МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


УДК 556.5

ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ МАКСИМАЛЬНЫХ РЕЧНЫХ РАСХОДОВ СО СРЕДНЕМЕСЯЧНЫМИ

А.В. Евграфов, Б.Ф. Никитенков

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,г. Москва, Россия

 

В статье дан обзор источников гидрометрической информации и оценена их доступность. Подчёркнуто, что отсутствие данных о срочных максимальных расходах снижает качество гидротехнического проектирования. Сформулированы новые алгоритмы вычисления расчётных максимальных расходов заданной обеспеченности на основании статистической связи фактических мгновенных максимальных расходов со среднемесячными. Представлены оценки и функции, иллюстрирующие эту связь на примерах различных рек.

Одной из важнейших задач, стоящих перед проектировщиком ГТС, является надёжное определение расчётных максимальных расходов заданной обеспеченности.

Исходными данными для расчёта служат многолетние ряды фактических максимальных мгновенных расходов. Проблема заключается в том, что такого рода гидрологическая информация является менее открытой, чем, например, сведения о среднегодовых и среднемесячных расходах. Последние находятся в свободном доступе /ГВК. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Изд. 1-4-е, есть во многих научно-технических и сельскохозяйственных библиотеках; в библиотеке МГУП – только старые издания по отдельным бассейнам/. Информация о максимальном стоке дана в этих изданиях только в виде обычно единственного за год максимального мгновенного расхода с указанием даты его прохождения. Источники, в которых содержатся интересующие нас среднесуточные и срочные расходы и уровни, относящиеся к разным сезонам (например, Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши /Гидрометеоиздат, 1931-1989/, есть далеко не везде, очень выборочны и зачастую даже в архиве

Гидрометеоцентра имеются пропуски томов за отдельные годы. Таким образом, можно констатировать, что самая необходимая для гидротехнических расчётов гидрологическая информация часто оказывается труднодоступной, и, следовательно, стоит задача её восстановления по косвенным сведениям, которые легко получить.

В соответствии с генетической теорией формирования стока на величину пика половодья влияет целый комплекс факторов, наиболее существенные из которых – объём снегозапасов и интенсивность их таяния, зависящая от суммы положительных среднесуточных температур, а также интенсивность инфильтрации / Евграфов А.В. Моделирование интенсивности склонового стока с водосборных бассейнов малых рек. Автореф. дис. … канд. техн. наук МГУП, 2003/. Правда, связь каждого из этих (зачастую расчётных!) факторов по отдельности с величиной пика половодья не столь сильна из-за исключительно сложной картины стокообразования, да и доступность данных

снегомерной съёмки и других пентадных и суточных опять же ограничена. Поэтому возникла идея, не вдаваясь в физическую сущность, оценить чисто статистическую связь максимальных рас ходов с фактическими среднемесячными, которые всегда под рукой (рисунок).
Реки для исследования (около двух десятков створов) были подобраны как из того же гидрологического района, что и р. Нерль Плещеевская, подробно изученная нами, так и из других, для того, чтобы можно было выявить предполагаемые географические закономерности. Преимущество отдавалось  малым и средним рекам, на водосборах которых отсутствуют факторы, существенно искажающие естественный речной сток, с рядами гидрометрических наблюдений не менее 20 лет.

  Река Нерль Плещеевская – это типичная река с весенним половодьем Восточно-европейского типа. Она имеет высокое весеннее половодье, летнюю межень, прерываемую эпизодическими ливнями, низкую зимнюю межень и повышенный осенний сток. Река испытывает влияние антропогенной деятельности в верхнем течении от г. Переславля-Залесского. Применительно к анализируемому створу, к которому  относится водосборная площадь в 1810 км2, её влияние незначительно, и, соответственно, процедура восстановления естественного стока не нужна. Правда, до 1969 г. естественный режим стока дополнительно искажала расположенная в 10 км выше

Для каждого створа отобранных рек были оценены коэффициенты корреляции (r) между фактическими максимальными мгновенными расходами и фактическими среднемесячными. Они оказались на уровне 0,6-0,9 (по р. Нерли Плещеевской около 0,81). Затем были построены графики связи и подобраны аналитические зависимости между максимальными мгновенными и среднемесячными расходами. Надо сказать, что изучаемая нами связь для р. Нерли Плещеевской в створе Подол практически линейна. Нельзя не отметить, что для некоторого числа створов связь характерных расходов лучше подчёркивает не прямая линия тренда, а имеющая небольшую кривизну (в том числе и для данного, см. рис.),  то есть в основе аппроксимации должны лежать степенные функции, экспоненциальные и даже логарифмические (например, для р. Молога – п. Ильницино:                            y = 26,065 ln(x) – 27,634;   R2 = 0,6341).

Установлено, что коэффициенты корреляции заметно повышаются (на 0,01-0,08 и более), если опираться не на среднемесячные, а на среднедекадные расходы (для р. Нерли Плещеевской с r = 0,81 до r = 0,89, то есть на 0,08). Правда, особой практической ценности это не имеет, поскольку среднедекадные значения содержатся в тех же труднодоступных источниках, что и суточные.
Кроме рек Восточно-европейского типа мы оценили силу изучаемой связи по рекам Казахстанского типа (их сток характеризуется очень высокой волной половодья и низким, до полного пересыхания, стоком в остальную часть года), Западно-сибирского типа (небольшое, растянутое половодье, повышенный летне-осенний сток и низкая зимняя межень) и др. Так, целый ряд рек Казахстанского типа имеет сильную статистическую связь максимальных мгновенных расходов с фактическими среднемесячными на уровне                    r ?  0,9.
Обращает на себя внимание и тот факт, что на некоторых реках за отдельные годы /1983, табл. 1/ пик половодья проходил в месяц средний расход, который не являлся максимальным за этот год. Объясняется это специфической формой гидрографа реки со снеговым питанием Восточно-европейского типа: стремительный подъём до пика и медленный спад. С методической точки зрения, видимо, для установления статистической связи следует брать именно максимальный за год среднемесячный расход, даже если он идёт за месяцем, в котором наблюдался пик, ибо собственно при определении максимумов будут только среднемесячные расходы.

Таблица 1
Характерные расходы половодья 1983 года на р. Корожечка (п. Сумы)

Показатель

Март

Апрель

Май

Среднемесячный расход, м3/с

33,9

49,3

6,24

Максимальный мгновенный расход, м3/с

381

229

20,7

Для оценки методики с помощью найденных зависимостей по известным фактическим максимальным среднемесячным расходам определялись максимальные мгновенные расходы, и полученный ряд их обрабатывался обычным образом, как это делается при наличии данных наблюдений. Расчётные расходы необходимых обеспеченностей, вычисленные с помощью модульных коэффициентов, взятых из таблиц трёхпараметрического гамма-распределения, сопоставлялись с теми, которые получаются при использовании в качестве исходных данных фактических максимальных мгновенных расходов. Правда, они обычно получались заниженными (но не более, чем на 10 %). Причина в том, что в смоделированном ряду максимальных мгновенных расходов коэффициент вариации меньше, чем в ряду фактическом, а значит, соответствующие им модульные коэффициенты при наших расчётных обеспеченностях (например, p = 1 % или p = 5 %) становятся меньше. Здесь нас может подстерегать опасность недоучёта вредного воздействия вод.

Предложенный способ может стать альтернативой методам приведения параметров кривой обеспеченности максимальных расходов к многолетнему периоду по данным рек-аналогов с продолжительными рядами наблюдений. Иными словами, имея под рукой многолетний ряд максимальных среднемесячных расходов и недостаточно полный ряд максимальных мгновенных, можно удлинить последний по уникальному для данной реки графику связи и избежать трудоёмкой процедуры поиска и анализа рек-аналогов.

Повышение точности требует, на наш взгляд, привлечения более обширного эмпирического материала и совершенствования методики в целом.
Поскольку инженеров-гидротехников и мелиораторов интересуют не только расчетные максимальные расходы в половодье, но и за другие сезоны года, мы предприняли попытку оценить коэффициенты корреляции между фактическими максимальными за месяц мгновенными расходами и соответствующими среднемесячными расходами по всем месяцам (табл. 2).

Таблица 2
Годовой ход коэффициентов корреляции между среднемесячными расходами и
максимальными мгновенными за месяц (по р. Нерль Плещеевская, п. Подол)

 

Месяц

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Cр. многолет.

r

0,99

1,0

0,67

0,81

0,91

0,97

0,69

0,99

0,99

0,97

0,99

0,99

0,93

Совершенно чётко видно, что коэффициент корреляции увеличивается практически до 1 в межень. Использование этого обстоятельства может иметь большое практическое значение. К сожалению, связь в месяц, когда проходит пик половодья, наиболее слабая. Половодье – это чрезвычайно сложный для речного бассейна период. Среднемноголетний коэффициент корреляции по р. Нерли Плещеевской около 0,93.

В водохозяйственной практике хорошо зарекомендовала себя упрощённая методика разделения гидрографа на поверхностную и подземную составляющую. На расчётном гидрографе 95%-й обеспеченности выбирают месяц с минимальным среднемесячным расходом и полагают, что подземный приток составляет около 90 % от этой ординаты. На самом деле эта оценка примерно соответствует минимальному суточному расходу, который формируется только благодаря подземному притоку.  В связи с этим возникает идея: а нельзя ли обобщить эмпирические данные о соотношении стока, представленные на рисунке, а также на десятках других, не вошедших в статью, ради получения, пусть по сравнению с минимальным стоком несколько более сложной, но всё же достаточно универсальной региональной зависимости для максимального стока?

Используя имеющиеся данные, нами была предпринята попытка построить некую обобщённую кривую связи для незарегулированных притоков Верхней Волги. Конкретные параметры её аналитического выражения мы приводить пока не рискнём, понимая, что для подобного рода обобщений нужна значительно более обширная база данных.