Анализ и моделирование процессов формирования стока в малоизученных бассейнах : на примере бассейна р. Лены Семенова Ольга Михайловна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Современные концепции в задаче детерминированного моделирования и расчетов процессов формирования стока 13

1.1 Общепринятые методы описания процессов формирования стока 14

1.2 Гидрологическая модель процессов формирования стока «Гидрограф» 24

1.2.1 Принцип универсальности 26

1.2.2 Задача пространственной схематизации речного бассейна 27

1.2.3 Описание динамики влаги в ненасыщенной зоне 31

1.2.4 Фазовые переходы 32

Выводы по главе 1 34

Глава 2. Информационное обеспечение модели формирования стока ... 35

2.1 Особенности процессов формирования стока в бассейне р. Лены 36

2.2 Объекты моделирования 42

2.3 Схематизация бассейна 44

2.4 Выделение стокоформирующих комплексов в бассейне р. Лены 47

2.5 Система параметров модели формирования стока «Гидрограф» 54

2.6 Методика определения скорости и времени добегания 60

2.7 Методика интерполяции осадков в бассейнах со сложным рельефом 63

Выводы по главе 2 69

Глава 3. Методика учета влияния крупного водохранилища на процессы формирования стока (на примере Вилюйского водохранилища) 71

3.1 Описание бассейна Вилюйской ГЭС 71

3.2 Стандартные расчеты и методы прогноза стока при эксплуатации водохранилищ ...72

3.2.2 Оценка адекватности стандартных традиционных методик в условиях малоизученных бассейнов 73

3.3 Методика прогноза стока на основе моделирования процессов формирования стока 75

3.4 Алгоритмическая структура моделирующего блока «Водохранилище» 77

3.5 Моделирование притока воды в Вилюйское водохранилище 80

3.6 Результаты моделирования процессов формирования стока в бассейне Вилюйской ГЭС 82

Выводы по главе 3 85

Глава 4. Результаты моделирования процессов формирования стока в бассейне р. Лены 87

4.1 Анализ критериев оценки результатов моделирования стока 87

4.2 Результаты моделирования стока 91

Выводы по главе 4 109

Заключение 111

Литература 112

• Гидрологическая модель процессов формирования стока «Гидрограф»
• Выделение стокоформирующих комплексов в бассейне р. Лены
• Стандартные расчеты и методы прогноза стока при эксплуатации водохранилищ
• Результаты моделирования процессов формирования стока в бассейне Вилюйской ГЭС

Введение к работе

Актуальность темы Физически обоснованное распределенное моделирование является своего рода квинтэссенцией современной гидрологической науки [Виноградов]. Очевидно, что оно лежит в основе дальнейшего развития методов описания гидрологических явлений, расчетов и прогнозов стока.

Международной ассоциацией гидрологических наук в качестве одного из приоритетных направлений развития гидрологии в текущем десятилетии (2003-2013 гг.) назван проект PUB {Predictions in Ungauged Basins) — гидрологические расчеты в неизученных бассейнах.

Главной целью этого международного проекта является создание и развитие новых гидрологических моделей, основанных на понимании процессов и явлений, а не калибровке данных измерений.

Среди основных задач проекта PUB указывается совершенствование знаний и понимания влияния климатических факторов и особенностей подстилающей поверхности на гидрологические процессы всех масштабов в целях уменьшения неопределенностей в гидрологических расчетах и прогнозах [92].

В связи с этим создание универсальной детерминированной распределенной моделирующей системы для описания состояния речного бассейна и его пространственно-временной динамики, а также накопление в базах данных информации о водосборах и ее систематизация приобретают особую актуальность.

Моделирующая система, пригодная для характеристики процессов формирования стока в любом бассейне Земли, в совокупности с параметрическим информационным обеспечением кроме значимости для фундаментальной науки должна иметь вполне конкретные технические приложения. Среди них - долгосрочные и краткосрочные прогнозы стока, исследования влияния изменений климата, ландшафтов или экологической ситуации на состояние бассейнов.

Проблемы моделирования и прогноза стока речных бассейнов (прежде всего для региона Восточной Сибири) имеют также важное прикладное значение для решения ряда задач, связанных с обеспечением безопасности и правильного функционирования гидротехнических сооружений, установлением сроков навигации, а также с устойчивым энергообеспечением населения и объектов экономики.

Оценки современного состояния и направлений развития распределенного детерминированного моделирования в гидрологии, даваемые разными гидрологическими школами, неоднозначны, а порой и противоречивы [9, 35, 40, 50].

Для качественного описания и численного моделирования гидрологических систем к настоящему времени разработан широкий спектр подходов и соответствующих математических моделей. Следует признать, тем не менее, что указанные подходы не имеют универсального характера и ориентированы на моделирование конкретных речных бассейнов или отдельных процессов, формирующих сток [45, 93, 85]. Главным недостатком здесь нам представляется преобладание технологий калибровки, что принципиальным образом ограничивает возможности их априорного использования на слабо изученных бассейнах.

В общетеоретическом плане следует иметь в виду, что ориентация на разработку изолированных моделей, пригодных для описания формирования стока только в одном данном водосборе или даже в группе водосборов со сходными условиями, противоречит принципиальному положению, согласно которому физика процессов формирования стока едина для всей поверхности суши.

Таким образом, степень универсальности алгоритмов модели следует признать важнейшим критерием научной значимости методологии, в большой мере отражающим ее адекватность описываемым природным явлениям и предполагаемым применениям.

Целью диссертационной работы является развитие методов анализа, информационного обеспечения и моделирования процессов формирования стока в условиях слабой изученности речных бассейнов разных масштабов и сложной структуры рельефа и ландшафтов (на примере бассейна р. Лены).

В соответствии с целью работы в диссертации решены следующие задачи:

- Анализ методологических принципов, применяемых в задаче моделирования стока, в сравнении с альтернативными теоретическими положениями моделирующей системы «Гидрограф».

- Систематизация и оценка параметров математической модели процессов формирования стока.

- Разработка и реализация методики расчета скорости и времени добега-ния.

- Решение задачи пространственной интерполяции суточных сумм осадков в горных условиях.

- Апробация методики моделирования в бассейнах с искусственным регулированием на примере Вилюйского водохранилища.

- Моделирование стока для водосборов в пределах бассейна р. Лены.

- Оценка эффективности использования универсальной гидрологической моделирующей системы на основе анализа результатов моделирования.

Объектом исследования являются водосборы в пределах бассейна р. Лены, существенно отличающиеся своими размерами (площадь от 40 до бо-лее, чем 10 км") и находящиеся в различных ландшафтных зонах. Бассейн охватывает как горные, так и равнинные территории; он характеризуется большим разнообразием ландшафтов - тундра, лесотундра, равнинная тайга, горная тайга с повсеместным распространением многолетней мерзлоты.

Предмет исследования составляют закономерности процессов формирования стока в бассейне р. Лены, разнообразие условий которых позволяют оценить универсальность предлагаемой модели формирования стока и сопутствующего математического обеспечения.

Методологической основой диссертационной работы является детерминированная распределенная модель формирования стока «Гидрограф» (созданная д.т.н., проф. Ю.Б Виноградовым в Государственном Гидрологическом институте), которая описывает процессы формирования стока в бассейнах с различными физико-географическими характеристиками [9, 10].

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения объемом 216 страниц, включая 18 рисунков, 13 таблиц, списка литературы из 106 наименований и 8 приложений.

Первая глава диссертационной работы посвящена изложению современного состояния вопроса распределенного детерминированного моделирования процессов формирования стока. Дан обзор отечественных работ в этой области Ю.Б. Виноградова, А.Н. Гельфана, Е.М. Гусева, В.Н. Демидова, М.Ю. Денисова, В.В. Коваленко, С.А. Кондратьева, В.И. Корня, Л.С. Куч-мента, Ю.Г. Мотовилова и других исследователей.

Рассмотрены ставшие традиционными для современных моделей методы описания формирования поверхностного и подземного стока, дорусловой и русловой трансформации стока. Кратко изложены концепции, положенные в основу модели «Гидрограф» для решения вышеуказанных задач гидрологического моделирования, их отличия от повсеместно принятых методов и преимущества использования при решении исследовательских и прикладных задач.

Вторая глава содержит описание информационной базы, разработанной для моделирования формирования стока в бассейне р. Лены.

Рассмотрены природно-климатические условия процессов формирования стока в бассейне р. Лены. Дано описание выбранных в качестве объектов моделирования водосборов в бассейне реки Лены размером от 40 до более, чем 106 км2.

Для бассейна р. Лены составлена карта стокоформирующих комплексов (СФК) - областей, однородных по типу формирования стока, почвенных, растительных и ландшафтных характеристик.

Для каждого из 11 выделенных СФК описаны, систематизированы и назначены параметры почвенного профиля (плотность, пористость, максимальная водоудерживающая способность, коэффициент фильтрации, удель ная теплопроводность и теплоемкость), растительного покрова (затененность, альбедо, параметры испаряемости), поверхности склонов.

Определены характеристики расчетных бассейнов: ориентация, высота, угол наклона, орографическая затененность. Приведены схемы бассейнов с расположением репрезентативных точек (РТ) и метеостанций. Так в бассейне р. Лены с замыкающим створом Кюсюр (площадь 2400000 км2) было назначено 128 РТ и использованы данные суточного разрешения более чем двухсот метеостанций.

На примере бассейна р. Лены реализована методика прямого назначения скоростей добегания по данным об измеренных расходах воды. Показана ее высокая эффективность по сравнению с традиционными методами расчета русловой трансформации стока.

Средствами модельного эксперимента выявлена неприемлемость простой пространственной интерполяции суточных данных метеостанций об осадках в расчетные точки в горных условиях.

Описаны основные закономерности выпадения осадков в зависимости от особенностей воздействия рельефа.

Решена задача интерполяции осадков в горных условиях на основе нормирования суточных сумм осадков по их годовой среднемноголетней величине. Предложена методика домодельного назначения годовых норм осадков по всем расчетным точкам речных бассейнов в зависимости от высоты местности.

В третьей главе проведен анализ используемых методов прогноза стока в бассейнах с искусственным регулированием.

Разработана методика моделирования речных бассейнов с искусственным регулированием стока (на примере Вилюйского водохранилища). С этой целью выявлен круг частных задач, решение которых необходимо для общего моделирования комплексных бассейновых систем; сюда относятся моделирование процессов формирования стока в отдельных бассейнах и моделирование участия водохранилища в трансформации и перераспределении стока внутри бассейна. Для решения указанных задач разработано программное обеспечение с блочной структурой.

В рамках общей задачи моделирования стока рассчитаны экспоненциальные аппроксимации зависимостей объема воды и площади зеркала водохранилища от его уровня.

Приведены результаты расчетов стока в бассейне Вилюйского водохранилища: графики динамики рассчитанных и наблюденных уровней; таблицы рассчитанных и наблюденных значений элементов водного баланса; статистические характеристики сопоставления смоделированных и измеренных суточных значений уровня.

На основании анализа результатов обоснована эффективность предлагаемого метода расчетов в бассейнах с крупными водохранилищами.

Четвертая глава посвящена анализу результатов моделирования процессов формирования стока в бассейне р. Лены и его частных водосборах, проведенного на основе использования предложенной в диссертации информационной базы и разработанного автором программного обеспечения, реализующего алгоритмы распределенной гидрологической модели «Гидрограф».

Проведен анализ критериев оценки эффективности моделирования стока. В рамках этих критериев осуществлена оценка адекватности разработанных методов информационного обеспечения задачи моделирования процессов формирования стока для малоизученных бассейнов различных типов.

Выявлены факторы, обусловливающие отклонение рассчитанных величин стока от наблюденных.

На основе сравнения результатов моделирования стока с фактическими данными подтверждена эффективность использования универсальной гидрологической моделирующей системы «Гидрограф» для бассейнов разных размеров в решении задач оценки стока в условиях значительной неопределенности исходной информационной базы.

В заключении работы приведены основные результаты и выводы диссертационного исследования.

В приложениях приведены:

- схемы исследуемых бассейнов;

- характеристики РТ;

- параметры стокоформирующих комплексов;

- материалы для определения скорости и времени добегания;

- результаты моделирования стока в бассейне р. Лены;

- краткое описание программного комплекса, реализующего алгоритмы модели «Гидрограф», разработанного автором диссертации;

Основные положения, выносимые на защиту;

- Принципы построения информационной базы и методов оценки и назначения параметров в концепции гидрологической модели «Гидрограф» применительно к малоизученным бассейнам.

- Методика определения скоростей добегания на основе интерполяции наблюденных данных.

- Выявление закономерностей распределения годовых норм осадков в зависимости от рельефа для различных орографических районов. Создание методики пространственной интерполяции метеорологических величин в горных условиях (на примере бассейна р. Лены).

- Методика моделирования речных бассейнов с искусственным регулированием стока (на примере Вилюйского водохранилища).

- Результаты распределенного детерминированного моделирования процессов формирования стока для водосборов разного масштаба с суточным расчетным интервалом, основанные на использовании единого параметрического обеспечения модели, и их интерпретация в рамках дальнейшего развития и совершенствования методов расчетов стока применительно к малоизученным бассейнам.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается удовлетворительной согласованностью результатов модельных расчетов с фактическими данными.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что на основе разработанных принципов построения единого информационного, программно-алгоритмического и параметрического обеспечения впервые в практике гидрологических расчетов проведено моделирование процессов формирования стока с суточным расчетным интервалом для бассейнов существенно различных размеров.

В рамках решения частных задач впервые:

- обоснована методика априорной оценки значений параметров универсальной гидрологической модели применительно к условиям большого сла-боизученного бассейна;

- обоснована методика интерполяции метеорологической составляющей входа модели применительно к условиям сложного горного рельефа;

- предложена методика расчета элементов водного баланса крупных водохранилищ и их участия в общем регулируемом стоке данной реки.

Практическая значимость диссертационного исследования обусловлена:

- разработанными принципами и фактическим построением единой информационной базы для реализации моделирующего алгоритма в задаче расчетов стока в малоизученных районах;

- разработанной методикой расчета стока и составляющих водного баланса в бассейнах с искусственным регулированием;

- подтвержденной эффективностью использования единого программно-алгоритмического комплекса распределенной гидрологической модели для расчетов величин стока в бассейнах, имеющих различный размер и физико-географические характеристики.

Полученные результаты могут быть использованы в разработке методов прогнозирования и расчетов характеристик стока для малоизученных бассейнов, в решении задач обеспечения безопасного функционирования гидротехнических сооружений, а также при исследовании влияния изменений климата и ландшафтов на гидрологический режим Восточной Сибири.

Апробация работы Основные положения и выводы диссертации докладывались автором на следующих конференциях:

1. 6-й Всероссийский гидрологический съезд (Санкт-Петербург, 2004).

2. Международная конференция «Безопасность речных судоходных гидротехнических сооружений» (Санкт-Петербург, Государственный университет водных коммуникаций, 2007).

3. Научная конференция «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, Институт водных проблем РАН, 2007).

4. Научная сессия кафедры гидрологии суши СПбГУ «Географические и экологические аспекты гидрологии» (Санкт-Петербург, Государственный университет, 2008).

5. Конференция Росгидромета, посвященная 70-летию дрейфа СП-1 (Москва, Институт прикладной геофизики, 2008).

6. Международная конференция «Polar Research - Arctic and Antarctic Perspectives in the International Polar Year» (Санкт-Петербург, 2008).

7. Международный форум «Современные проблемы и будущее геокриологии» (Якутск, Институт мерзлотоведения СО РАН, 2008).

8. Международная конференция «Predictions for Hydrology, Ecology and Water Resources Management» (Прага, 2008).

9. Международная конференция «Hydrological Extremes in Small Basins» (Краков, 2008).

Ю.Международный симпозиум по арктическим исследованиям «Drastic Change Under the Global Warming» (Токио, 2008). 11 .Международный симпозиум IAHS-PUB «Hydrological Modelling and Integrated Water Resources Management in Ungauged Mountainous Watershed» (Ченду, 2008).

Основные положения диссертации изложены в тезисах и абстрактах 11 конференций, в том числе 5 зарубежных, а также в 2 статьях, опубликованных в рецензируемых изданиях списка ВАК:

1. Информационные и математические аспекты задачи моделирования процессов формирования стока речных бассейнов. Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета, № 3, 2007, с. 125-129.

2. Исследование процессов формирования стока на малоизученных водосборах (на примере бассейна р. Лены). Вестник Санкт-Петербургского Государственного Университета, Серия 7, № 3, 2008, с.89-97.

Гидрологическая модель процессов формирования стока «Гидрограф»

Система «Гидрограф» является распределенной детерминированной гидрологической моделью процессов формирования стока. Она разработана д.т.н. проф. Ю.Б. Виноградовым (первые публикации еще в 70-е годы [11]) и под его руководством продолжает совершенствоваться в Государственном Гидрологическом институте.

Модель описывает всю совокупность процессов, формирующих наземный гидрологический цикл: выпадение осадков и их перехват растительным покровом; формирование и разрушение снежного покрова; испарение; поверхностное задержание стока и инфильтрация; динамика тепла и влаги в почве; подземное питание; образование поверхностного, почвенного и подземного стока; русловая трансформация и формирование стока в замыкающем створе (рис. 1).

В качестве входной информации используются суточные данные стандартных сетевых метеорологических наблюдений, такие как температура и влажность воздуха, количество осадков. В отличие от многих других прогнозных схем (со среднемесячными интервалами расчетов), здесь расчетный интервал составляет сутки. Выходом модели служат гидрографы стока в замыкающем створе бассейна, переменные состояния снежного покрова, поверхности склонов, почвы, растительности и стоковых элементов, а также значения элементов водного баланса, включая испарение, сток (в том числе поверхностный, почвенный и подземный).

Параметры и характеристики модели распределены как по территории, так и вертикально - внутри почвенной колонки. Они описывают такие гидрологически значимые составляющие наземных и подземных водосборов как растительность, поверхность склонов, почвенный слой, подземные воды, климатические характеристики.

Принципы, на которых строится создание и развитие модели «Гидрограф», а также подходы, используемые при решении основных проблем и задач моделирования стока, значительно отличаются от общепринятых к настоящему времени в мировой гидрологии.

Остановимся более подробно на основных концепциях, положенных в основу модели «Гидрограф» для решения таких задач гидрологического моделирования как формирование поверхностного и подземного стока, дорусловая и русловая трансформация стока, а также на их отличиях от ставших традиционными для современных моделей «тупиковых» (термин Ю.Б. Виноградова) методов и преимуществах их использования при решении исследовательских и прикладных задач.

Существуют два подхода к проектированию гидрологических моделей. Первый и наиболее распространенный в зарубежной и отечественной практике подход связан с построением систем, ориентированных на моделирование конкретных речных бассейнов или отдельных процессов, формирующих сток (модель дождевого стока, модель талого стока и др.), например [45, 93, 85]. В таких случаях область применения моделей имеет естественные ограничения, определяемые объектом моделирования.

К. Beven в своем критическом анализе подобных подходов противопоставляет «научную гидрологию» широкому диапазону методов, базирующихся на анализе собранных в прошлом данных, и выраженных в виде эмпирических соотношений или откалиброванных гидрологических моделей. В его представлении ценность предлагаемых моделей опровергается недостатками в их структуре и необходимостью калибровки параметров для компенсации этих недостатков в любом частном приложении [84].

Второй подход, более сложный в реализации, но перспективный в использовании, основан на постулате, утверждающем, что физика процессов формирования стока едина для всей поверхности суши [9, 103]. Он предполагает создание универсальной модели формирования стока, описывающей любые возможные в природе гидрологические процессы. Степень универсальности алгоритмов модели в большой мере отражает их адекватность описываемым природным явлениям.

В работе [98] предложена модель CRHM {Cold Regions Hydrological Model), основным преимуществом которой, по мнению авторов, является модульная структура, позволяющая пользователю выбирать расчетные блоки различной сложности и на их основе конструировать модель для конкретной реализации как в зависимости от понимания происходящих процессов, так и имеющихся данных. К этой методологии примыкают разработки С.А. Кондратьева [36, 37]. На первый взгляд может показаться, что предложенные решения следуют принципам универсальности, однако «желание располагать набором моделей, приспособленных к различным ситуациям, распознавание которых останется нечетким и субъективным, связано с привычной для традиционной гидрологии идеей упрощения решения задач путем их расчленения на составные части» [9, с. 27].

Итак, под принципом универсальности мы подразумеваем возможность в рамках единой системы и унифицированного информационного подхода моделировать процессы формирования стока в самых различных типах бассейнов вне зависимости от их размера, типа подстилающей поверхности и климатических характеристик. Принцип универсальности является основополагающим при построении и оценке модели «Гидрограф».

Выделение стокоформирующих комплексов в бассейне р. Лены

Оценка параметров модели предваряется выделением на территории водосбора областей, однородных по типу формирования стока; следуя терминологии Ю.Б.Виноградова [10], будем называть их далее стокоформи-рующими комплексами (СФК).

Для каждого СФК определяются параметры почвенного профиля, растительного покрова и поверхности склонов. Параметры модели неизменны в пределах СФК и скачкообразно изменяются на его границах. Вся водосборная площадь может быть представлена одним или несколькими СФК, различающимися по комплексу природных факторов. Главным критерием дробления водосбора на гидрологические ландшафты является тип растительности и почвы.

В качестве отдельных СФК выделяются все типы подстилающей поверхности, общая площадь которых соизмерима с площадью, подкомандной РТ. Размеры и детальность выделенных СФК определяются в основном размером бассейна, наличием информации о гидрологически значимых свойствах ландшафтов и масштабом используемых карт.

Для СФК-районирования в бассейне р. Лены использованы следующие источники: литературные источники [22, 23, 24, 28, 41, 53, 59], справочные и кадастровые материалы [65], топографические карты [29], карты почвенно-растительного покрова [63], ландшафтные карты [52].

Параметры модели являются числовыми коэффициенты в ее алгоритме. Значения параметров принимаются постоянными для каждого объекта, но изменяются от бассейна к бассейну в зависимости от их физико-географических особенностей. Набор параметров детерминированной модели стока отражает степень полноты описания гидрологических процессов и факторов их определяющих. Рассмотрим пять основных групп параметров модели «Гидрограф», среди них параметры почвенной колонки, растительного покрова, поверхности склонов, подземных вод и климатические параметры. Параметры почвенной колонки Для оценки параметров почвенной колонки, характеризующей отдельные СФК, использованы данные из агроклиматических справочников по районам Восточной Сибири [2—5], материалы полевых наблюдений Байкало-Амурской экспедиции ГГИ 1976 - 1985 гг. на тепловоднобалансовом полигоне под названием «Могот» для районов южной Якутии, а также [10,12,17,21,26-27, 39,56-57,69,73]. Этими параметрами определяются физические, водно-физические и теплофизические свойства почвенного покрова.

Толщина расчетного слоя почвы (РСП) [м] не регламентируется, в сумме общая мощность всех расчетных слоев почвы обычно составляет 1 м, но может быть и больше. В работе для всех бассейнов принято 10 РСП по 0.1 м толщиной. В число параметров включены: - плотность почвенного вещества и горной породы, - пористость, - максимальная водоудерживающая способность, - коэффициент фильтрации, - удельная массовая теплоемкость, - удельная массовая теплопроводность, - показатель влияния льдистости на фильтрацию, - доля вклада расчетного слоя почвы в общее испарение, - гидравлический параметр почвенного притока. Приведем более подробное описание этих параметров, принятые значения которых приведены в прил. 2 (табл. 1-8). Пористость [б/р] (за вычетом неподвижной влаги) рассчитывается в виде е = \-а / р, (4) где р, со - удельная и объемная массы почвенных частиц. Максимальная водоудерживающая способность [мм] (называемая также в некоторых источниках наименьшей влагоёмкостью или предельной полевой влагоёмкостью [67]) определяется как максимальная водоудерживающая способность за вычетом неподвижной влаги; последняя при этом может быть отождествлена с влажностью завядания (коэффициентом увядания). Значения удельной массовой теплопроводности почвенного вещества Л [Вт/(м град)] (коэффициента теплопроводности) при отсутствии эмпирических данных по расчётному бассейну могут быть определены по справочным данным [10, 27], исходя из коэффициента теплопроводности сухой поч-вы А с использованием формулы [10]: Л = Лшіп(1-є)", (5) где є - пористость, а рекомендуемое значение показателя п = 2.5.

Показатель влияния льдистости на фильтрацию определяется в соответствии с типом почвы следующим образом: песчаная - 4, супесчаная - 5, суглинистая - 6, глинистая - 7 [10]. Вклад расчетных слоев почвы в общее испарение [б/р] определяется следующим образом. Доля вклада первого расчетного слоя почвы Кх меняется от 0.1 (глубокое проникновение корневой системы в почву) до 0.5 (при отсутствии растительности в песчаных почвах). Для прочих слоев почвы доля вклада определяется по формуле: К,=К1{\-К1),-Л3 (6) где К- доля вклада в испарение /-ого расчетного слоя почвы. Параметры почвенно-растительного покрова В число параметров модели, учитывающих влияние почвенно-растительного покрова, включены (прил. 3, табл. 9): - максимальная ёмкость перехвата осадков элементами растительного покрова [мм] - максимальная водоудерживающая способность растительного сообщества, определяющая потенциальную возможность всех ярусов растительности данного СФК задерживать некоторый слой дождевой влаги, определялась на основании [64, 101]; - минимальная ёмкость перехвата; для хвойных деревьев принимается равной максимальной; для лиственных - 20-35 % от максимального значения.

Стандартные расчеты и методы прогноза стока при эксплуатации водохранилищ

Долгосрочные прогнозы притока воды в Вилюйское водохранилище за период весеннего половодья и его распределения во времени имеют преобладающее значение. Рассмотрим основные методы, применявшиеся до настоящего времени для расчета притока воды в водохранилище. 1. Метод водного баланса состоит в решении уравнения водного баланса от носительно искомой величины. Составляющими уравнения водного баланса для наполненного водохранилища являются: осадки, выпадающие на по верхность водохранилища; испарение воды с поверхности водохранилища; приток воды по русловой сети (основное русло и боковые притоки); регули руемый сток. Метод подсчета притока воды в крупные водохранилища по уравнению водного баланса за сравнительно короткие интервалы времени не имеет перспектив для своего развития [58]. 2. Метод регрессионных моделей Основой данных методов является использование регрессионных уравнений, учитывающих факторы, характеризующие условия формирования уровней воды различной обеспеченности. Сглаживающие регрессии, как правило, рассчитываются методом наименышгх квадратов. Используемые для оценки обобщенных параметров уравнения представляют собой линейные комбинации соответствующих гидрометеорологических предикторов, измеряемых в пунктах наблюдений гидрометеорологической сети. В число предикторов включают: характеристики толщины льда и ее изменения по длине участка основной реки; показатели теплозапасов почвы; показатели температуры воздуха и количества осадков в весенние месяцы, предшествующие снеготаянию; показатель снегонакопления; осенний сток.

Список существенных предикторов определяется сначала из логических соображений, после чего проверяется их репрезентативность на основе корреляции с наблюденными величинами. Далее весовые коэффициенты в линейных комбинациях перечисленных предикторов находятся как коэффициенты в уравнениях множественной корреляции отобранных предикторов с наблюденными значениями [62]. 3. Метод аналогии

Суть метода состоит в использовании данных о стоке рек, на которых имеются гидрометрические наблюдения, для вычисления притока воды с областей, не охваченных измерениями. Для подбора рек-аналогов выполняется сравнение бассейнов по какому-либо интегральному природному показателю, например, густоте русловой сети, среднему уклону склонов и др. Оценка влияния того или иного фактора проводится на основе анализа эмпирических связей, например, типа: QhUX\ =к. (1) Здесь h - слой стока весеннего половодья, F - площадь бассейна, QKtAX -максимальный расход, п- показатель степени редукции, К- коэффициент (например, характеризующий дружность половодья). Для гидрологической практики типичной является ситуация недостаточной информационной обеспеченности. Это обусловливает высокую актуальность задачи прогнозов стока для малоизученных в гидрометеорологическом отношении территорий. В этой связи особый интерес приобретает при 74 ложение изложенной выше в диссертационном исследовании методики именно к таким водосборам. В диссертации в качестве модельных объектов для оценки эффективности моделирующих алгоритмов и связанных с ними прогнозных расчетов выбран бассейн р. Вилюй.

Основной особенностью территории бассейна р. Вилюй в плане гидрологических прогнозов и расчетов является исключительно недостаточное информационное обеспечение. Это касается метеорологических данных - на территории бассейна расположены три метеостанции, сосредоточенные в его центральной части и приуроченные к береговой линии водохранилища, то есть мало репрезентативные для районов верховьев pp. Вилюя и Чоны. Основная часть бассейна (до 80% площади) не покрыта стандартными метеорологическими данными. Это же относится к наблюдениям за снежным и почвенным покровом.

Слабая информационная обеспеченность имеет место и для гидрологических показателей. Так, на р. Вилюй вплоть до створа Чернышевский (створ плотины ГЭС) действуют всего три гидрометрических поста, причем лишь на двух из них проводятся измерения расходов воды. Ближайший пост, расположенный выше водохранилища (Усть-Амбардах), находится от него на расстоянии 1816 км.

Таким образом, условия решения задачи расчетов стока в бассейне Ви-люйской ГЭС можно отнести к категории, принятой в СНиП и современном СП [70, 71] как «отсутствие данных наблюдений», а использование традиционных методов - водного баланса, регрессионных моделей и аналогии -представляется неприемлемым.

В этой ситуации современное физически обоснованное распределенное математическое моделирование должно стать методологической основой новых прогнозных процедур. Адекватность последних должна опираться на учет всех влияющих на сток факторов в их непосредственном взаимодействии при реализации гидрологических процессов. В этом принципиальное от 75 личие предлагаемой методики от традиционных подходов, основанных на введении разного рода поправочных коэффициентов.

Создание адекватной методики моделирования стока в сложных гидрометеорологических системах является актуальным как для фундаментальной, так и для прикладной гидрологии. Подобная методика позволит получать количественные оценки характеристик водного режима как в естественных условиях, так и при различных антропогенных изменениях в бассейне, являясь алгоритмической основой для проведения численных экспериментов по моделированию водообмена в бассейнах с искусственными сооружениями для разных сценариев развития климатической ситуации.

Речной бассейн с крупными водохранилищами является комплексной системой. Составляющие его отдельные элементы в свою очередь могут и должны рассматриваться как самостоятельные объекты моделирования. Для учета искусственной регулирующей роли водохранилищ необходимо применение излагаемого ниже метода последовательного моделирования стока на речных бассейнах с учетом поступления стока в водохранилище и регулируемого истечения воды из водохранилища. Комплексность основного объекта моделирования, обусловленная наличием крупных водных объектов, трансформирующих сток, предполагает введение так называемых «транзитных» точек; эти точки должны быть расположены на водораздельной линии в замыкающих створах предшествующих объектов (выше по течению), входящих в данный комплекс. Рассмотрим возможные пути решения следующих частных гидрологических задач, входящих в общую модель формирования стока большого бассейна: 1. Моделирование процессов формирования стока в отдельных водосборах, рассматриваемых как подсистемы большого бассейна. 2. Моделирование участия крупных водных объектов (озера, водохранилища) в трансформации и перераспределении стока внутри бассейна. Мы предлагаем реализацию этих задач в виде следующих трех этапов: 1. Моделирование гидрографов притока в водохранилище. Замыкающим створом в таком случае является вся береговая линия водохранилища. 2. Моделирование хода уровня водохранилища и истечения из него. 3. Моделирование гидрографов стока для части бассейна, находящегося ниже водохранилища, и объединение результатов в замыкающем створе реки в виде суммарного баланса истечения из водохранилища и стока с нижней части бассейна.

Результаты моделирования процессов формирования стока в бассейне Вилюйской ГЭС

Моделирование стока выполнено для бассейна Вилюйской ГЭС с суточным расчетным интервалом для периода 1979-1984 гг. В результате расчетов получены гидрографы притока воды в водохранилище, гидрографы уровня, а также значения элементов водного баланса в бас сейне р. Вилюй. Совмещенные графики рассчитанного и наблюденного хода уровня, а также рассчитанные гидрографы притока в водохранилище представлены на рис. 10-12 (здесь черный - фактические, красный - рассчитанные уровни, зеленый - гидрограф притока).

Сопоставление рассчитанных суточных уровней воды с данными измерений представлено в табл. 8-10. Максимальная амплитуда изменения уровня Л„ в течение расчетного периода составила 9 м (уровень не опускался ниже отметки 236 м), объема наполнения Av - около 16 км3 (значение объема воды в водохранилище не опускалось ниже 21 км3). 1. Прогноз объема стока зарегулированных рек и режима притока воды в каскады водохранилищ является основой для подготовки рекомендаций по установлению режимов специальных пропусков во время половодья и паводков, наполнения водохранилищ и обеспечения безопасности гидротехнических сооружений. Традиционные методы расчетов, такие как метод водного баланса, метод регрессионных моделей, метод аналогии не приводят к приемлемой точности прогнозов стока в условиях отсутствия данных наблюдений. 2. Составляющие элементы крупного речного бассейна должны рассматриваться как самостоятельные объекты моделирования. 3. Учет регулирующей роли водохранилищ осуществляется методом последовательного моделирования стока, который состоит из следующих этапов: - моделирование гидрографов притока в водохранилище. Замыкающим створом в таком случае является вся береговая линия водохранилища; - моделирование хода уровня водохранилища и истечения из него; - моделирование гидрографов стока для части бассейна, находящегося ниже водохранилища, и объединение результатов в замыкающем створе реки в виде суммарного баланса истечения из водохранилища и стока с нижней части бассейна. 4. Алгоритмическая структура моделирующего блока системы основана на использовании уравнения водного баланса для искомого динамически меняющегося объема воды в водохранилище. 5. Результаты модельных расчетов показывают, что изложенная методика приводит к удовлетворительной точности расчетов стока. Глава 4. Результаты моделирования процессов формирования стока в бассейне р. Лены

Моделирование процессов формирования стока было проведено с суточным интервалом как для бассейна р. Лены в целом, так и для ряда объектов внутри него. Результатами расчетов стали суточные гидрографы стока в створах: р. Лена - створ Кюсюр (F = 2430000 км2), р. Алдан - створ Верхоянский Перевоз (F = 696000 км2), р. Витим - створ Бодайбо (F = 186000 км2), р. Учур -створ Чюльбю (F =108000 км2) р. Тимптон - створ Нагорный (F = 613 км2), р. Катырык - створ Токо (F = 40,2 км2), характеристики стока и водного баланса по бассейнам, а также статистические оценки эффективности расчетов. Период расчета составил от 7 до 19 лет (1966-1984 гг.) в зависимости от наличия метеорологической и контрольной гидрологической информации. Результаты расчетов по системе река — водохранилище (р. Вилюй - Чернышевский) приведены выше в гл. 3.

Для гидрологической науки весьма актуальна задача оценки степени адекватности гидрологических моделей природным процессам, в том числе точности значений оцененных параметров и достоверности полученных результатов моделирования. С ней связана проблема «эквифинальности» (equifinality) [86], то есть «неединственности», когда некое множество моделей дает приблизительно одинаковые результаты для одного и того же объекта, и оценка их правдоподобности становится затруднительной. Это происходит, когда параметры моделей калибруются на основе данных наблюдений. Возможным решением данной проблемы, реализованным в диссертационной работе, может стать многократное применение одной и той же модели для различных по своим ландшафтным и климатическим характеристикам бассейнов с последующей оценкой результатов. Анализ источников (например, [18,45,95,100]) показывает, что список критериев оценки эффективности моделирования, используемых как в зарубежных, так и отечественных работах, довольно узок. Наиболее распространенные критерии имеют множество ограничений и недостатков [9, 97] и не дают полноценного представления о степени методологической универсальности полученных результатов. Ниже здесь мы приводим по возможности полное описание результатов моделирования как на основе общепринятых критериев, так и характерных только для практики применения модели «Гидрограф».