработке методики краткосрочного прогнозирования водности за период половодья использована усовершенствованная модель формирования стока горных рек, созданная в КазНИГМИ. Модель реализована в виде программы на языке "Паскаль" для PC/AT в лаборатории гидрологических расчетов и прогнозов. Для решения этой задачи привлекались данные наблюдений на метеорологических станциях Тасарык, Ванновка, Шымкент за 1966-1985 гг. Для р. Шаян использовались данные метеостанции Шаян за 1950-1990 гг. При этом с помощью модели, по данным о среднесуточных температурах воздуха и суточных суммах осадков, рассчитывались ординаты гидрографа стока на период заданной заблаговременности.

При расчете гидрографа стока в качестве входных характеристик используются фактические и прогнозируемые значения среднесуточных температур воздуха и суточные суммы осадков за период заблаговременности 1-3 суток, а также расход воды в замыкающем створе за предшествующие сутки. Прогнозируемые величины указанных метеорологических элементов предварительно анализируются вместе с предшествующими наблюдениями метеорологических станций и в случае необходимости корректируются.

Разработанные методики имеют показатели качества, удовлетворяющие современным требованиям. Точность моделирования расходов воды убывает с увеличением заблаговременности используемых исходных данных. Так, коэффициент корреляции между ожидаемыми и измеренными расходами воды за период половодья для р. Арыс изменяются от 0,92 при заблаговременности 1 сутки до 0,73 при заблаговременности 3 суток, для р. Шаян соответственно - 0,88 - 0,69 (таблица 2). Обеспеченность уменьшается от 95 до 74 % ( р. Арыс) и от 94 до 85 % (р. Шаян). Критерий качества разработанной методики ухудшается, возрастая соответственно от 0,40 до 0,73 (р. Арыс) и от 0,48 до 0,73 (р. Шаян).

Разработанные методики долгосрочного и краткосрочного прогноза водности притоков р. Сырдарья в пределах Казахстана прошли производственные испытания и внедрены в отделе гидропрогнозов Бюро Погоды Казгидромета.

Таблица 2

Результаты оценки точности и эффективности разработанных методик краткосрочных прогнозов расходов воды за период половодья

Река - пункт °доп, м/с Критерий оценки

Б/о Я Р,%

Заблаговременность 1 сутки

Арыс -ж.-д.ст. Арыс 36,1 0,40 0,92 95,0

Шаян-в 3,3 .км ниже устья р. Акбет 3,96 0,48 0,88 94,0

Заблаговременность 2 суток

Арыс-ж.-д.ст. Арыс 36,4 0,82 0,57 86

Шаян-в 3,3 км ниже устья р. Акбет 4,10 0,70 0,72 86

Заблаговременность 3 суток

Арыс-ж.-д.ст. Арыс 36,9 0,68 0,73 74

Шаян-в 3,3 км ниже устья р. Акбет 3,96 0,73 0,69 85

В заключении сформулированы основные результаты исследований.

1) Установлены изменения важнейших морфометрических характеристик бассейнов притоков р. Сырдарья в пределах Казахстана - распределение площади водосбора, густоты гидрографической сети и уклонов по высотным зонам и в зависимости от экспозиции горных склонов.

2) Определены параметры зависимостей, описывающих внутри-годовое изменение градиентов осадков и температуры воздуха с высотой местности.

3) Адаптирована впервые к условиям Южного Казахстана разработанная в КазНИГМИ модель формирования стока горных рек. Определены параметры моделей расчета влагозапасов, промерзания и оттаивания почвогрунтов.

4) С помощью модели формирования стока впервые рассчитаны значения снегозапасов, поступления воды на поверхность водосбора, влагозапасов, промерзания и оттаивания почвогрунтов для бассейнов рассматриваемых рек.

5) В результате оценки влияния хозяйственной деятельности на сток рассматриваемых рек, выполненной тремя различными способами (по уравнению тренда, по упрощенному уравнению руслового баланса, путем моделирования стока), впервые установлено, что наибольшее антропогенное уменьшение стока произошло в бассейнах рек Арыс и Бадам. На р. Арыс после ввода в действие Арысского

канала это изменение составило в среднем 55 %. На р. Бадам после ввода в эксплуатацию водоотводного канала оно возросло и составило в среднем до 58 %.

6) Восстановлен естественный сток р. Арыс у ж.-д. ст. Арыс, р.Бадам у с. Михайловка, р. Боген у с. Красный Мост, р. Келес у аула Акжар.

7) В условиях снижения качества гидрологических наблюдений, происходящего в настоящее время, как наиболее приемлемый и перспективный способ восстановления естественного стока рек и оценки влияния хозяйственной деятельности на водные ресурсы, можно рекомендовать использование математической модели формирования стока.

8) Разработаны методики долгосрочного прогноза естественного стока рек Арыс, Бадам, Келес, Боген и Шаян на период весеннего половодья, стока рек Аксу, Сайрам и Жабаглысу на период вегетации, а также месячного стока внутри этих периодов. Оценка эффективности и качества методик, проверка на независимом материале и в оперативных условиях показали, что разработанные прогностические схемы относятся к категории хороших и удовлетворительных. Всего получено 54 прогностических уравнений, характеризующихся коэффициентами корреляции от 0,70 до 0,90 и хорошей обеспеченностью допустимой погрешности. Общая эффективность методик для зависимой выборки составляет 78 %, для независимой выборки - 74 %.

9) Включение в состав исходного вектора-предиктора моделированных значений снегозапасов, поступления воды на поверхность бассейна, влагозапасов и промерзания почвогрунтов позволило преодолеть главную трудность в решении поставленной задачи - ограниченность необходимой гидрометеорологической информации.

10) В связи со значительным влиянием хозяйственной деятельности на сток рек Арыс и Бадам впервые разработан способ прогноза водозаборов на период половодья и месяцев внутри этого периода. Величина водозаборов из р. Арыс зависит от водности года, а из р. Бадам - и от уровня наполнения Бадамского водохранилища.

11) Впервые разработана методика краткосрочного прогноза водности рек Арыс и Шаян с заблаговременностью 1 - 3 суток, основанная на использовании модели формирования стока горных рек, разработанной в КазНИГМИ. Методика автоматизирована, имеет общую оправдываемость 87 % в предположении 100 % оправдываемости прогноза погоды. Оценка эффективности, качества и проверка ее в оперативных условиях показала, что методика для р. Арыс имеет общую обеспеченность 83 %.

12) Разработанные методики долгосрочного и краткосрочного прогноза водности притоков р. Сырдарья в пределах Казахстана дове-

дены до уровня практического использования, внедрены в Бюро Погоды Казгидромета.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Моделирование изменения среднесуточных температур воздуха и суточных сумм осадков с высотой местности в бассейнах рек северо-западного склона Таласского Алатау // Труды КазНИГМИ. -1989. - Вып. 104. - С. 13-16 (в соавторстве с A.A. Кучменко).

2. О методике стока рек северо-западного склона Таласского Алатау // Труды КазНИГМИ. - 1991. - Вып. 107. - С. 156-161 (в соавторстве с A.A. Кучменко).

3. Использование модели формирования стока для краткосрочного прогноза водности горных рек Казахстана // Гидрометеорология и экология. - 1996. - № 2. - С. 101-113 ( в соавторстве с В.В. Голубцовым, В.И. Ли, Т.П. Строевой).

4. Долгосрочное прогнозирование водности горных рек Южного Казахстана на период весеннего половодья // Гидрометеорология и экология. - 1996. - № 2. - С. 114-125.

5. Оценка влияния хозяйственной деятельности рек с использованием математической модели его формирования // Гидрометеорология и экология. - 1996. - № 4. - С. 138-143 ( в соавторстве с В.И. Ли).

6. Антропогенные изменения стока в бассейнах рек Арысь и Келес // Тезисы Международной конференции по проблемам изменения климата. Алматы. -1997,- С. 68. (в соавторстве с В.И. Ли).

7. Прогнозирование водности рек юго-западного склона хр. Каратау и западных отрогов Таласского Алатау с использованием модели формирования стока // Геофизические основы устойчивого развития Республики Казахстан. Алматы: Галым. - 1998. - С. 293 - 298.

Попова Валентина Петровна

"К,азак,стан аук,ымындагы Сырдария езеншщ салаларынын сулылырын болжамдау"

ТУЙ1Н

Жумыста Казахстан аук,ымындагы Сырдарияньщ салалары ( Арыс, Келес, Беген жэне т. б.) мен к,арастырылып отырган аймак,тын жагдайына бей1мделт жасалган КазГМГЗИ-дщ тау езендер'| агындысыньщ к,алыптасу улпа к;арастырылады. Бул жумыс журпзтген зерттеулердщ нэтижесЫ камтиды. Шаруашылык; эрекетгердщ езендердщ сулылыгына тип'зеп'н ecepi ypflic тендеушщ, жеишдеттген арнапык, тендеслкпн, сондай-ак агындыньщ мэнш метеорологиялык;, деректер бойынша улгшеудщ кемепмен багалау мэселелер! келтрлген.

Непзп кент Арыс тем1р жол станциясынын тусындагы Арыс, Кызыл Kenip бекетшщ тусындагы Беген, Акжар ауылынын тусындагы Келес езендершщ табиги агындарын кдппына келт1руге жэне тау езендер1 агындыларыныц кдлыптасу улг'леР' мен регрессиялык; нобайларыньщ непз|'нде Казахстан аукымындагы Сырдария езен1 салаларынын сулылыгын узак, мерз1'мдк жэне к;ыск,а мерз1мдк болжау эдюн эз!рлеуге аударылды. Арыс пен Бадам езендермен су алу болжамыньщ нобайы эз1рленд1.

взендердщ сулылыгын болжау нобайын багалаудын нэтижеа мен оларды жедел тэж1рибеге енпзу туралы мэл1меттер келтфшген.

RESUME

Popova Valentina Petrovna

FORECASTING OF WATER EQUIVALENCE OF

TRIBUTARIES OF SYRDARYA ON THE TERRITORY OF KAZAKHSTAN

The tributaries of the river Syrdarya in the territory of Kazakhste (Arys, Keles, Bogen etc.) and the KazNIGMI model of forming of tl runoff of the mountain rivers adapted to the conditions of investigatir region are being considered. The work contains the results of tl investigation that was done before. The assessment of influence of econom activity on the water equivalence of rives with the help of equation of trer simplified by the equation of the channel balance and also with the help i modeling values of the runoff according to the meteorological data, we carried out.

The main attention was given to the reconstruction of the natur runoff of the rivers Arys near the railway station Arys, Badam near the villaj Mihaylovka, Bogen near the village Krasny Most, Keles near the aul Akz and to the working out of a method of a longrange and short-range foreca of water equivalence of the tributaries of the river Syrdarya on the territory < Kazakhstan on the basis of using the model of forming the runoff of tl mountain rivers and the regrassional schemes. The schemes of the forecas of the water intakes for the rivers Arys and Badam were worked out.

The results of assessment of the developed out schemes of forecasts water equivalence of the rivers and the information about putting them in the operational practice have been shown.