Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Прогнозы элементов водного режима рек лесной и лесостепной зон Восточной Сибири

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Прогнозы элементов водного режима рек лесной и лесостепной зон Восточной Сибири"

РГ6 од

На правах рукописи

МАРКОВА Елена Эдуардовна

Прогногы элементов водного режима рек лесной и лесостепной зон Восточной Сибири

11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Иркутск -1997

Работа выполнена в КНЦ Среднесибирского УГМС и на землеуаро, тельном факультете Краснояского государственного аграрного университета

Научный руководитель -

доктор географических наук,'профессор Д.А.Бураков

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор С П.Никитин кандидат географических наук А.Н.Анткпов

Ведущая организация: Сибирский научно-исследовательскии институт пиротехники и мелиорации

Защита диссертации состоится "_б_" _октя6ря __в _10

часов на заседании Диссертационного совета Д-002.60.02 при ¡¡п'-титутс географии СО РАН по адресу: 664033 г.Иркутск-33, ул. Уланбато/'с> ■ /я. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института гссч рафии СО РАН

О о

Автореферат разослан с~С августа 1997 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук

Ю.В.Рыжог

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ-

Актуальвость работы. Одной :п вшкнейшнх сторон практического приложения гидрологии являются шдролоппесхме прогнозы, которые обеспечивают возиожность принятия оперативных решений по использованию водных ресурсов и управлению водохозяйственными системами. Настоящее исследование посалщено разработке методов прогнозов элементов водного режима рек леспой я лесостепной зон Восточной Сибири (рис.1). В работе приводятся как общие методические рекомендации к прогнозированию снеговых половодий, дождевых паводков, летне-осенней межени, тах и конкретные методахя прогнозов различной заблаговреыенности.

Научная актуальность диссертации определяется недостаточной разработкой теории п практики прогнозов речного стока изучаемой территории.

Исходные материалы и обьехты исследования. Работа основана па материалах многолетних наблюдений гидрометеорологической сетп Красноярского, Иркутского и Забайкальского УГМС (сток, осадки, запасы воды в снеге, температуры воздуха и воды, а также некоторые другие данные более чем 200 станций и постов). Она подводят итог десягялет-ниы исследованном, являясь обобщение:: результатов, полученных автором при выполнении НИР по плавам Росгидромета (теша 1.9.2.14 "Разработать методы прогноза элементов водного режима рек Сибири на базе ПЭВМ в период открытого русла", РЗ.4.15 "Разработать метод прогноза ежедневных уровней воды дакдевых паводков на р.Ия у г.Тулуна " и 1.9.2.15 "Разработать метода долгосрочных прогнозов весеннего половодья на реках Сибири" - исполнитель Красноярский фшк-алСибНИГМИ).

Диссертация вьшолнепа на примере 14 расчетных створов рек Под-каменная Тунгуска (бассейн Енисея), Тасеева, Ия (бассейн Ангары), Лена а Витим.

Цель исследования заключаются в обосновании и разработке методик прогноза элементов водного резкпма рек на основе обобщений материалов теоретических и экспериментальных исследований с учетом ландшафтных особенностей территории. Реализация поставленной целз связана с решением следующих задач:

1) провести анализ особенностей формирования стока рек за перпод открытого русла в изучаемых бассейнах;

2) оценить объем н репрезентативность исходных гидрометеорологических наблюдений с точки зрении возможности их использования для расчета характеристик водного баланса я прогнозирования элементов гидрологического режлиа;

ВОСТОЧНАЯ СИБИРЬ, ГОРЫ ЮЖНОЙ СИБИРИ

\ I район - реюг^преимуществснно снеговым ' . ../ .'.9„

-питанием; , " ''

! 11 - реки со смешанным питанием, у'" —' /

¡ч III - реки с пре)гмущсственно дождевым питанием.^

£

л ' 1 *.»,,...-•» у-Ъ' -

_____государственная граница РФ ч

_ границы исследуемого региона

........ границы природных зон Ч.

__границы гидрологических районов

Рис.1. РайокЕро'-.апке г.сспадуемого региона по прнродньш зовах в

ксгсчиккял: т:т«ишя.

3) определить наиболее пифоршгютгыг преллгт': ;'.ы и рг-лр-ботать цоделн прогноза с нх реалпзацп ей па ЭВМ,

4) оценить точность методик прогноза па пелса'.юнпоп латерпале.

Перечисленные задачи опр?: глтют необходимость рассмотрения широкого круга вопросов, многие аз которых прппеяптсльно к пзучоецой территории поставлены н решельг вцерпыг.

Методы исследований. Онпшальный путь разработки методик прогнозов стока состоит в синтеза методов гадролого-иатешгтЕческого моделирования с географо-пщролопгсескзи подгеодо:;. На оснозе гео-графо-гндрологического в статяствческого методов определзлзсь ан-форматявные предикторы прсгпостпчесхпх поделай. Географический подход использовался для оглскашя ресрезептэт'гзпых бассейнов-аналогов, при выделении районса, однородных по условиях* формирования стока Статистические итодо применились прп оценке статистических характеристик рядов наблюдений, длпусгаяоЕшзнш! связей ыегкду предиктантон в предккторанп, пря расчете допустгпп яс ошибок прогноза и оценки качества методик прогаозирогалиг Опр еделение перелет-ров гидролого-математическнх моделей стока прояснилось с поисщыо методов оптимизация.

Научная новизна работы состоит ъ усгсасллецл:: с снов пых факторов и закономерностей ф орм яр о в п;;л эл е и е > гт с в водного релаша per. лссле-дуеиой территории и обосновании нет одев in: проглота

В основе прогнозов стока рек лкклт иетод водного баланса В длс-сертации проведен анализ элсиентоа водного баланса горных районов Сибири, который показал, что при существующей информационной гидрометеорологической обеспечения с достаточно:" степенью надежности иожно определить только стог в зпиыкаюгцеп створе. Следовательно, в изучаемом регионе задачи прогноза стока не- иогут быть непосредственно решены на основе созиеспГого рассмотрения уразненнй баланса влаги и энергии. В результате обобщения большого количества гидрометеорологических наблюдений обоснованы основные предякторы прогностических моделей, которые кзлзаотся, но существу, косвенными характеристиками составляющих водного баланса п других факторов формирования рассиатриваеш гх элеиентоз релепна рсх.

На многих реках Восточной Сибири иаксииуи половодья, хроие основных характеристик, определяющих объем талого стока, обусловлен ледовыми явлениями в период в скрыт кя. Предложена новая методика для прогноза максимального уровня весеннего половодья с учетом заторных явлений.

В формировании минимальных месячных уровней pes принимают участие различные источники водного питания. На конкретных примерах

показана необходимость выявления генетически однородных временных интервалов п ходе стопа при разработке методик прогноза.

Краткосрочное прогнозирование ежедневных расходов (уровней) воды выполняется хек. с применение!! линейных эмпирических зависимостей, так н на основе гкдролого-натецатпческнх моделей формирования стока В качестве входных параметров тидролого-ыатемятической модели талого п дохедевого стока предлагается, наряду с метеорологическими хЕрахтерпстнкаии использовать уровни воды, га суточные изменения (тенденции) замыкающего и верхних створов. Для прогноза ежедневных уровней воды полоьодья впервые применены в качестве предикторов наблюдения за температурой воды, которая является своеобразным термическим. щрассером, показывающий какое количество талой холодной вода поступает в речную сеть.

Практическая ценность и внедрение результатов. Разработанные прогностические зезпснностег внедрены н используются в оперативной практике отделов гидрологических прогнозов Иркутского я Красноярского УГМС. Методика характеризуются хорошей н удовлетворительной точностью. Диссертация может служить практическим пособием для гидрологов, работающих в области прогнозов стока сибирских рек.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований пеоднокрвтпо обсуждались на заседании НГС Красноярского филиала ЗапСкбШЕГМИ Росгидромета, на всесоюзном совещании "Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного, хозяйства Сибири" (Красноярск., 1989), а также на Мездународкых высших гидрологических г^-реж ЮНЕСКО (Москва,1991). По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, тред глпа, заключения, изложенных иа 181 странице, включая 8 рисунков и 1£ таблиц; кроне того в работе содержится 13 приложений на 43 страницах Список литературы включает 144 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I. Харахглапастцка основных стокообразукщих факторов

В первой глазе приводится краткая характеристика природных уело впй территория, анаггсз стокообразующнх факторов, гидрометеорологи ческой изученности, составляющих водного баланса применительно ; проблеме разработки иетоддк прогнозов элементов водного режима ре: рассматриваемого региона. Как было отмечено, в основе прогнозов сто ка лохпт метод водного баланса

олышшство последователей, запишжш иодио-багаяссгипп рзс-мн для территории Сибири, осиовьаап па рсгионаяьяых зслксн-:sx норы осадков, испарения п стока от гсоты водосБорх > противоположность этому подходу Т Л.Н.АПТ1ШСЗ I! JLM-ICopbtT-(1981) отмечают, что зависимости элем rron подлого баланса от еы-1 местности для большей части Апгяро лясейсхого региона пепрп-;иы Предлагается использовать данпыг эяорпых бассейне», а затеи ф- а экстраполировать их на районы с -достаточносгьго гит отсуг-teu наблюдений ("геосистемный" метог .

Анализ основных публикаций по водно шаяссгыи рссчстсм нссл»-ícS территории позволил разбить пх уст >яо па три группы: L) метод, основанный на уравнениях сва ч элементов подлого а теп-зго баланса с экстраполяцией водпо-бг аисогых хграхтеристах по оте ыестности - "уравнения связи" М-И.:Зудых.о (1956) и В.С.Мезез-з (1957). Этот метод имеет две модафикг гая з зависимости от спосо-ычясления величины пепфепка:

по формуле МЛБудыко - бассейн BriTirs (В.С.Вуглпнский,1972); по формуле В.С.Мезенцева - водосборы Алтая (АВ-Мезенцев, 1987), За-яого Саява (Д.АБуракоа, И.В.Космак<» м др.,1991), Ср'лпесябнрского скогорья(ЦВ.Карнацевич,1991,Г.А-Пп!: '1;пн, 1981 п др.), Верхней Лены ~.Беркан,1970);

) определение осадков по данным наблюдений тдрометеоролопгче-й сети с последующей их экстраползпдг. й по ег ¡сотныи зонам водо-ров н расчет испарения как остаточного члена ур^дкгння водного ба-ica (Водные ресурсы и водный баланс басоейна р. Ангеры,1933). В рае, выполненной под руководством А.Е Петенхова (1990), годсаые дан в речных бассейнах определяются ; о опорным стппцшш с яс-тьзованжем высотного градиента;

3) "геосистемный" метод (часть бассейн в Аягсры п Еяясея). Аналогичные приемы использовались г. з друптх регионах, в частио-t на Кавказе и Карпатах, относительно -/срсшо ззучепкых в гндроме-»рологнческом отношении. Так, Карпат?. освеп;елы даякьши псблю-шй за осадками по всему диапазону высс г.

Для водосборов Алтая н Западного Сг та испарение, рассчитанное формулам Будыко или Мезенцева, в cyi -ie с величиной стока позво-ít получить нормы годовых осадков (X), зднзкгге к вычисленным для гных бассейнов Кавказа н Карпат при с днях и тех :::с слоях стока и имерно одинаковых значениях ноказател г X/Zmnx, (Zmax- максималь-возножное испарение). Следовательно, ie-тод определенна нормы го-вых осадков в горах Сибири по величине стока а замыкающей стъоре и парению, рассчитанвону по формулам Тудыко пля Мезенцева, па се-даяпшнй день кажется более надежные, чей ипхо^кдепие нормы осад-

коз по данным редкой сети метеостанций н неимения как остаточного члена уравнения водного баланса.

В условиях слабого обеспечения территории Сибири гидрометеорологической информацией дхке годовые нориы составляющих водного баланса нельзя получить с достаточной степенью надежности. Для горных и плоскогорных районов Спбкра решение задач прогноза стока не может осуществляться на основе совместного рассмотрения уравнении баланса влаги в энергии, хотя все современные методы прогноза в скрытой нлн явной форме опираются на эти уравнения. Нахождение общих решений в настоящее вреия дело весьма сложное. Большая часть представлепнъix в работе методов прогноза основывается на частных решениях, в которых параметры физико-статистических зависимостей определяются, по данным набтисдеюш гидрометеорологической сети и являются косвенными характеристиками составляющих водного баланса.

П. Долгосрочные прогнозы элементов водного режима рек за период открытого русла

2.1. Долгосрочные прогнозы элементов стока половодья

Предвычпсления обьена стока за период половодья и особенно егс ц£п.ск11йльпого уровня (Нтах) необходимы для определения продолжительности назапщпоЕвого периода на временно судоходных реках, ка кпнп ядлзпотся Подхаменнея Тунгуска а Витим. Особенно важное зняче нпе имеют прогнозы максимальных уровней воды для предупреждения с нкаодненнях и планирования действий в чрезвычайной обстановке.

Методики прогноза Нтах, учитывающие основные факторы весеннегс стока, разработаны для расчетных створов рек Подкаменная Тунгусы (Кузьмовка, Бойкот, В ал сз ара), Витим (Бодайбо, Воронцовкя) я р.Тасе ева-П-Мшукоака

Долгосрочное прогнозирование элементов половодья при наличш данных о снегозапасях в бассейне сводится к определению количеств! талой воды, которое будет поглощено почвой п задержано на поверхно ст;: речного бассейна за период снеготаяния. Эти потери невозможн< опредглптъ с помоо^ю наблюдений, поэтому они учитываются посред ством различных косвенных характеристик предшествующего увлажне нпя водосбора.

Нелппейпыг урсаыення для прогноза объема паводка, апироксимпру щке пзагшосгипь венозных факторов поверхностного стока (Попов, 1963} справедливы прк допущения разномерного по площади распределена подачп воды. В горных районах такое допущение может относиться к от дельным еысотньш уровпяц, но не ко всей территории бассейна.

Результаты исследований в области долгосрочных прогнозов макси-гшных уровней воды весеннего половодья на сибирских реках показали, \ ) для аппроксимации прогностических уравнений в условиях горного и хжогорного рельефа достаточно использовать аппарат лине иной множе-юниой регрессии

Опыт прогнозирования талого стока Европейской территории России, ала (Гидрометцентр России) и Западно-Сибирской равнины (Томский шерситет) доказывает, что лучшим показателем снегонакопления в шинных бассейнах являются данные снегосъемок, а в горных районах и недостатке наблюдений за запасом воды в снеге применяются также *ные осадкомеров. Исследования для территории Восточной Сибири уволили сделать вывод о том, что при существующей сети наблюдений Среднесибирском плоскогорье и Восточном Саяпе в качестве пре~ кторов рекомендуется использовать данные стандартные и специаяъ-х маршрутных снегомерных съемок. В среднегорном бассейне Витима ггрезентативными оказались также наблюдения осадкомеров. Пункты ггомерных съемок здесь расположены в малоснежных районах, подвер-нных метелевому переносу. Для повышения степени обоснованности изей элементов весеннего половодья с характеристиками снегонакопле-я проводилось территориальное осреднение последних. Изучение формирования снегового половодья на равнинных реках Ев-пейской территории России /Л Западно-Сибирской низменности под-грдило тот факт, что показатель осеннего увлажнения наиболее сущест-нно влияет на предсказываемый сток в зонах южной тайги, лесостепи и ;пи. В горах Алтая он входит в прогностические уравнения для рек, в ссейнах которых существенную площадь занимают засушливые межгор-ге котловины. Показатель осеннего увлажнения присутствует в про-остических уравнениях, полученных для расчетных створов лесной, ле-степной и степной зон Восточной Сибири. Объясняется это тем, что есь предзимние почвенные влагозапасы, накопленные в речных боссей-х, заметно изменяются по годам.

В условиях Среднесибирского плоскогорья при редкой сети снегомер-IX наблюдений средняя температура воздуха за зимние месяцы является полнительной характеристикой снегонакопления, водогцюницаемосги 1чв и входит в прогностические уравнения. Максимум половодья зависит не только от тех же факторов, что и его ¡ъем, но также связан с особенностями хода снеготаяния, выпадением вс-нних осадков, а в ряде случаев величины максимальных уровней опре-ляются заторами льда.

Осадки периода снеготаяния могут в значительно повлиять на ушчнну максимального уровня и слоя стока за половодье. Так, напри-;р, коэффициент множественной корреляции зависимости для про-

гноза максимального уровня в створс р.Подкаменная Тунгуска -ф.Кузьмовка увеличивается с 0.60±0.10 до 0.76± 0.06 в случае учета дополнительных весенних осадков.

Предлагаемые методики предусматривают выпуск прогнозов максимальных уровнен половодья с учетом перечисленных выше факторов. В горных и плоскогорных районах Сибири, где максимум половодья снего-дождевой, целесообразно проводить последовательное уточнение исходного прогноза максимального уровня путем дополнительного учета весенних осадков, а также усчовий за/порообразования.

В качестве примера рассмотрим результаты, полученные при разработке методики прогноза элементов весеннего половодья р.Тасеевой-п.Машуковка, крупнейшего притока р.Ангары (площадь водосбора 127000 кв.км.), где на высоту Ншах существенное влияние оказывают заторы льда, повторяющиеся в среднем раз в три-четыре года. Катастрофические заторные подъемы уровней наблюдались в 1966, 1988 и 1992 годах, при этом были затоплены прилегающие населенные пункты, причинен значительный ущерб народнохозяйственным объектам.

Образованию заторов льда на рассматриваемом участке способствуют порядок вскрытия реки (сверху вниз по течению) и более позднее прохождение ледохода на Ангаре.

В "Руководстве по гидрологическим прогнозам" вып.З (1989) подчеркиваются трудности разработки методик прогноза образования ^заторов льда в тех местах, где они бывают лишь периодически. В диссертации предпринята попытка разработать методику прогноза не только вероятности образования затора, но и максимальных заторных уровней весеннего половодья. Большинство подобных методик являются краткосрочными (кроме тех случаев, когда образование заторов льда обусловлено, в основном, процессами периода замерзания). Датой выпуска прогноза в нашем случае является дата перехода среднесуточной температуры воздуха через 0° весной, что позволяет выпускать прогнозы заблаговременностью от 10 до 20 дней и отнести их в разряд долгосрочных.

Оригинальность методики состоит в том, что прогноз максимальных уровней осуществляется не по одной зависимости, включающей 2-3 предиктора, а путем решения последовательной системы уравнений, каждое из которых позволяет рассчитать одну из важных характеристик, обусловливающих образовать максимального уровня и затора льда.

В процессе исследовашш в качестве предикторов было проверено более 50 рядов количественных показателей условий формирования заторов, как традиционных, так и новых.

Характеристикой мощности затора льда является заторное превышение с!Н, другими словами это превышение максимального заторного уровня над уровнем, который имел бы место при свободной ото льда ре-

ке. Для определения величин dH проводилась срезка заторных подьецов уровней с использованием водомерных книжек, комплексных графиков, ледовых авиаразведок, кривой зависимости максимальных уровней от максимальных расходов воды периода половодья. Между уровнем вскрытия (Нв) и подъемом воды, обусловленный образованием затора dH существует тесная корреляционная связь. Традиционно Нв находится хах функция от уровней вскрытия верхних створов. В нашем случае Нв определяется условиями замерзания (предиктор - дата перехода среднесуточной температуры воздуха через 0°С осенью - D1), запасом воды в снеге, осреднением по ряду пунктов бассейна, а также условиями вскрытия (уровень воды на дату выпуска прогноза - Но) формула 1, табл.1.

Таблица 1.

Уравнения для прогноза объема и максимума половодья в створе р. Тасеева-гиМашуковха с учетом заторов льде.

№ Уравнения Коэф-т S/а

п/п иноас кор-цпн

1. На= L17*S2 + 2.93*D1 - 1.05*Но + 216 0.76 0.65

2. dH = 0.702»Нз + 3.303*Ьл - 6.48*P - 12 0.70 0.73

3. Нтб/з = 2.47*S2 + U2-D2 + 9.1 »m + 152 0.79 0.73

4. Нтах=Нтб/з4- dH - 300 0.73 0.62

Примечания: S2- запас воды в снеге на 20.03 плюс осадки до даты выпуска прогноза средний по станциям Шишино, Туматиет, Тайшет (мм); т- сумма слоев стока за октябрь-ноябрь в расчетном створе (ям).

Следующий этап в составления прогноза максимального уровня заключается в расчете dH (формула 2, табл.1), которое, кроме величины Нв, зависит также от толщины льда (Ьл) в створе р.Тасеева-п.Машуховха на дату, ближайшую к дате выпуска прогноза, и от характеристики интенсивности подъема уровня (Р). Последняя представляет собой разность в днях между датой выпуска прогноза (D2) и прогнозируемой датой вскрытия. Прогноз даты вскрытия в рассматриваем и створе характеризуется высокой оправдываемоетью.

Далее, определяется Нтб/з, т.е. иаксимаги-ный уровень половодья, который будет наблюдаться, если затор л с образуется. Его величина зависит от характеристик снегонакопления в бассейне, осеннего увлажнения и дружности весны (формула 3, табл.1). Уравнение регрессии для прогноза Нтб/з получено только за годы, когда заторов в расчетном створе не было.

Окончательная величина максимального уровня половодья Вшах с учетом образования заторов льда находится по формуле 4 (табл.1). Если

<СКЗОО, заНтахпрклииаегся Нтб/з; если dH>300, то к величине Ншб/з необходимо прибавить dH. Чнсло 300 введено для того, чтобы значения dH всегда были полс;ЕНтельпьшн.

Предложенная схема прогноза ыожсг применятся в тех случаях, когда . заторы льда в расчетной створе образуются нерегулярно.

Методика прогноза максимальных уровней весеннего половодья с учетом влияния заторов льда с 1991 года внедрена в отделе гидроло'гие-скнх прогнозов Красноярского УГМС. Ее использование позволило своевременно упредить (с заблаговременносгью 12 дней) народнохозяйственные организации об образовании крупного затора в мае 1992 года, : • e.v::' го г, з." -ч тельному подъему уровней воды ь расчетном споре и затоплению населенных пунктов. Оправдыоаемостъ прогноза образования затора льда как явления (будет или иет) за десять независимых лет cocí явила 100%, Нтах - 80%.

Ир<-гностичео.--е уравнения получены также для расчетных створов рек Подкаленная Тунгуска к Внгкм. Для возможности последовательного уточнения прогнозов максимальных уровней весеннего половодья используются формулы, учитывающие кроие основных факторов весеннего стока, термические условия весны н осадки периода снеготаяния. Заторы льда на этих реках довольно редкое явление.

2.2. Прогнозы минимальных уровней летне-осеннего периода

Прогнозы инициального уровня воды периода открытого русла, заб-лаговременаостыо сг одного месяца до десяти дней необходимы прежде всего для обеспечения сериальной работы судоходства. Они основываются на зависимостях цежду характеристиками истощения поды в бассейне и руслах (уровни воды верхних и расчетных створов), а также учн-тызают влияние осадков, выпавших за некоторый период перед датой составления прогноза Эти связи представлены линейными уравнениями.

Исследования для расчетных створов Верхней Лены показали, что существуют закономерные различия в формировании минимального уровня воды (Hmin) рек по отдельным месяцам, так как для каждого месяца истощение запасов грунтовых вод имеет свои особенности. В изучаемом бассейне прогностические уравнения дифференцируются для отдельных временных интервалов меженного периода: июнь-июль (YI-YH) и август-сентябрь (УШ-1Х).

В июне-июле связь Hmin с предикторами значительно слабее, чем в августе-сентябре (табл.2). Формирование минимальных уровней за YI-YH в большей степени зависит от уровней воды за предшествующие месяцы (мая-иювя) небольших водосборов, чем от уровней воды в расчетном створе, тогда как для прогноза Hmin августа-сентября наиболее показательны уровни в расчетом створе на дату выпуска прогноза. По-

следннй характеризует запас воды в русловой сети, а значит, в августе-сентябре распределение запасов воды в различных частях бассейна и руслах более однородно.

Таблица 2.

Теснота свя т между минимальными ¿¿есхчяыми уровнями воды за период отщ>ь иного русла в расчетных створах рЛены и характеристиками гид-рометпеорояогическа условий, его формирования

Прогнос- Пгактнаб- Р Коэффициенты парной корреляции

тнческне л: оде ни й тьк. р. Лена в расчетных створах

характс- км.--------------------

ристивм кв. п.Качуг гКиренск

"УТ-БГ У1-УП УШ-БГ~У1-1Х УГ-УП УШ-ГХ

Мннны. Лсп .-Чанчур 4,69 0.12 0.12 0.53 0.25 . 0.55 0.62

уровенъЛена-Качуг 17,4 0.40 0.12 0.65 0.24 0.11 0.56

предш. Леиа-Кгренск 92,2 - - - 0.20 0.33 0.75

месяца Ман;,урка-Зуево 3,28 0.37 0.28 0.48 0.25 0.29 0.36

(см) 11лгп Знаменка 7,6 0.38 0.36 0.40 0.49 0.58 0.39

Куга Максимове 6,48 0.35 0.34 0:36 0.74 0.70 0.53

УроветтьЛеп а-Чанчур 0.42 0.17 0.66 0.58 0.42 0.68

на дат}' Лепг-Качуг 0.53 0.28 0.69 0.52 0.46 0.69

выпусклЛенп-Кнренск - - - 0.71 -0.49 0.82

прогно- Мавзурка-Зуево 0.30 0.01 0.59 0.08 0.03 0.53

за (см) Илгг-Знаменка 0.41 0.36 0.52 0.63 0.72 0.47

Куга-Максимово 0.37 0.42 0.18 0.78 0.79 0.58

Осадки Кочеяга 0.06 0.07 0.41 0.24 0.35 0.60

предш. Кр.-уг 0.09 0.03 0.41 0.26 0.34 0.48

месяц Ты.>ка 0.06 0.02 0.41 0.29 0.38 0.52

(ни) Бяоюлыса 0.13 0.02 0.48 0.24 0.38 0.52

Примечания. . Р - площадь водосбора; П-IX- коэффициенты парней корреляции рассчитаны за весь период открытого русла с июня по сентябрь (с ггро'носгтчеа<имихаракр^рис7т1ками мая-августа); У1-У11 - то же для мшамальных месячных уровней юоня-июля (с прогностическими характеристиками мая-июня); 7Ш-1Х- то усе для минимальных месячных уроо сей азгуста-сентхбря (с прогностическими характеристиками и.оля-с ¡густа

Этот факт объясняется тем, что осадки июля-сентября носят обложной характер; кроме того увеличивается ннфильтрациенная способность оттаявших к этому времени почво-груитов, которые начинают играть регулирующую роль в распределении стока по времени. В результате поступившая на поверхность бассейна вода' не так быстро сгягывается к

замыкающему створу, как в иае-нюле. Справедливость этого утверждения подтверждает то, что если в прогностические уравнения для УШ-1Х входят показатели осадков предшествующего месяца (а значит они влияют иа сток последующего), то для У1-УП информационными являются показателя прогностических осадков. Учет последних даже по балльной системе повышает качество прогнозов, тогда как предшествующие осадки почти не влияют на формирование Нпш (к этому времени сформированный вин сток уже прошел через замыкающий ств£р).

Уровни воды небольших рек, минимальные за предшествующий месяц, в значительной степени характеризуют запасы воды подземных вод, тогда как уровни иа дату выпуска прогноза в расчетном створе являются косвенный показателем русловых запасов. Таким образом, генезис стока за период открытого русла различен в отдельные временные отрезки. Это утверждение справедливо дня рек, на которых проходят как снеговые половодья, так в дождевые паводки.

Предаычисленне минимального декадного уровня (Нпйпд) не требует выявления генетически однородных временных интервалов. Это объясняется тем, что в формировании Нтшд определяющую роль играют русловые запасы.

Прогностические уравнения получены для 7 расчетных створов. Проверка на независимом материале (1994-1996) показала, что оправдывае-ность прогнозов минимальных декадных уровней воды близка к 100%, а для прогноза минимальных уровней за месяц она составила 90%.

Выявление генетически Однородных временных интервалов в формировании стока необходимо "при разработке методик прогноза минимальных месячных. уровней 'воды периода открытого русла. Уравнения регрессии составляются для каждого интервала; по набору предикторов они могут существенно отличаться в зависимости от степени участия в генезисе предсказываемой характеристики русловых запасов, подземного, поверхностюго (дождевого) питания.

Ш. Краткосрочные прогнозы ежедневных уровней /расходов) воды периода открытого русла.

Краткосрочные прогнозы гидрографа стока весеннего половодья и дождевых паводков позволяют своевременно предупредить население и закнтт>есог2шные организации о возможном н^однения, обеспечить работу ¿чного транспорта, предприятий водного хозяйства и др.

Общая схема прогноза включает определение притока в русловую сеть q(t) я его трансформацию в гигрограф замыкающего створа, которая выполняется обычно с применением интеграла свертка. Приток в русловую сет;» определяется либо по метеорологическим данным (модель

"осадки-сток"), либо с применением расходов-воды малых рек ("аналоговая" модель).

Математическое моделирование в отечественной гидрологии развивалось благодаря исследованиям Г.П.Калинина, Е.Г.Попова, А.Н.Бефани, Н.Ф.Бефани, Л.С.Кучмента, В.И.Корня, Ю.Б. Виноградова и других. В Сибири региональные гидролого-математические модели в прогнозах речного стока применялись Д.А.Бураковым и А.В.Петенковым. В диссертации получила дальнейшее развитие математическая модель, разрабатываемая под руководством Д.А. Буракова в течение 30 лет. Она адаптирована для территории от Урала до Бурятии, прошла апробацию на примере рек бассейнов Оби, Енисея, Ангары и Лены. В этой модели наряду с Метеорологическими наблюдениями используются уровни и их производные'по времени (тенденции).уровней воды верхних, а также замыкающего створов на дату выпуска прогноза, что позволяет заметно повысить его точность. Рассмотрим два варианта схемы прогноза с учетом начальных условий.

1. Схема, использующая интеграл Дюамеля.

Обозначим заблаговременность прогноза Д1. Тогда прогнозируемый расход воды представится в виде:

Q(t+At) = Q1 (t+At) + Q2(t+At) (1)

где: Ql(t+At) - расход воды, обусловленный поступлением притока в русловую сеть q(t) в период At, рассчитывается с помощью интеграла свертки по метеорологическим данным; Q2(t+At) - характеризует составляющую расхода воды, сформированную за счет истощения начального запаса воды в русловой сети; является функцией уровней воды на момент выпуска прогноза, а также их тенденций .

Для больших по площади бассейнов и в разнообразных природных условиях изучаемый водосбор делится на районы, внутри которых соблюдается примерная однородность физико-географических факторов формирования стока. Приток в русловую сеть q,(t) определяется отдельно для этих районов с целью учета особенностей хода водоотдачи. Так, в бассейне р.Лена до створа у п.Качуг абсолютные высоты местности меняются от 300 до 2000 м, поэтому водосбор этой реки разбивался на шесть высотных зон. Приведем расчетное уравнение для прогноза дождевых паводков крупного притока Ангары - реки Ия, бассейн которой разделен на два района (равнинный в нижней и частично в средней части водосбора ч горный -в верхнем течении):

! At

H(t+At) = [С(1 )-fq(t+At-T)/(x)dr +C(2).(H,,t- H,,т1п)у1 + (2) t

+C(3).(H2,t- H2,min) yl+...+C(n),(Hbt - Hi,n)yl +-]1/y2 + Hmin

где: первый член правой части уравнения (интеграл свертки) выражает составляющую стока, обусловленную притоком воды в русловую сеть за период заблаговременности прогноза Д1; я(0 = Я10>Р1 + Яг(0*Р2 - суммарный приток в русловую сеть (мм/сут) соответственно с первого и второго районов; и Г2 - их площади (в долях единицы); /(т) - функция влияния, для аппроксимации которой используются статистические распределения (Д.А.Бураков,1982); п - равно числу створов наблюдений за уровнями и тенденциями уровней воды в бассейне; С(0, у1, у2\- коэффициенты; Н^, Н-^тл, Н21т1п,.- минимальные уровни воды, при которых наблюдается самый низкий расход за многолетний период (приняты за ноль отсчета); Н^, Н^... - уровни воды на дату выпуска прогноза, учитывающие начальный запас воды в русловой сета; (Ны - Н],,.!)... - тенденции уровней воды расчетного и верхних створов.

При разработке математических моделей гидрографа стока сибирских рек ранее использовались только уровни и тенденции уровней воды расчетного створа. Учет уровней воды по длине речной системы для характеристики русловых запасов впервые предложен в диссертации, что в условиях недостатка гидрометеорологической информации позволяет достигнуть хорошей и удовлетворительной точности прогноза (рис.2).

Предвычислення ежедневных уровней воды дождевььх паводков р.Ия у г.Тулуна и снеговых половодий в створе р.Лена-н.Качуг в оперативной практике осуществляется по формуле 2. Она учитывает ход снеготаяния, выпадение дождей, уровни воды замыкающего и верхних створов и их тенденции на момент выпуска прогноза^ Определение потерь й склонового притока в русловую сеть ведется на основе балансовой модели (Д.А.Бураков,1978; Д.А.Бураков, Ю.В.Авдеева, 1996). Естественно, схемы определения склонового притока в русловую сеть у этих двух методик разные, так как снеговые и дождевые паводки отличаются по источнику водоподачи и по условиям отекания воды по склонам.

"Аналоговая" модель, в которой приток в русловую сеть определяется по стоку рек-аналогов, реализована для створа р.Тасеева-п.Машуковка. В этом случае уравнение (2) запишется в виде: N Д(

00+Д0=2Жг|оаХ1+А1-т)РКт)ск + С(1).0и + С(2>СЬ+...+

о

+ С(п)«(0ы-0ьи)-ь...+ Ь (3)

где: С&КО- данное по шоку воды бассейнов-аналогов; Р](т) - функция остаточной трансформации (Д.А.Бураков,1982); N - число рек-аналогов; С>ы—((Зы - С>1,ы),... - расходы и тенденции расходов воды расчетного и верхних створов; с(1),...с(п), Ь - эмпирические коэффициенты.

Рис.2. Гидрографы стока весеннего половодья в створе р.Лена-п.Качуг,

фактический и рассчитанные для заблаговременное™ 2 суток. ГИДРОГРАФЫ:

-фактический;

— »--прогнозируемый (совместное использование метео и гидрометрической информации подлине речной системы; .............прогнозируемый (только метеоданные).

При аспользоваякн "аналоговой" м одела отпадает необходимость определения потерь стока, а таюке расчета интенсивности снеготаяния н доадей. При этой уменьшается заблаговреиеиность прогноза, особенно в тех случаях, когда вместо и алых рек (РсЮОО кв.км) из-за отсутствия наблюдений вынужденно используются реки с бо'лышши площадями бассейнов. Бцесто кривой добегалця в "аналоговых" моделях применяется так назьт.гемая функция остаточной трансформации.

При наличии наблюдений за прошлые годы неизвестные параметры С(1) формул 2, 3 находятся негодом наименьших квадратов, параметры кривой добеганкя, а также моделей дождевого н снегового притока определяются оптимизацией.

Теки" образом в условиях недостаточного гидрометеорологического обеспечения территории Сибири приемлемую точность краткосрочного прогноза стока могут обеспечить комбинированные модели, предусматривающие совместное использование данных метеорологических и гидрометрических набюодекий по длине речной системы.

2. Эмпирическая схема, учитывающая распределений: запасов веды в речной системе, метеорологические факторы и температуру воды в реке.

С учетом того, что запас воды в русловой сети зависит от уровня воды на участках речной системы, виесто уравнений (2) и (З)запншем:

Н(Ы-Д1)=а1'Н1(1)+а2-Н^)+...-»-Ь1'ДН1(0 + Ь2-ДН2(1)+...+с1' С (4)

где уровни воды по длине речной системы; АЩ<) = - Н,(И) -тенденция уровня воды в замыкающем в верхних створах; Х(Ч) - показатель средних по бассейну осадков на дату выпуска прогноза; а1,аа,... , ЪьЪг,..., (1 - коэффициенты регрессии, определяемые по методу наименьших квадратов; С - свободный член.

В качестве предикторов используются ежедневные уровни воды (кян срочные их значения) в расчетном и верхних створах на дату выпуска прогноза и за сутки до нее. Применяется также дополнительная информация - суммы осадков за сутки, предшествующие дате выпуска прогноза.

Использование перечисленных предикторов часто бывает недостаточный для получения удовлетворительного качества прогноза. Для целей повышения точности прогностических уравнений снеговых половодий в диссертации впервые привлекается дополнительная информация -наблюдения за температурой воды расчетного н верхних створов. Напомним, что температура воды измеряется ежедневно в те же сроки, что и уровень воды

С физической точки зрения, привлечение температуры воды объясняется тем, что она характеризует приток талых вод в речную сеть. Чем выше температура воздуха (Тв), тем интенсивнее снеготаяние; но чем меньше при этом температура воды (ta), тем больший объем талой воды поступает в речную сеть. Таким образом, связь темперптурыводы с ежедневными уровнями во время снеготаяния должна быть обратной. Это подтвердили расчеты: te входят в уравнения регрессии для прогноза гидрографа стока половодья с отрицательным знаком. Соотношение температур воздуха и вода в этот период косвенно характеризует покрыт ость водосбора снегом, интенсивность снеготаяния н количество талой воды в реке. Можно утверждать, что снег в бассейне занимает значительную территорию я интенсивный приток талой вода форнируется в том случае, если одновременно наблюдаются высокая температура воздуха, и низкая температура воды (около 0°С). Когда же величина te повышается н изменяется параллельно Тв, это означает, что покрьгтость снегом бассейна и приток талой воды невелики.

Прогностические уравнения получены по данным наблюдений за 1989-1993 годы для расчетных створов р.Подкаменная Тунгуска-п.Вана-вара (площадь водосбора F=39700 кв. км.), р.Подкаменная Тунгуска -п.Бай кит (F=150000 кв.км.) и др. В них используются срочные уровни воды расчетных л верхних створов, температуры воды иа 8 и 20 часов, а также среднесуточные температуры воздуха!

Значения критерия S/a, приведенные в таблице 3, доказывают, что качество прогноза заметно улучшается в случае использования температуры воды. Это справедливо для всех заблаговременностей прогноза.

ТаблнцаЗ.

Оценка качества прогноза ежедневных уровней воды Si а на независимой материале

Забла П.Тунгуска-п.Ванавара I Подканенная Тунгуска-п.Байкит

говре-------------------------------

м-сть 1 1987 I 1988 ! ! 1987 ! 1988 ! 1996

(суткн) о ----------------------- о ----------------------

!с toi без tele Ы без te! (с te! без tele te (без tel с Ь!без te

1 54 0.67 0.69 0.58 0.62 128 - 0.59 - 0,45 - 0.43

2 93 0.48 р.50 0.58 0.65 230 0.46 0.49 0.33 0.40 0.35 0.37

3 128 0.56 0.63 0.47 0.61 325 0.55 0.62 0.48 0.52 0.41 0.46

4 152 0.48 0.65 0.44 0.65 413 0.54 0.54 0.45 0.46 0.40 0.42

Примечание: te - температура воды в расчетных стзорах. а - среднее квадратичное отклонение за период заблагсеременпости; S -средняя квадратичная ошибка прогноза

Температуры воздуха я воды взаимосвязаны в дополняют одна другую. Расчеты показала, что температуру воды рационально использовать в качестве предиктора до того момента, пока ее значение не повысится примерно до 8 -10°С, что является косвенный нодтвероаденнем резкого сокрацепия протока тплой холодной воды в русловую сеть.

Качество прогнозов ежедневных уровней хорошее в удовлетворительное, что позволяет рекомендовать прогностические уравнения к использованию в оперативном режиме.

Подчеркнем, что в случае сравнительно малого времени^добегания н недостаточного числа пунктов наблюдений за температурой воздуха, осадками и снегсзаласамк, приемлемая точность прогноза на трое-четверо суток в створе рЛодкамевпая Тунгуска-П-Ванавара достигается в случае привлечения в качестве предикторов температуры воды. Использование наблюдений за температурой воды, наряду с данными по температуре воздуха и уровням воды в расчетном и верхних створах, приводит к повышению точности краткосрочных прогнозов талого стока.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. В условиях недостаточного информационного гидрометеорологического обеспечения горных и плоскогорных районов Сибири задачи прогноза стока ве могут быть решены непосредственно на основе совместного рассмотрения уравнений баланса влаги и энергии. Для аппроксимации прогностических уравнений используется физико-статистический подход. Основные предикторы прогностических зависимост ей являются косвенными характеристиками составляющих водного баланса н других гидрометеорологических факторов.

2. Автором разработаны новые методики прогноза:

- максимальных уровней воды весеннего половодья для рек Подка-менная Тунгуска, Тасеева я Витим,

- минимальных уровней воды за период открытого русла в расчетных створах Верхней Лены;

- ежедневных уровней (расходов) воды периода весеннего половодья и летне-осенних дождевых паводков на реках Лена, Подкаменная Тунгуска, Тасеева, Ия

3. В моделях долгосрочного прогноза объема и максимума половодья рекомендуется использовать данные стандартных и специальных маршрутных снегомерных съемок. В лесостепной и степной зонах Восточной Сибири важное значение имеет учет осеннего увлажнения водосборов, что объясняется существенной изменчивостью предзимних почвенных влагозапасов. Целесообразно проводить последовательное уточнение исходного прогноза максимального уровня воды, путем дополнительно-

го учета весенних осадков, а в необходимых случаях я факторов заторо-образовання.

4. В условиях, когда заторы льда в расчетной створе наблюдаются не егегодно, прогноз максимальных заторных уровне! рекомендуется осуществлять с использованием системы уравнений, каждое из которых позволяет получить соответствующий показатель процесса образования затора льда. Такими показателями являются уровень вода в момент вскрытия, заторное превьшенне (¿Н) и максимальный "беззаторный" уровень.

5. Выявление генетически однородных временных интервалов в формировании стока летне-осеннего периода необходимо оря разработке методик прогноза минимальных месячных уровней воды. Прогиосткче-сгле уравнения составляются для каждого кз эткх интервалов. По набору предикторов они могут существенно отличаться: минимальные уровни воды верхних створов являются показателен притока подземных вод; уровни воды замыкающего п верхних створов на момент выпуска прогноза характеризуют начальные запасы воды в русловой сети; количество выпавших осадков отражает поверхностный пряток и т.д

6. Совместное использование в гидролого-матенатических моделях стока метеорологических (осадки, температура воздуха) и гидрометрических (уровни воды расчетного и верхних створов) данных наблюдений позволяет добиться приемлемой точности краткосрочного прогноза талого н дождевого стока.

7. В качестве предикторов краткосрочного прогноза ежедневных уровней воды за период снеготаяния целесообразно дополнительно использовать наблюдения за температурой воды, которая является термическим трассером, показывающим, какое количество талой холодной воды поступило в речную сеть.

Основные положения диссертгщии опубликованы в работах:

1. Опыт реализации линейной модели расчета и прогноза гидрографа весеннего половодья р.Подкаменной Тунгуски // Тр. ин-та / ЗапСнб-НИГМК - Л.: Гядрометеоиздат,1989. - Вып.88. С.25-45.(соавт. Бураков ДА., Канивец СА)

2. Условия формирования и методика долгосрочного прогноза элементов весеннего половодья р.Подкаменной Тунгуски // Тр.ин-та/ Зап-СибНИГМа-М: Ендронетеоиздат,1989, - вып.88.С.45-53.

3. Опыт разработки методики долгосрочного прогноза элементов весеннего половодья на реках Подкаленная Тунгуска ■ Тасеева // Проблемы гидрометеорологического обеспечения народного хоз-ва Сибири: Тезисы всесоюзн. совещ, часть 2.-Красноярск, 1989. С.27-29.

4. Опыт разработки методики долгосрочного прогноза объема н максимума весеннего половодья на юге Средней Сибири (на примере р. Та-

сеевой) // Т^.ин-та / ЗапСибНИГМИ - М.: Гидрометеоиздат,1989, -вып.88.С.б2-69.35, (соавт. Беляева В.В)

5 Модели русловой трансформации для последовательного соединения емкостей // нн-та / ЗапСибНИГМИ - Л.: Гндрометеоиздат,1991, -Вып.94. С.40-51, (соавт. фраков Д.А., Канивец С.А.).

*