Содержание к диссертации
Введение
1 Характеристика природных условий Северного Края 10
2 Годовой сток рек 25
2.1 Краткий обзор исследований годового стока рек 27
2.2 Изученность годового стока территории Северного края 32
2.3 Анализ исходных данных для расчёта годового стока 40
2.4 Оценка числовых характеристик и статистической структуры рядов среднегодовых расходов воды рек 45
2.5 Карты изолиний среднемноголетнего модуля годового стока и его изменчивости 55
2.6 Сравнительный анализ определения нормы годового стока рек на исследуемой территории 64
3 Внутригодовое распределение речного стока 78
3.1 Краткий обзор исследований внутригодового распределения речного стока 79
3.2 Анализ исходных данных для расчёта внутригодового распределения речного стока на территории Северного Края 87
3.3 Определение внутригодового распределения речного стока методом компоновки сезонов 93
3.3.1 Распределение речного стока внутри года по сезонам 95
3.3.2 Внутригодовое распределение речного стока по месяцам 101
3.3.3 Определение стока нелимитирующего периода 108
3.4 Установление типового внутригодового распределения стока рек 113
3.5 Сокращённый способ оценки стока за маловодный период 116
3.6 Сравнительный анализ методов определения внутригодового распределения речного стока 118
Заключение 125
- Изученность годового стока территории Северного края
- Сравнительный анализ определения нормы годового стока рек на исследуемой территории
- Определение внутригодового распределения речного стока методом компоновки сезонов
- Сокращённый способ оценки стока за маловодный период
Введение к работе
Основной целью предлагаемой работы является усовершенствование действующих методик определения некоторых характеристик речного стока при наличии и отсутствии данных наблюдения. В работе производится обобщение и уточнение методики определения среднегодовых расходов воды различной обеспеченности и установления внутригодового распределения речного стока для различных условий водопользования.
Актуальность предлагаемой работы состоит в её направленности на определение стока слабо изученных рек, количество которых возрастает в связи со снижением густоты гидрометрической сети, при сопутствующем росте необходимости в использовании дополнительных источников водных ресурсов для нужд промышленности и сельского хозяйства.
Поверхностные водные объекты являются основными источниками водоснабжения, используются для судоходства, гидротехнического строительства, нужд энергетики и сельского хозяйства. Знание годового стока и его внутригодового распределения является необходимым элементом комплексного и рационального использования водных объектов для этих целей. Особенную роль достоверное установление этих видов стока приобретает в связи с возможными изменениями климатических и антропогенных условий определяющих изменения условий формирования речного стока.
В настоящее время определение расчётных параметров речного стока должно базироваться на длительных рядах наблюдения за стоком, включающих самые новейшие данные наблюдений [1]. С тем, чтобы обеспечить определённую заблаговременность в случае возможной необходимости корректирования расчётных методов, применяемых при строительном проектировании, необходимо обеспечить доступность данных наблюдения за гидрометеорологическими характеристиками. Эта доступность должна быть обеспечена как / минимум для ведущих, профилирующих организаций, участвующих в разработке нормативных документов в области гидрометеорологии.
Определение ряда расчётных гидрологических параметров возможно только на основе их группового анализа в пределах гидрологически-однородных территорий по продолжительным рядам наблюдений, что в последние годы практически невозможно в виду недоступности гидрологических данных за последние годы.
Рассмотрение внутригодового распределения речного стока находится в тесной зависимости от годового стока, при этом взаимосвязанными могут быть водность года и слагающих его сезонов, их пространственная и временная изменчивость, а также характер внутригодового распределения речного стока.
В данной работе рассматриваются вопросы пространственно-временного распространения годового стока и его внутригодового распределения по территории Северного Края. При этом целью предлагаемой работы является выявление основных преимуществ и недостатков существующих способов определения внутригодового распределения, рекомендуемых нормативными документами при строительном проектировании, для различных целей использования водных объектов.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:
- определение особенностей физико-географических факторов на территории Северного Края, определяющих условия формирования речного стока;
- установление статистической структуры рядов годового стока с определением их репрезентативности и оценкой статистических параметров;
- оценка пространственно-временных особенностей и пространственное обобщение основных расчётных параметров годового стока;
- сравнительный анализ полученных результатов с существующими;
- установление внутригодового распределения стока методом компоновки сезонов с оценкой возможности картирования расчётных параметров;
- разработка схемы установления типового внутригодового распределения речного стока;
- определение характера основных различий в расчётной и типовой схемах внутригодового распределения речного стока;
- выявление преимуществ и недостатков существующих способов определения внутригодового распределения для различных водопотребителей;
- совершенствование расчётной схемы метода компоновки сезонов;
- определение внутригодового распределения стока с переменной длительностью сезонов и его пространственное обобщение.
Предлагаемая диссертация по своей структуре подразделяется на введение, три главы и заключение.
В первой главе рассмотрены основные черты физико-географических условий исследуемой территории. Основное внимание уделено условиям распространения гидрографической сети по территории, характеру изменения климатических и физико-географических условий.
Рассматриваемая территория расположена на северо-востоке Европейской территории России. В административном отношении территория исследований включает Архангельскую область, Коми АССР и большую часть Вологодской области. Все реки этой территории принадлежат к бассейну Белого моря, на западе она граничит с бассейном рек Онежского озера, на востоке с бассейном р. Печёра, на юге с бассейнами верхней Волги и Камы.
Климат этой территории слагается под воздействием ослабевающей циклонической деятельности, связанной с западным переносом, а также вторжения холодных арктических воздушных масс с севера. В целом этому региону характерно избыточное увлажнение и относительно однородные природные условия на большей части территории, что обуславливает распространение густой и равномерно развитой речной сети.
Данная территория достаточно хорошо изучена в гидрологическом отношении, за исключением северной части — прибрежной зоны Белого моря, где условия формирования речного стока весьма разнообразны.
Вторая глава посвящена оценке временного и пространственного распределения годового стока рек, условиям его формирования и определения при различном объёме исходной гидрологической информации на территории Северного края.
С практической точки зрения большое значение имеет получение статистических параметров речного стока с учётом данных последних лет наблюдения, как это указывается в действующей нормативной документации при строительном проектировании, а в научном плане наибольший интерес удлинение стоковых рядов представляет в отношении оценки возможных изменений стока рек, обусловленных возможными климатическими и антропогенными воздействиями.
Для пространственного обобщения данных о годовом стоке рек и возможности суждения о многолетней изменчивости стока, использованы данные о среднемноголетних расходах воды рек до 2001 г. включительно. На основании анализа интегрально-разностных кривых и среднемноголетних расходов за различные периоды осреднения произведено суждение о продолжительности многолетнего цикла водности, осуществлено сравнение величины и характера распределения нормы годового стока, определяемой по данным различной продолжительности.
Обобщаются расчётные параметры рядов годового стока для возможности их использования при выполнении расчётов в условиях отсутствия данных наблюдений. Построены карты изолиний нормы годового стока и его изменчивости. Выполняется сравнение предлагаемых автором карт с аналогичными картами, рекомендованными СНиП 2.01.14-83 [2] и приведённых в серии монографий под общим названием «Ресурсы поверхностных вод» [3].
В третьей главе диссертации, рассматриваются вопросы установления внутригодового распределения речного стока и его пространственного распространения по территории исследования.
В настоящее время в действующей нормативной документации рекомендуется три метода расчёта внутригодового распределения речного стока при наличии данных наблюдений: метод компоновки сезонов, реального года и метод средних распределений. В случае отсутствия данных наблюдений предлагается использование метода гидрологической аналогии на основе этих способов установления внутригодового распределения. При этом каждое распределение, получаемое с использованием этих методов имеет свои преимущества и недостатки в соответствии с теми принципами, которые заложены в основу методов, а следовательно имеет и своё специфическое практическое предназначение при обеспечении нужд водопотребления.
Третья глава содержит обзор существующих подходов к установлению внутригодового распределения речного стока, способов его типизации и классификации.
Основное внимание в работе уделено методу компоновки сезонов, для которого выполнены расчёты межсезонного и внутрисезонного распределения стока с пространственным обобщением результатов для территории Северного Края. Произведена оценка зависимости результирующего распределения стока от водности года, а также оценка обеспеченности нелимитирующего сезона, определяемого по остаточному принципу.
Предлагается расчётная схема установления типового внутригодового распределения речного стока, наиболее приближенная к реальному соотношению водности сезонов.
В заключении обобщаются основные результаты, полученные в процессе выполнения работы в отношении годового речного стока и его внутригодового распределения применительно к рекам территории Северного Края. Даются выводы в отношении определения среднемноголетнего годового стока рек и его изменчивости. Приводятся рекомендации по использованию существующих методов установления внутригодового распределения речного стока для различных видов водопотребления.
Изученность годового стока территории Северного края
Первые данные о годовом стоке на этой территории относятся к 1880 году, когда впервые были организованы регулярные наблюдения за речным стоком на реке Сухона. Несколько лет спустя, были открыты гидрометрические посты на других крупных реках региона: Северной Двине, Онеге, а с 1915 г. сеть гидрометрических постов стала активно расширяться за счёт организации наблюдений на средних и малых реках. Изучение годового стока рек на исследуемой территории с целью определения его многолетних характеристик проводилось уже неоднократно, наиболее достоверными в настоящее время являются карты годового стока и его изменчивости, входящие в «Атлас расчётных гидрологических карт и номограмм» [24] в качестве приложения к СНиП 2.01.14-83 «Определение расчётных гидрологических характеристик» а также более детализированные карты годового стока, опубликованные в монографии [3]. При подготовке вышеуказанных материалов были использованы данные гидрологических наблюдений за период с начала наблюдений по 1975 г. и по 1966 г. соответственно. Об объёме данных использованных при составлении [24] трудно судить, однако очевидно он соответствует объёму исходных данных, используемому при подготовке раздела о норме и изменчивости годового стока рек в [3], увеличенному на дополнительные 9 лет наблюдений.
Характеристика исходных данных и порядок определения многолетних параметров годового стока в монографии по Северному краю достаточно подробно изложены, в частности в ней указывается различная степень изученности речного стока для разных по величине площадей водосборов, неравномерная освещённость территории измерениями и малая продолжительность периода наблюдений на постах. В общем, при построении карты изолиний нормы годового стока и его изменчивости использовались данные наблюдений за годовым стоком два года и более, всего по 167 стоковым постам. Наиболее длительный ряд наблюдений, использованный в [3] соответствует р. Северной Двина и имеет продолжительность наблюдений 85 лет. В общем же на рассматриваемой территории к выходу данной монографии только у 40 постов период регулярных наблюдений превышает 20 лет (рисунок 2.1). Во многом в силу малой продолжительности регулярных наблюдений, большое внимание в монографии уделено надёжности имеющихся данных а также восстановлению стока короткорядных рядов по данным наблюдений длиннорядных. В частности на территории выделено два поста с наибольшей продолжительностью наблюдений: на реке Северная Двина (в/п Усть-Пинега) и Сухона (в/п Рабаньга), а также использованы данные по реке Унжа бассейна Верхней Волги. Эти три поста предлагается использовать в качестве пунктов для приведения стока к многолетней норме для рек равнинной территории.
Приведение стока короткорядных пунктов к многолетнему периоду выполнялось либо графически (с периодом наблюдений более 5 лет), с использованием от одного до двух промежуточных пунктов, либо, при меньшей длительности наблюдений, аналитически. Ошибки восстановленных значений нормы стока по постам, для 50 % рассмотренных водосборов в среднем не превышают 5 %, для 30 % пунктов наблюдений средняя квадратическая ошибка определения нормы стока находится в пределах от 6 до 10 %. На рисунке 2.2 приведена карта среднего годового стока рек по данным монографии. Для построения этой карты, авторами монографии, использовались значения многолетнего модуля стока средних и малых рек. Не использовались данные очень малых водосборов, сток которых в значительной степени определяется местными условиями, а также сток некоторых водосборов с ненадёжными данными о годовом стоке. Данные по стоку больших водосборов учитывались для контроля построения карты.
Несмотря на значительную протяжённость территории исследования и относительно однородный равнинный рельеф, широтная зональность в изменении нормы годового стока выражена не так чётко, как на более западных территориях Карелии и Северо-Запада ЕТР. Среднемноголетний модуль годо-вого стока в общем уменьшается от 11 л/с км на севере до 9 л/с км на юге, при том, что на большей части территории находится в диапазоне от 9 до 10 л/с км2. Значительно большее влияние на распределение речного стока оказывают физико-географические факторы, в первую очередь рельеф. Так, возвышенным участкам повсеместно соответствует повышенный сток, что особенно характерно для значительно вытянутых Тиманского кряжа и водораздела Пи-неги и Северной Двины, где годовой сток увеличивается на 2 — 4 л/с км2 по сравнению со среднезональным. Отдельно в монографии выделяются участки территории с азональным стоком, обязанные своим происхождением карстовым образованиям на Двин-ско-Онежском междуречье и специфическими условиями стокообразования на побережье Белого моря. В монографии также выполнена проверка построения карты нормы годового стока на основе сравнения модуля стока, определяемого по карте с рассчитанным непосредственно по рядам наблюдений. Такая проверка показала, что для подавляющего большинства постов (95 % рассматриваемых водосборов) относительная ошибка определения стока не превышает 5 %. Таким образом, авторы приходят к выводу, о возможности использования этой карты для всей рассматриваемой территории. На рисунке 2.3 приведена карта изменчивости годового стока, позаимствованная из [3]. В целом для территории характерно увеличение изменчивости годового стока с северо-востока на юго-запад. Для большей части территории значения коэффициентов вариации находятся в пределах от 0.20 до 0.30. Отмеченный характер распределения этого расчётного параметра авторы монографии связывают с общим уменьшением увлажнённости территории. В силу малой продолжительности рядов наблюдения, для оценки изменчивости годового стока использовано гораздо меньшее число постов нежели при определении нормы стока. Для большинства постов использовались методы приведения этого параметра к многолетним значениям графоаналитическим способом, используя те же пункты, что и при приведении нормы годового стока. Для большинства постов отклонения коэффициентов вариации, определённых по карте, от рассчитанных не превышает 10 %, и только для 20 % они находятся в пределах от 11 до 30 %. На рисунках 2.4 и 2.5 приведены копии карт нормы годового стока и его изменчивости, рекомендованные в [2].
Сравнительный анализ определения нормы годового стока рек на исследуемой территории
В данном разделе производится сравнительный анализ закономерностей распределения нормы годового стока и её изменчивости по территории Северного края, определяемых по данным наблюдений различной продолжительности. При сравнении используются карты: монографии по Северному краю (с данным наблюдений до 1966 г.), СНиПа 2.01.14-83 (с данными по 1975 г.), построенные автором карты (с данными наблюдений до 1988 г.), а также используются данные о среднемноголетнеи величине годового стока по 2001 г. включительно. Сравнение проводится в картографическом и табличном виде, на зависимом материале, в качестве которого используются все посты, которые были использованы при построении карт. В монографии [3] принято положение о том, что законченный цикл водности, включающий в себя продолжительные маловодную и многоводную фазы составляет не менее 60 лет. В связи с этим на территории Северного края авторами монографии выбираются два поста с наиболее продолжительными рядами наблюдений: р. Северная Двина - в/п Усть-Пинега (F=348000 км ) и р. Сухона - в/п Рабаньга (F=15500 км ), продолжительностью наблюдений 85 лет и 87 лет (после восстановления) соответственно. Эти два поста, а также привлечённый к ним водпост из бассейна верхней Волги, использовались для приведения к многолетним значениям нормы годового стока рек равнинной территории.
В настоящей работе была проделана та же операция по восстановлению продолжительного ряда на р. Сухона с целью определения продолжительности полного цикла водности для рек рассматриваемой территории. Годовой сток реки Сухона для поста Рабаньга за период с 1936 по 1954 гг. был восстановлен с использованием данных наблюдений на этой же реке (рисунок 2.17) по постам Тотьма (34800 км2) и Каликино (49200 км2). Восстановление стока осуществлялось с использованием регрессионных уравнений с высокими коэффициентами корреляции с последующим пересчётом по уравнению средней линии уравнения связи и осреднением полученных результатов по обоим уравнениям. Оба уравнения связи имеют коэффициенты корреляции 0.95, а также незначительные ошибки коэффициентов регрессии и корреляции. В результате были построены интегрально-разностные кривые для наиболее продолжительных рядов наблюдения по р. Северная Двина - в/п Усть-Пинега и р. Сухона - в/п Рабаньга (рисунок 2.18). Таким образом, использование этих пунктов в качестве опорных (в монографии), при приведении стока рек Северного края к многолетнему периоду, приводит к некоторому завышению стока рек данной территории. В процентном отношении оно составляет около 2 %. Подавляющее большинство постов, принимающих участие в расчётах, имеют продолжительность наблюдений (до 1988 г.) от 30 до 50 лет, а эта продолжительность приходится на период, достаточно близкий к средней водности за последние 100 лет наблюдений. Наибольшее занижение нормы стока, определённой по данным до 1988 г. возможно для рядов продолжительностью от 52 до 60 лет, но и в этом случае данное занижение среднемноголетне-го стока будет находиться в пределах 3 %. Рисунок 2.19 - Интегрально-разностные кривые рек западной части Северного края Для сравнения распространения менее продолжительных маловодных и многоводных серий лет на рассматриваемой территории были построены интегрально-разностные кривые для наиболее длительных рядов (рисунки 2.19 и 2.20). Анализируя вышеприведённые интегрально-разностные кривые можно прийти к выводу о несколько различном, хотя и схожем прохождении фаз водности на рассматриваемой территории. В частности при общей синфазно-сти колебания стока, западной части Северного края характерна задержка окончания маловодной фазы, для этой территории маловодная фаза приходится на период с 1936 по 1952 гг., а также большая выраженность последующих, менее длительных, многоводной и маловодной фаз. На востоке же территории многоводная фаза начала XX века проходила со значительной задержкой по времени её начала. Выполненное сравнение величин нормы годового стока, рассчитанных за период до 1988 г. и взятых из гидрологического ежегодника 2001 г., показало на наличие систематического превышения стока последних 13 лет для всего диапазона площадей водосборов на всей рассматриваемой территории (рисунок 2.21). Повышение стока в последние 13 лет отмечается для 69 постов из 76. Повышение стока отмечается и на хронологическом графике хода среднегодовых расходов воды до 2002 г. (рисунок 2.22). В общем, для постов с разной продолжительностью наблюдений, среднемноголетний сток за эти годы повысился на 2.3 %, следовательно, в этот период, длительная маловодная фаза сменилась фазой повышенного стока. Напротив, данные в монографии [3], содержат некоторое завышение годового стока, что объясняется преобладанием многоводных лет в периоде с 1880 по 1966 г., который использовался для приведения годового стока к многолетнему периоду. При этом отклонения среднего стока, использованного в [3] от стока до 2001 г. характеризуются значительно большим рассеянием, чем отклонения среднего стока до 1988 г., при среднем его превышении всего 1.4%.
Учитывая вышеизложенное, использование данных наблюдений до 1988 г. не приведёт к значительным ошибкам, влияние которых могло бы отразиться на проведении изолиний стока. Кроме этого на приведённых интегрально-разностных кривых выделяется период пятнадцатилетней продолжительности (с 1974 по 1988 гг.) с водностью, близкой к средней за столетний период. Этот период может быть использован при установлении среднемно-голетней водности водотоков с коротким периодом наблюдений. На рисунке 2.23 приведены совмещённые карты нормы годового стока из монографии [3] и СНиП 2.01.14-83 [2]. Неоспоримым достоинством карт СНиПа является их широкий охват данными по территории, что не вызывает трудностей при проведении изолиний как в пределах конкретных водосборных бассейнов, так и на их границах. К достоинствам карт монографии [3] можно отнести большое количество исходных данных для их построения и более высокую детализацию чем в СНиП (изолинии годового стока проведены через 1 л/с км2 а не через 2 л/с км2), хотя нередко эта детализация кажется излишней. На рисунке 2.24 приведены совмещённые карты нормы годового стока монографии [3] и построенной автором. Сравнительная оценка карт нормы годового стока осуществлялась на основе количественного анализа относительных ошибок определения нормы годового стока по этим картам с использованием в общей сложности 90 гидрологических постов, участвующих при построении карт, т.е. на зависимом материале.
Определение внутригодового распределения речного стока методом компоновки сезонов
Внутригодовое распределение речного стока методом компоновки сезонов (по методу В.Г. Андреянова) устанавливается в зависимости от конкретных целей водохозяйственного использования водного объекта. Для этого внутри водохозяйственного года назначаются два периода, с жёсткими сроками их начала и продолжительности во все годы. Один из этих периодов является лимитирующим в отношении использования водного объекта, а второй нелимитирующим. Аналогично, внутри лимитирующего периода, могут быть выделены два сезона, а внутри лимитирующего сезона лимитирующий месяц. Обобщённая расчётная схема метода компоновки сезонов приведена на рисунке 3.4. Расчетные значения стока за водохозяйственный год, лимитирующий период, лимитирующий сезон и лимитирующий месяц определяются по соответствующим теоретическим кривым обеспеченности для заданной расчетной вероятности превышения стока. Сток за нелимитирующий период определяется по разности расчетных значений стока за водохозяйственный год и лимитирующий период (по остаточному принципу), сток за нелимитирующий сезон - по разности стока за лимитирующий период и лимитирующий сезон, а сток нелимитирующих месяцев по разности стока за лимитирующий сезон и лимитирующий месяц. Внутрисезонное распределение стока определяется исходя из получения наиболее неравномерного распределение стока. С этой целью внутри каждого из сезона, входящего в соответствующую группу водности сезона, месячные значения стока располагаются в убывающем (по их водности) порядке с указанием календарных месяцев, к которым они относятся. Каждому ранжированному месячному значению каждого года, входящего в рассматриваемую группу водности, присваивается свой порядковый номер.
Для всех лет данной группы водности производится суммирование месячных объемов стока, имеющих одинаковые порядковые номера в полученных ранжированных внутрисезонных рядах. Путем сложения этих сумм для всех месяцев, входящих в рассматриваемый сезон, находится их сумма за сезон. Делением сумм стока месяцев, имеющих одинаковые порядковые номера, на их общую сумму за сезон определяется относительное внутрисезонное распределение стока (по месяцам внутри сезона в долях или процентах от суммарного стока). Полученным средним месячным долям (или процентам) вместо присвоенных ранее порядковых номеров присваиваются названия того календарного месяца, который встречался наиболее часто при сложении значений месячного стока одинакового номера, при этом для составного сезона (лето-осень), распределение стока для летних и осенних месяцев определяется раздельно. 3.3.1 Распределение речного стока внутри года по сезонам В данной работе при установлении внутригодового распределения речного стока по территории Северного края использованы единые сроки прохождения основных сезонов водности, позаимствованные из [3]. За начало водохозяйственного года принят апрель, т.е. год начинается с многоводной фазы. Продолжительность весеннего периода три месяца. С июля начинается летне-осенняя межень, а с декабря устойчивая зимняя межень. Летне-осенняя межень, как правило, прерывается паводками, обычно приходящимися на октябрь - ноябрь, а зимняя межень характеризуется устойчивым стоком, с некоторым его понижением в соответствии с истощением грунтового питания. Для расчёта в качестве лимитирующего стока принят маловодный, а следовательно за лимитирующий период принят период лето-осень-зима, а за нелимити-рующий период - весенний (многоводный) период. Схема деления водохозяйственного года на периоды и сезоны приведена на рисунке 3.5.
В дальнейшем для всех выбранных постов, за исключением двух малых водосборов (р. Масляная - в/п Семшино и р. Егул - в/п Чухлом) на которых, за счёт малых водосборных площадей, часто наблюдаются одинаковые месячные расходы воды, было осуществлено установление внутригодового распределения речного стока по сезонам. Для этого, в рамках модели случайной величины, как это было принято для годового стока, определены основные статистические параметры аналитических кривых обеспеченности для водохозяйственного года, лимитирующих периода и сезона. Оценены относительные ошибки определения средних значений и их изменчивости для выделенных стоковых рядов (рисунки 3.6 - 3.8). Ошибка среднего значения стока весеннего (нелимитирующего) периода в основном составляет 3 - 5 %, наибольшие ошибки соответствуют менее длительным рядам наблюдения. Относительные ошибки определения среднего значения стока за лимитирующие период и сезон находятся в основном в диапазоне от 3 до 10 %, т.е. примерно в два раза превышают соответствующие значения для весеннего стока, что объясняется превышением абсолютных значений изменчивости стока лимитирующего периода над изменчивостью весеннего периода для всей территории. Значения коэффициента асимметрии принимались в соотношении с коэффициентом вариации на основании наибольшего соответствия эмпирической кривой распределения. Таким образом, для всех расчётных временных интервалов (в данном случае: год, лимитирующий период и лимитирующий сезон), для каждого расчётного водосбора, получены обеспеченные характеристики стока в слоях стока с последующим пересчётом в проценты от годового стока. В таблице 3.3 приведён вид таблицы результатов расчёта по одному из водосборов. Кроме этого для всех постов выполнен расчёт и построение интегрально-разностных кривых для стока года в целом и лимитирующих периода, сезона, а также стока весеннего (нелимитирующего) периода. Анализ этих кривых позволяет сделать вывод о несколько различном изменении отдельных фаз водности для указанных видов стока. В целом для рассматриваемой территории наиболее характерной является смена фаз водности рассматриваемых периодов, приведённая на рисунке 3.9.
Сток года, лимитирующего периода и весеннего сезона характеризуются высокой степенью синхронности во времени и одинаковым характером смены многоводных и маловодных периодов. Для стока зимнего сезона отмечается иной характер смены многоводных и маловодных лет. Для большинства рассмотренных водосборов на территории Северного Края до 60-х годов длится маловодная фаза, а с конца 60-х начинается повышенная фаза зимнего стока. На рассматриваемой территории можно выделить расчётные зависимости с высокими коэффициентами корреляции для коэффициента вариации года и составляющих его лимитирующего и нелимитирующего периодов. Данные зависимости приведены на рисунке 3.10. На основании этих расчётных зависимостей возможно определение изменчивости лимитирующего периода, сезона и нелимитирующего периода на основании изменчивости годового стока.
Сокращённый способ оценки стока за маловодный период
В практике строительного проектирования для различных нужд требуется получение среднемноголетних характеристик водных объектов в маловодный период. Часто гидрологический режим этого периода характеризуется определениями «бытовой», «рабочий», «меженный». При этом в данном случае под меженным стоком подразумевается средний сток реки за безпаводоч-ный период. Подход к определению этого стока может быть основан только на трудоёмких расчётах внутригодового распределения стока, которые используют жёсткие границы водохозяйственных сезонов, а следовательно являются неоднородными по условиям формирования стока маловодного периода, что приводит к его искажению. С целью исключения этого затруднения, предлагается использование достаточно устойчивой по территории величины - доли среднего речного стока за беспаводочный период в среднем годовом стоке водного объекта (Кбп = QeJQvojd Схема выделения такого маловодного периода по месячным временным интервалам приведена на рисунке 3.16, где показано выделение периода маловодного стока на примере двух модельных рядов со своим средним стоком (ср.1 - штрихпунктирная линия и ср.2 - пунктирная линия). Для удобства выполнения расчётов предлагается осуществлять их по месячным расходам воды, а под искомым стоком подразумевать сток во все месяцы, с расходом ниже среднегодового. Для первого ряда сток маловодного периода оценивается при осреднении расходов за месяцы (рисунок 3.16): IV, VII, VIII, Х-Ш, для второго ряда соответственно за календарные месяцы VII-X, XII—III. Выполненные расчёты показали, что определение значений КбП для расчётного водотока лучше производить по группе рек, находящихся в сходных географо-гидрологических условиях. Так, на исследуемой территории для рек бассейна р. Ваги доля стока беспаводочного периода в среднегодовом составляет для различных водосборов от 0.31 до 0.39, а в среднем 0.35. В бассейне р. Юг соответствующие значения меняются от 0.41 до 0.43, при среднем его значении 0.42.
Для озёрных рек бассейна р. Онега, величина рассматриваемого параметра закономерно возрастает и находится в пределах от 0.5 до 0.6. Таким образом, применение такого простого способа определения стока маловодного периода позволяет не только избавиться от необходимости использования водохозяйственных сезонов с жёсткими сроками прохождения, но и учитывает различие физико-географических условий в силу определения стока по группе постов, находящихся в сходных условиях. 3.6 Сравнительный анализ методов определения внутригодового распределения речного стока Гидрологические расчёты являются взаимосвязанными с различными смежными дисциплинами и сферами деятельности человека, а следовательно точность выходной гидрологической информации будет определять и точность последующих расчётов, использующих эту информацию. Всё большие требования к качеству исходной гидрологической информации, в последнее время, предъявляются в связи с развитием инженерно-экологических задач. Как уже отмечалось ранее, в отношении внутригодового распределения речного стока, принято выделять два основных направления его установления: схемы расчётного и типового внутригодового распределения стока. В настоящее время в практике гидрологических расчётов, ориентированных на установление внутригодового распределения речного стока рекомендуется три основных способа его определения: метод компоновки сезонов, метод реального года и метод средних месячных распределений. Каждый из этих методов имеет свою специфику применимости и для каждого метода необходимо приводить детальное указание по его применению. Также важным обстоятельством является необходимость более чёткого разграничения между использованием расчётных и типовых схем установления внутригодового распределения речного стока. Таким образом, в области выполнения расчётов по установлению внутригодового распределения речного стока, следует продолжать дальнейшее развитие схем установления внутригодового распределения стока с детальным указанием сфер их применимости.
Метод компоновки сезонов относится к расчётным схемам и позволяет получить распределение речного стока, ориентированное на обеспечение гарантированной величины стока, а следовательно и возможной водоотдачи в определённые периоды года для конкретных требований использования водных ресурсов (для этого вводится понятие лимитирующего стока). При этом сток нелимитирующих, как периода, так и сезона, является искажённым по отношению к стоку рассматриваемого временного интервала заданной расчётной обеспеченности, что было показано в п. 3.3.3. Результирующее распределение по методу компоновки сезонов будет различным для каждого во-допотребителя и не может отражать общих и характерных особенностей формирования речного стока для рассматриваемой территории. Кроме этого, получаемое различие в распределении стока для лет разной водности по методу компоновки сезонов иногда трактуется как наличие зависимости внутригодового распределения речного стока от водности водохозяйственного года, однако данное обстоятельство является лишь следствием различного соотношения расчётных параметров кривых обеспеченности рассматриваемых временных периодов.
Метод реального года занимает скорее промежуточное положение между типовыми и расчётными схемами, поскольку хоть и рассчитывается с использованием понятий лимитирующего стока (что характерно для расчётных методов), однако не позволяет осуществить обоснованное определение абсолютной обеспеченности лимитирующих периодов года, что выполнить с помощью отдельно взятого фактического года представляется маловероятным. К типовому методу его также сложно отнести, поскольку каждый реальный год несёт в себе свойственные только ему соотношения водности отдельных сезонов и распределения стока внутри сезонов между месяцами. Метод средних месячных распределений может относиться к типовым схемам описания распределения стока, однако этот простой в вычислении подход имеет ряд недостатков и может быть использован только при условии значительной устойчивости основных фаз водности. При этом происходит неизбежное сглаживание результирующего распределения и соответственно нивелирование возможных отличий внутригодового распределения по территории, его также называют фиктивным средним. При всём этом, именно данный метод в большей степени является средством получения типового распределения речного стока в годы различной водности, хотя и приводит к существенному сглаживанию внутригодовых особенностей в силу разновременного прохождения генетически однородных фаз водного режима в разные годы. В развитие методов получения типового внутригодового распределения речного стока, наиболее полно отражающих реальное распределения стока отдельных гидрологических сезонов внутри года, при сохранении наиболее типичного гидрографа, автором предлагается метод «среднего стока сезонов», описанный в 3.4.
Сравнение методов реального года и средних месячных распределений малоэффективно, поскольку их достоинства и недостатки довольно очевидны в силу относительной простоты их расчётной схемы. Так к неоспоримым достоинствам этих методов относится уже упомянутая их простота, а из недостатков, следует выделить неоднозначность решения для метода реального года и значительное сглаживание результирующего распределения для метода средних месячных распределений. Таким образом, можно более подробно остановиться на сравнении основного расчётного метода - метода компоновки сезонов и предлагаемом методе «среднего стока сезонов», представляющим аппарат получения типового внутригодового распределения речного стока.
