Содержание к диссертации
Введение
1. Природные условия мнр и состояние гидрометеорологической изученности 8
1.1. Обзор физико-географических условий МНР 8
1.1.1. Географическое положение и рельеф 8
1.1.2. Климат 12
1.1.3. Почвы и растительность ,14
1.1.4. Основные закономерности водного режима. 22
1.2. Анализ гидрометеорологической изученности 27
1.3. Некоторые методические проблемы паводков и состояние расчетов максимального стока на территории МНР 32
2. Научные основы решения некоторых задач обобщения и анализа гвдрометеорологической информации при расчетах максимального стока 39
2.1. Решение задачи о поясном (высотно-зональном) стоке на основе теории некорректно поставленных задач 39
2.1.1. Постановка задачи . 39
2.1.2. Метод регуляризации для решения некорректно поставленных задач 44
2.1*3. Зоны формирования и рассеивания стока 48
2.2. Уточнение статистических характеристик лив
невых осадков на основе метода объединения
совокупностей 57
2.2.1. Метод объединения совокупностей 57
2.2.2. О числе объединяемых выборок при совместном анализе наблюдений по группе станций. 60
2.3. Об оценках, предоставляемых формулами С.Н.Криц-
кого и М.Ш.Менкеля при учете выдающихся явлений . .68
3. Предлагаемая методика расчета максимального стока водотоков МНР 79
3.1. Статистические характеристики дождей Монголии . 79
3.2. Редукция осадков во времени 86
3.3. Расчеты максимального стока 96
3.3.1. Потери ливневого стока . 96
3.3.2. Редукция модуля максимального стока 106
3.3.3. Районирование территории ВШР по изменчивости максимального стока и установление переходных коэффициентов к заданной обеспеченности 114
3.3.4. Методика расчета максимальных расходов воды 120
3.4. Внедрение результатов и экономическая эффективность 126
Основные выводы и рекомендации 128
Литература
- Географическое положение и рельеф
- Анализ гидрометеорологической изученности
- Метод регуляризации для решения некорректно поставленных задач
- Районирование территории ВШР по изменчивости максимального стока и установление переходных коэффициентов к заданной обеспеченности
Введение к работе
Состояние разработок по максимальному стоку рек Монголии не позволяет в настоящее время обеспечивать нужды развивающегося народного хозяйства региона надёжными расчетными величинами. Территория МНР пока слабо изучена в гидрометеорологическом отношении, но обладает чрезвычайным разнообразием меняющихся по площади условий, что требует обоснования методик расчета элементов гидрологического режима. В первую очередь необходимо изучить и разработать методы расчета и прогноза па-водочного стока, который обуславливает мероприятия по инженерной защите объектов строительства и является определяющим в формировании водных ресурсов рек. Эффективность подобных мероприятий во многом зависит от точности и надёжности как данных наблюдений, так и результатов их обработки и последующего гидрологического расчета. Поэтому актуальность данной работы, имеющей своей целью повышение достоверности гидрологических расчетов (особенно на слабо изученных территориях) очевидна.
Как указал ХХУІ съезд КПСС [I] , важным направлением деятельности Советского государства является расширение экономических и научно-технических связей с зарубежными странами, а прежде всего - с социалистическими государствами. В отчете Центрального Комитета МНРП ХУІІІ съезду подчеркивалось, что за прошедшие пять лет братская всесторонняя помощь Советского Союза сыграла огромную роль в реализации заданий шестой пятилетки, внесла большой вклад в дальнейший подъем экономики и культуры страны. В 1976 - 80 г.г. с помощью СССР было введено в эксплуатацию около 150 народохозяйственных объектов и начато строительство десятков промышленных и сельскохозяйственных предприятий [63]. ХУІІІ съезд МНРП отметил в числе основных задач развития экономики на 7-ю пятилетку коренное улучшение технических решений в капитальном строительстве, повышение экономичности проектов и своевременное обеспечение строительства высококачественной проектно-сметной документацией. Необходимые для этого сведения о природных условиях страны можно получить только в результате выполнения широкого круга фундаментальных исследований. Научно-техническое сотрудничество в этой области постоянно развивается, и поэтому данная работа является дальнейшим продолжением исследований, начатых в своё время Н.Т.Кузнецовым[48] и продолженных М.В.Росеомахиным[74] , А.Ф.Крапшиковым[39,40], Н.Мягмаржавом[57,58], Н.Дашдэлэгом[2б], Н.Сампилноровым [7б]и другими советскими и монгольскими учеными.
Постоянное совершенствование Экономического механизма народного хозяйства как нашей, так и любой другой страны СЭВ, требует, в свою очередь, совершенствования методической базы инженерно-гидрологических изысканий. Поэтому в работе получили дальнейшее развитие методы и приёмы анализа и обобщения данных гидрометеорологических наблюдений. Основные результаты этой части работы являются развитием идей, высказанных в своё время А.Н.Бефани[б-Ю], С.Н.Крицким и М.Ф.Менкелем[42-45], А.В.Рождественским[72], М.Н.Большаковым[18], Ф. В. Зал веским [71] и другими.
Целью настоящей работы являлось создание методики расчета максимального стока. Для достижения этой цели оказалось необходимым решить ряд задач, а именно:
а) выяснить региональные условия формирования стока рек Монголии;
б) проанализировать существующие расчетные схемы максимального стока, дать оценку их достоверности, предложить усовершенствованный метод расчета, выполнить обобщения и обосновать со ответствующие рекомендации;
- б в) исследовать и доработать методы обработки информации максимально повышающие достоверность расчетов;
г) оценить существующие приемы учета выдающихся явлений.
Научная новизна работы заключается, с одной стороны, в выяснении или уточнении ранее неизвестных или слабо изученных гидрометеорологических условий Монголии. С другой стороны, результаты, имеющие новизну в географо-гидрологическом смысле, получены с помощью специально доработанных или модифицированных методов, также содержащих научную новизну. В частности,
научную новизну имеют следующие вопросы:
а) решение задачи о поясном стоке;
б) выделение зон формирования и рассеивания стока;
в) уточнение и алгоритмизация метода объединения совокупностей;
г) районирование территории МНР по условиям формирования ливневых осадков и выделение типов редукции дождей;
д) районирование территории по изменчивости максимального стока;
е) рекомендации по учету выдающихся явлений при определениистатистических характеристик;
ж) выделение типов редукции модулей максимального стока. Предметом защиты в предлагаемой работе являются следующие основные моменты.
а). Установление закономерностей изменения поясного стока на основе некоторых результатов теории некорректных задач и выделение зон формирования и рассеивания стока, б). Исследование возможностей применения и дальнейшее развитие метода объединения совокупностей. Районирование территории МНР по условиям формирования суточного максимума осадков. Карта суточного максимума осадков вероятностью превышения Р=1%. Выделение типов редукции дождей на основе уточнения по методу
- 7 -объединения совокупностей и соответствующее районирование территории.
в). Рекомендации по учету выдающихся явлений и установление свойств оценок, получаемых по формулам С.Н.Крицкого и М.Ф.Мен-келя.
г). Районирование территории по характеру изменчивости максимального стока и установление переходных коэффициентов к стоку различной обеспеченности.
д) Выделение различных типов редукции максимального модуля, е). Методика расчета максимального модуля стока рек и временных водотоков МНР.
Автор считает своим долгом выразить признательность за постоянное обсуждение результатов и советы научному руководителю, проф., д.т.н. Бефани А.Н., к.т.н. Сотниковой Л.Ф. (ИВП АН СССР), к.т.н. Залесскому Ф.В. и к.г.н.Крашникову А.Ф. (ПНИЙИС Госстроя СССР).
Географическое положение и рельеф
Природные условия страны являются предметом исследований специалистов различных отраслей географической науки. При составлении данного обзора использованы работы Е.И.СеливановаІ79], Н.А.Маринова и В.Н.Попова[55], Н.Т.1$гзнецова[48] , Э.М,Мурзае ва[5б] , И.Х.Овдиенко[бі] и другие справочники и статьи[59, 60, 94].
Территория Монгольской Народной Республики расположена в северной части Центральной Азии в пределах 52- 42с.ш. и 88-120в.д. и занимает площадь 1565 тыс.кмт
Рассматриваемый район находится в значительном удалении от окаймляющих азиатский материк морей и океанов. Ближайшим к границам МНР крупным водным объектом является расположенный к юго-востоку Ляодунский залив Желтого моря. В остальных направлениях морское побережье удалено с востока на 1000 - 1200 км., а с запада, севера и юга - не менее чем на 2000-3000 км.
Монгольская Народная Республика - это преимущественно горная страна, приподнятая над уровнем моря в среднем на 1580 м. Горные системы и межгорные понижения имеют на территории МНР определенные направления: на западе они ориентированы с северо-запада на юго-восток, а восточнее 104 в.д. господствующим становится северо-восточное простирание. В целом горные сооружения образуют три огромные дуги, обращенные выпуклой стороной на юг. Эти дуги образованы хребтами: первая - Хан-)(ухэй -Болнай-Нуру - Бутулин-Нуру, вторая - Хангай - Хэнтэй и третья-Монгольский Алтай - Гобийский Алтай - Гряды Восточной Гоби (рисІ.І)
На крайнем северо-западе страны расположена горная группа Табын-Богдо-Ола, от которой через весь юго-запад протягиваются 5-6 прерывистых, почти одинаковых по высоте цепей, образующих самую высокую горную сисГему Монголии - Монгольский Алтай. Характерной чертой Монгольского Алтая является асимметричность его склонов, обусловленная горстовым характером последних. Для верхних частей хребтов характерны платообразные гребни, мягкие сглаженные формы, несмотря на крутизну склонов, глубокие корытообразные долины и, наоборот, для более низких цепей и предгорий главных хребтов характерные резкие формы рельефа, расчлененные сайрами, ущельями.
Гобийский Алтай состоит из отдельных хребтов, вытянутых в широтном направлении в два-три паралельних ряда. В целом Гобийский Алтай имеет пустынный облик. Склоны гор скалисты, прорезаны рытвинами, бороздами, оврагами длиной обычно 15 - 25 км. Характерной чертой Гобийского Алтая является наличие в нижних частях склонов почти всех хребтов обширных бэлей, среди которых хребты как бы утопают.
К востоку от Монгольского Алтая простирается обширная впадина - Котловина Больших Озер. Поверхность котловины представляет собой систему наклонных равнин, где имеются мелкосопочные, увалистые участки. Широко распространены бугристые или барханные пески.
На юго-востоке Котловина Больших Озер соединяется через впадину Шарын-Гоби с гобийской Долиной Озер. Долина Озер представляет собой всхолмленные равнины, местами покрытые песчаными буграми, барханами, солончаками и такырами,пересеченными в нескольких местах крупными речными долинами, а также сухими руслами временных потоков.
Срединную часть Монголии занимает сводово-глыбовый Хангайский хребет. По гребню Хангая проходит Мировой водораздел между бассейном Северного Ледовитого океана и бессточным бассейном Центральной Азии. В целом для Хангая характерен средне-горный лесостепной ландшафт, характеризующийся мягкими, сглаженными формами рельефа, плоскими широкими гребнями, широкими долинами рек. Крутые, скалистые склоны встречаются только в центральной, наиболее высокой части Хангая.
Между Прихубсугульем и Хангай-Хэнтэем расположена область средневысотных, сглаженных и останзовых гор, пересекаемая на востоке крупнейшими реками Монголии - Селенгой и Орхоном.
С восточной стороны к Хангаю через ряд мелкосопочных возвышенностей примыкает сводово-глыбовый Хэнтэйский горный массив. В морфологии Хэнтэя преобладают сглаженные округлые столообразные вершины. Наблюдается своеобразное сочетание плоских гребней водоразделов и крутых резких склонов гольцов, покрытых громадными скоплениями гранитных россыпей.
На востоке МНР расположена Восточно-Монгольская равнина, поверхность которой по сравнению с другими районами страны отличается относительным разнообразием, отсутствием горных гряд и слабым развитием речной сети. Часто встречаются западины, заполненные солончаками или мелкими мелкими небольшими озерками.
Южная часть страны занята пустынно-степными пространствами Гоби. Абсолютные высоты в Гоби колеблются в пределах 700-2000м. над уровнем моря, преобладают же участки, лежащие на высоте 1000 - 1200 м. Основные элементы рельефа Гоби ориентированы в западной части страны в северо-западном, на юге - в широтном, а на востоке - в северо-восточном направлениях. В рельефе этого обширного района преобладают котловины, обычно замкнутые, волнисто-увалистые равнины и мелкосопочник, менее часто встречаются горные кряжи и хребты.
Анализ гидрометеорологической изученности
Реки Хэнтэйского горно-равнинного района имеют преобладающее дождевое питание. В пределах этого района значительную долю занимает зона рассеивания стока. Её влияние на гидрологический режим можно проследить на примере р.Керулен. На рис. 1.7 представлены совмещенные гидрографы стока по постам: I - р.Керулен -п.Керулен (F = 7350 кмт) и р.Керулен - п.Чойбалсан (F = 71500км?). Водосборная площадь до первого замыкающего створа расположена целиком в зоне формирования стока и режим стока является достаточно характерным. Ниже створа п.Керулен наблюдается рассеивание стока. Паводочные волны на участке между створами подвергаются значительной трансформации, и, хотя питание осуществляется за счет дождевых вод, наблюдающийся режим стока не имеет ничего общего с традиционными представлениями о паводках.
Водный режим рек района Большого Хингана еще не изучен, но дождевое питание намного превышает снеговое.
В пределах Восточно-Монгольского района постоянно-действующие поверхностные водотоки отсутствуют, однако характерны сильные дожди, в результате которых образуются бурные потоки, теряющиеся в песках межгорных котловин.
Гоби-Алтайский район практически не изучен, наблюдаются дождевые паводки во временных руслах.
Изучение гидрометеорологии Монголии тесно связано с географическими исследованиями этой страны. Вся история научных исследова ний страны разбивается на несколько периодов: 1. Средневековые путешествия ( XIII - ХУІ в.в.). 2. С начала ХШ в. по 1870 г. 3. С 1870 г. по 1921 г. 4. С 1921 г. - современные исследования.
Собственно научное изучение природы МНР начинается только с 70 г.г. прошлого столетия, когда организуются первые экспедиции Ясского Географического общества в Центральную Азию (экспедиции Н.М.Пржевальского[66,67І, П.К.Козлова[37]и др.). Однако в массе своей данные наблюдений носили и носят до сих пор отрывочный, экспедиционный характер. Регулярные наблюдения за погодными условиями страны начались в 1936 г, К этому же времени относится создание первых гидрологических постов на крупных реках. В настоящее время гидрометеорологическая наблюдательная сеть значительно расширилась.
В настоящей работе использованы суточные максимумы жидких осадков по 56 метеостанциям (рис.1.8). Сведения о продолжительности наблюдений и погрешностях принятых значений приведены в приложении I. Из этих станций по 15 имеются данные плювиографи-ческих наблюдений.
В работе использованы результаты обобщений данных по годовому стоку по 48 постам, опубликованные Н.Сампилноровым[7б] .
Регулярные гидрологические наблюдения проводятся на 17 постах, расположенных на больших и средних реках (рис.1.9) и в основном в зоне формирования стока. В Гобийском и Гоби-Алтайском районах такие наблюдения отсутствуют. Поэтому широко использовались данные наблюдений Госкомгидромета СССР на приграничной территории (32 поста), данные экспедиционных работ ГМС МНР, Производственного и научно-исследовательского института по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИСа Госстроя СССР),
Ленгипроводхоза (103 определения максимальных расходов по меткам ГВВ, МВХ МНР 21 и т.д. Так ПШИИСом в течение нескольких лет изучался гидрологический режим малых водотоков ( от 4 до 1000 км?) в районе горнообогатительного комбината Эрдэнэт.
Из приведенных цифр ясно, что изученность территории совершенно недостаточна. Данные наблюдений характеризуются малой точностью и нерегулярностью. Сеть наблюдений неравномерно охватывает территорию, а результаты практически не обобщаются. Отсутствуют аналогичнее ежегодникам справочные издания. Все это чрезвычайно затрудняет разработки по расчетам элементов гидрологического режима и сказывается на их точности и достоверности.
Недостаточная гидрометеорологическая изученность Монголии накладывает существенные ограничения на используемые в гидрологических расчетах методы и определяет уровень обобщений. В области максимального стока можно указать лишь на разработки Е.Гирьі[Зі] по осадкам, а также работы Б.Мягмаржава[57]и М.В.Рос-сомахина[74]по расчетам максимальных модулей стока и Дашдэлэга Н. и Сугар Ц.[і03] по ливням.
Е.Гира впервые выполнил наиболее полное обобщение по атмосферным осадкам на территории МНР. В частности, им обработаны суточные максимумы осадков по 19 метеостанциям и приведены в табличном виде расчетные значения вероятностью 10, 5, 2.5 %,
Метод регуляризации для решения некорректно поставленных задач
Применение этих формул в настоящее время ограничено отсутствием сведений о погрешностях рачетных величин. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
В общем виде задача оценки параметров формулируется таким образом. Пусть - Q. случайная величина, подчиненная закону распределения F(QncC) , где сС - неизвестный параметр распределения. Поскольку всеми элементами генеральной совокупности мы не располагаем, то все суждения о нем основываются на некотором количестве выборок. Всякую функцию результатов наблюдений (выборки), с помощью которой судят о параметре cL , называют оценкой (или статистикой) этого параметра. Поскольку состав выборок случаен, то выборочная оценка также описывается законом распределения и числовыми характеристиками. Основными свойствами оценок являются свойства несмещенности, эффективности и состоятель-ности. Оценка d параметра еС называется несмещенной, если её математическое ожидание равно оцениваемому параметру. Эффек-тивной оценкой ol называют несмещенную оценку, имеющую наименьшую дисперсию среди всех возможных несмещенных оценок параметра cL . Оценка L называется состоятельной, если она сходится по вероятности к cL при неограниченном увеличении объема наблюдений.
Наиболее строго получить выборочное распределение параметра возможно теоретическим путем. В этом случае оценка рассматривается как соответствующая многомерная функция от случайных, независимых, одинаково распределенных величин и аналитически устанавливается плотность вероятностей оценки. Однако задача эта в подавляющем большинстве случаев чрезвычайно сложна, поэтому чаще всего мы прибегаем к методу статистических испытаний (методу Монте-Карло), позволяющему достигать хотя и частного, но практически необходимого решения. Впервые основные положения статистического моделирования в гидрологии рассмотрены С.Н.Крицким и М.Ф.Менкелем. Дальнейшее развитие они получили в работах ГГ.Сванидзе, Е.Г.Блохинова, А.Ш.Рез-никовского, А.В.Рождественского, Л.Ф.Сотниковой и др.
Общепринятого определения методов Монте-Карло пока нет. Придерживаясь[84] , назовем методами Монте-Карло численные методы решения математических задач при помощи моделирования случайных величин. Здесь подчеркивается, что речь идет о численных методах, которые могут конкурировать с классическими численными методами, а не с аналитическими методами решения задач. Применительно к поставленной задаче этот метод представляет собой широко поставленный эксперимент, основанный на массовом моделировании и обработке реализаций случайных величин. Статистическое моделирование случайной совокупности, подчиняющейся заданному закону распределения, осуществляется просто. Для этого совокупность равномерно распределенных случайных чисел принимается за обеспеченности, исходя из которых определяются значения величин случайной последовательности.
Техника моделирования случайной последовательности, заданной распределением Крицкого-Менкеля, в соответствии с рекомендациями А.В.Рождественского[72,73І состоит в следующем, а). Получение равномерно распределенного случайного числа. Генерирование равномерно распределенных случайных (псевдослучайных) чисел осуществляется по программе, предлагаемой фирмой IBM [92] и входящей в состав математического обеспечения ЕС ЭВМ. Длина отрезка апериодичности достаточно велика, поэтому можно получить псевдослучайный, равномерно распределенный ряд чисел практически любой длины.
б). Определение табличного значения К по случайному числу и заданным Cv и С . Ввиду того, что таблицы распределения составлены для обеспеченностей от 0.001 до 99.9 $, интервал [о,і] переводится с помощью линейного преобразования в новый интервал[0.001, 99.9]
Районирование территории ВШР по изменчивости максимального стока и установление переходных коэффициентов к заданной обеспеченности
Как указывалось, FKp соответствует стокообразущей части площади водосбора. Условие Ркр Р является одной из теоретических предпосылок использования формулы предельной интенсивности, допускающей формирование стока на всей площади водосбора. Т.е. становится ясным еще один из пределов применимости этой формулы, дополняющий общие замечания, изложенные в гл.2. Цифры в таблице 5 являются верхними пределами значений площади водосбора. Так, например, формулу нельзя применять при продолжительности дождя более 10 часов и при осадках в центре менее 50 мм. При осадках 150 мм. пределы применимости формулы предельной интенсивности достаточно широки.
Поскольку параметр й в модели редукции дождя является заниженным, т.к. отвечает суточным суммам осадков, то представляет интерес сопоставление F\ .p с результатами обследования водотоков по следам паводков. Оценки эти весьма приближенны, но отвечают реальным, выдающимся дождям.
Так, например, ливень, выпавший 3 августа 1982 г. в г.Улан-Баторе и сформировавший паводок, приведший к человеческим жертвам, охватил площадь порядка 150 - 200 кмт Причем в изменении максимальных модулей в пределах этой площади закономерностей не обнаруживается
Н.Батсух[4] приводит сведения о ливне со слоем 70 мм., выпавшем в районе озера Хубсугул. Ливень охватил большую площадь, однако весьма значительные модули (2-4 м/с кмт) зфик-сированы на трех малых водосборах, занимающих площадь примерно 100 км?
По данным М.В.Россомахина[74] , относящимся уже к Гобийс-кой зоне, увеличение расхода воды отмечается до площади примерно 100 кмт, но наибольшие модули имели место на площади немногим более 10 KMV (сайры іуллингентала).
Таким образом, представилось целесообразным уменьшить верхний предел применимости формулы предельной ИНТЕНСИВНОСТИ до 100 кмт в зоне формирования и до 50 км. в зоне рассеивания стока.
Из вышеизложенного ясно, что при выпадении одного, конкретного дождя, максимальный модуль будет иметь более или менее равномерный характер редукции только в пределах FKP . Другие дожди, выпадающие на этой территории, будут иметь свой индивидуальный характер, свою FKp и образовывать свою зависимость a :(F) . Однако эти зависимости еще не являются расчетными. Здесь необходимо совертить переход от генетических представлений к статистически определяемым, расчетным характеристикам (зависимостям). Осуществив выборку наибольших в году значений ат для водосборов с различными площадями, мы получаем расчетную зависимость q. --J(F) , соответствующую определенной вероятности превышения. Зависимость эта в логарифмических координатах выражается прямой линией, угол наклона которой будет в значительной степени определяться характером и пространственной и временной частотой выпадения ливней. Чем чаще выпадают ливни и чем большие площади они охватывают, тем меньше будет показатель степени редукции.
При наличии в бассейне реки зоны рассеивания стока, равномерный характер редукции резко нарушается. Распластывание паводочной волны на малоприточном участке и потери на фильтрацию из русел приводят к увеличению показателя степени редукции до 1.7 - 1.8. При этом сама величина расхода воды уменьшается с нарастанием площади водосбора. Зависимость dm--J(F) приобретает сложный характер и не может быть описана формулой, рекомендуемой СНиП[б2,7б].
Впервые подобное явление отмечено Л.Л.Лиштваном[54]на реках северного склона Копет-Дага, где оно проявляется еще сильнее. По его натурным данным расход воды р.Аджи-Дере при выходе из гор на участке длиной 7 км. уменьшился в 1.5 раза.
В начале зоны рассеивания стока гидрологический режим реки определяется притоком сверху и гидравлическими закономерностями. Приемлемая для целей расчета зависимость может быть получена в этом случае путем модификации редукционной формулы. Редукция максимального модуля в диапазоне площадей 2 на рис. 3.17 описывается следующим известным выражением 9 ,. -a ( h\ni \л ( зло )
В качестве F0 принимается чаще всего 200 кмт При пересечении потоком границы зон формирования и рассеивания стока, начальный отрезок зависимости удовлетворительно описывается степенным выражением с показателем степени П5 =1.7 - 1.8 (рис.3.17)
Здесь гф - часть водосбора, располагающаяся в пределах зоны формирования стока. Неограниченно продолжать зависимость (3.II) нельзя. Значение П =1.7 - 1.8 соответствует только уменьшению расхода воды, ввиду чего уравнение 3.II не может быть расчетным во всем диапазоне площадей.
Для водосборов, расположенных целиком в зоне рассеивания стока, пригодна при расчетах максимального стока редукционная формула. Представляет в этом случае интерес предельное значение показателя степени редукции.
