Содержание к диссертации
Введение
1. Методы исследований 8
1.1 Современное состояние проблемы изучения и прогнозирования максимального стока 8
1.2 Общие представления о возможности возникновения наводнений 18
1.3 Формирование максимального стока и методы его прогнозирования 27
1.4. Методы изучения изменений условий формирования весеннего стока 44
1.5 Предлагаемая принципиальная схема и алгоритм мониторинга и прогнозирования половодья 46
2. Определение генезиса формирования высоких уровней воды 53
2.1 Физико-географические условия формирования максимального стока 53
2.1.1 Физико-географическая характеристика бассейна р. Сейм 53
2.1.2 Физико-географическая характеристика бассейна р. Оскол 62
2.2 Современные изменения условий формирования элементов весеннего половодья 66
3 Долго и среднесрочное прогнозирование развития половодья 84
3.1 Анализ риска затопления территории талыми водами 84
3.2 Долгосрочное прогнозирование водности предстоящего половодья и расчет максимальных уровней воды 88
3.3 Среднесрочное прогнозирование максимальных расходов и предстоящего половодья и расчет максимальных уровней воды 100
4. Краткосрочный прогноз стока 105
4.1 Краткосрочный прогноз максимальных уровней и времени их наступления для г.п. р. Оскол - р.п. Раздолье 105
4.2 Краткосрочный прогноз максимальных уровней воды половодья и времени их наступления для р. Сейм 111
4.3 Краткосрочный прогноз затопления территории г. Ст. Оскол, обусловленного функционированием водохранилища 129
5. Пути совершенствования инструментальных методов мониторинга на основе предложенной схемы прогнозирования половодья 135
Заключение 140
Литература 142
Приложения 157
- Формирование максимального стока и методы его прогнозирования
- Современные изменения условий формирования элементов весеннего половодья
- Долгосрочное прогнозирование водности предстоящего половодья и расчет максимальных уровней воды
- Краткосрочный прогноз максимальных уровней воды половодья и времени их наступления для р. Сейм
Введение к работе
Актуальность темы. Прогнозирование возможности возникновения опасных разливов на реках является сложной многоуровневой задачей, актуальность которой обусловлена состоянием современных хозяйственных систем, их уязвимостью. В зонах, подверженных негативному влиянию паводков и половодий находится большое количество населенных пунктов, критически важных и потенциально опасных объектов инфраструктуры, промышленных предприятий и сельскохозяйственных угодий.
При этом, ущерб от наводнений зависит не только от уровня воды в водоемах и водотоках, а определяется в значительной степени предсказуемостью предстоящего половодья или паводка. Наличие заблаговременной и достаточно точной прогнозной информации позволяет рационально спланировать и провести превентивные мероприятия по недопущению, либо минимизации ущерба от наводнений.
Особое значение имеет изучение современных изменений условий формирования максимального стока. Их недоучет или игнорирование может приводить к значительным ошибкам прогнозов и тем самым снижать эффективность всей совокупности мероприятий по подготовке к половодью.
Цель работы - разработка многоуровневой системы мониторинга и прогнозирования максимальных расходов и уровней воды на основе применения актуальных методов гидрологических прогнозов, собранных данных многолетних гидрометеорологических наблюдений весеннего половодья и с учетом современных изменений стокоформирующих факторов.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
-
разработка принципиальной многоуровневой схемы мониторинга и прогнозирования весеннего стока;
-
выявление основных природных и антропогенных факторов изменения элементов весеннего половодья, характерных для настоящего времени на основе сбора и статистического анализа данных многолетних метеорологических и гидрологических наблюдений;
-
разработка алгоритмов и моделей долго-, средне- и краткосрочного прогнозирования максимальных расходов и уровней воды с различным генезисом формирования;
-
разработка рекомендаций по совершенствованию системы мониторинга и прогнозирования весеннего стока и зон затопления с применением современного инструментария и методов контроля.
Объект исследования - реки и максимальный сток с их водосборов.
Предмет исследования - природные факторы и хозяйственная деятельность, определяющие режим формирования максимального стока и риска затопления территории.
Теоретическая и методологическая база исследований
Методологической основой исследования являются современные представления о генезисе формирования максимального стока, развиваемые ведущими отечественными школами и научно-исследовательскими организациями в области гидрологии суши, инженерной и прикладной гидрологии, а также гидрологических прогнозов.
Выбор методов исследования определен результатами исследований Аполлова Б.А., Вершининой Л.К., Георгиевского Ю.М., Дружинина В. С., Евстигнеева В.М., Калинина Г.П., Комарова В.Д., Крестовского О.И., Кучмента Л.С., Рождественского А.В., Сикан А.В., Шаночкина С.В., Шелутко В.А. и других ученых.
При исследовании региональных особенностей и закономерностей формирования стока использовались результаты исследований Кумани М.В., Мишона В.М., Смольянинова В.М. и других ученых.
Исходные материалы и методы исследования
В основу работы положены результаты многолетних наблюдений за стоком и стокоформирующими факторами, проводимых Курским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями (КЦГМС-Р), а также опубликованные источники по данной теме.
На различных этапах работы применялись картографические, статистические и физико-статистические, водобалансовые методы, а также методы графического и графоаналитического сравнения данных, территориальных обобщений, гидрологической аналогии и некоторые другие. При этом были использованы программные средства ArcMap 9.3 и его модули (Spatial Analyst, 3D Analyst и т.д.), MS Excel, Gnumeric, StokStat 1.2.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов основана на большом объеме исходной информации о режиме рек в период весеннего половодья и стокоформирующих факторах. Достоверность результатов подтверждается применением широко распространенных методов и приемов исследования, использованием современных средств обработки и анализа данных. В работе использованы действующие нормативные документы и методические рекомендации, разработанные ведущими научными организациями РФ, что также обуславливает достоверность результатов.
Научная новизна
Впервые предложена и реализована принципиальная многоуровневая схема мониторинга и прогнозирования развития половодья и затопления территории талыми водами. Для исследуемого района выполнена оценка современных изменений процессов формирования весеннего стока. На примере бассейнов рек Сейм и Оскол реализованы долго-, средне и краткосрочные прогностические зависимости для обеспечения функционирования системы дистанционного контроля, моделирования и прогноза динамики половодья. Разработаны рекомендации по организации системы оперативного сбора прогностической информации, определения рисков затопления территории и объектов.
Личный вклад
Автору принадлежит основная идея и постановка задач исследования. Им выполнен сбор и систематизация исходных данных, проведен анализ условий формирования максимального стока и разработаны прогнозные зависимости для расчета основных элементов весеннего половодья с разной заблаговременностью
для трех объектов с различным генезисом формирования половодья. Автором проведен глубокий анализ полученных результатов, на основе чего были разработаны рекомендации по усовершенствованию инструментальных методов мониторинга развития половодья.
Практическое значение работы
Предложенная схема мониторинга и прогнозирования половодья и разработанные модели были использованы при выполнении государственного контракта от 29.04.2011 г. №16.515.11.5005 на тему: «Разработка технологии построения системы автоматизированного мониторинга гидрологических характеристик на реках и внутренних водоемах в составе системы оперативного прогнозирования рисков разливов и паводков и предупреждения населения об опасности чрезвычайной ситуации», исполняемого ООО «Научно- производственное предприятие «Энергетические и информационные технологии» Белгородского государственного университета».
По данным многолетних наблюдений определены условия формирования максимального стока и оценен риск затопления территории водами весеннего половодья. Результаты оценки риска затопления территории, а также методы долго-, средне- и краткосрочного прогноза применяются для проведения мониторинга и прогнозирования негативных последствий половодий территориальными органами МЧС России (справка о внедрении от 13.02.2012).
Результаты работы были использованы в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет» при разработке практических и лекционных занятий по курсам «Природа Курской области», «Гидрология» и «Экологическое проектирование и экспертиза» (справка о внедрении от 10.02.2012).
Апробация работы
Основные положения диссертации были изложены на Международной научно-практической конференции «Географические исследования: история, современность и перспективы (Курск, КГУ, 2010), 2-ой молодежной научной школе «Природные и природно-антропогенные геосистемы: организация, изменения во времени» (Курск, ИГРАН, 2011), 2-й международной научно- технической конференции «Компьютерные науки и технологии» (Белгород, НИУ БелГУ, 2011), Всероссийской конференции с элементам научной школы для молодежи «Чистая вода: опыт реализации инновационных проектов в рамках федеральных целевых программ Минобрнауки России» (Москва, РХТУ, 2011г.), VII Международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, ВГТУ, 2011), V Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (Москва, Спутник+, 2011).
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 10 печатных работ, из них 1 монография, 4 статьи в журналах, находящихся в перечне изданий, рекомендованных ВАК. Материалы исследований опубликованы в ряде научно-исследовательских отчетов ООО «НПП «Энергетические и информационные технологии» БелГУ.
Структура и объем диссертации
Формирование максимального стока и методы его прогнозирования
Весеннее половодье на равнинных реках России формируется главным образом таянием накопленного за зиму снега. Сток рек в этот период составляет 50-70% годового, в отдельных районах до 90%. Доля жидких осадков особенно значительна в районах избыточного увлажнения, где она может составлять 40-50% суммарного весеннего стока. Подземный сток за период половодья обычно не превышает 5-10% стока за половодье [Георгиевский, Шаночкин, 2007].
Факторы, определяющие процесс формирования стока в бассейне реки, обычно подразделяют на две группы: относительно постоянные факторы подстилающей поверхности и переменные - гидрометеорологические. Факторы подстилающей поверхности определяют характер распределения снега на водосборе, аккумуляцию талой воды на его поверхности, инфильтрацию талых вод, скорости стекания и время добегания по склонам и русловой сети. К числу этих факторов относятся: размеры, конфигурация и рельеф бассейна, его геологическое строение; состав почвогрунтов; растительность; степень озерности, заболоченности; уклоны склонов и русел. К этой же группе можно отнести и антропогенный фактор - интенсивное осуществление хозяйственной деятельности на водосборах и в руслах рек.
Переменными факторами являются снегозапасы, интенсивность снеготаяния, увлажнение почвогрунтов и их промерзаемость, испарение и количество осадков. Эти факторы в основном определяют объем половодья, сроки его начала и окончания, максимальный расход и в значительной степени форму гидрографа [Георгиевский, Шаночкин, 2007].
В работе [Евстигнеев, 1990] приводится схема основных процессов, формирующих весеннее половодье (рис. 5). Данная схема приближенно отражает сложность взаимодействия разнообразных факторов, в результате которого формируется весеннее половодье.
Это уравнение выражает водный баланс приближенно. Однако неучтенные в нем составляющие баланса, (испарение с водной поверхности, изменение запаса воды в руслах рек и озерах и некоторые другие) обычно незначительны относительно учтенных. Следовательно, эта неполнота уравнения не имеет существенного значения [Аполлов и др., 1974].
Из всех составляющих водного баланса, записанных в данном уравнении с достаточной для прогнозов заблаговременностью могут быть определены лишь запас воды в снежном покрове и в ледяной корке на поверхности почвы перед началом снеготаяния. Количество осадков, суммарные потери за период половодья сами являются прогнозируемыми величинами, определение которых необходимо для дальнейших расчетов.
Запас воды в снежном покрове и ледяной корке и способы его определения
Точность прогноза весеннего половодья во многом зависит от точности определения запаса воды в снежном покрове и ледяной корке.
Снежный покров распределяется неравномерно даже на относительно небольших по площади территориях. Значительную роль в распределении снега по территории играют метеорологические факторы, орография, наличие лесных насаждений, их распространение и состав пород и пр.
В работе [Мишон, 1988] на основе анализа многочисленных материалов наблюдений опорной сети гидрометеорологических станций европейской территории бывшего СССР отмечается, что на величину снегозапасов при других равных условиях (географическое положение, одинаковая лесистость водосборов и др.) существенное влияние оказывает высота местности, а также ее экспозиция.
В пределах европейской равнины даже относительно небольшие возвышенности (100—140 м) как, например, Волыно-Подольская, Среднерусская, Валдайская, Приволжская и др., вызывают некоторое увеличение количества осадков по сравнению с их величиной на окружающей местности, особенно на наветренных западных склонах. Подветренные склоны указанных возвышенностей (восточные), наоборот, характеризуются уменьшением количества осадков («образованием тени») [Мишон, 1988].
При определении запасов воды на водосборе с ограниченным числом пунктов наблюдений используются средние многолетние коэффициенты fOi = S„/Sn и Кмр =S IS . Это позволяет по значению среднего для водосбора запаса воды в поле Sn и соответствующих значений Кл или К определять средние снегозапасы в лесу и овражно-балочной сети [Вершинина и др., 1985].
Процесс накоплении снега в лесу является сложной функцией многих факторов и прежде всего его таксационных характеристик (породного состава лесонасаждений, полноты, ярусности, возраста, сомкнутости лесного полога), а также метеорологических условий периода снегонакопления [Мишон, 1988]. Наиболее подробно влияние метеорологических условий зимы на процесс снегонакопления в лесу и на открытой местности исследовано, например, [Рахманов, 1975].
В настоящее время кроме традиционного способа наземных стационарных и маршрутных наблюдений, существует несколько альтернативных способов и приемов, например, путем измерения естественного гамма-излучения почвы и использования данных дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) [Вершинина и др., 1985; Виноградов, 2008; Москвич, 2009а; 20096; Евтушенко, 2009].
Другая дебитная составляющая водного баланса за период весеннего половодья - количество осадков. В большинстве случаев количество осадков, выпадающих за период формирования половодья, невелико по сравнению с запасом воды в снеге, что объясняется характером атмосферной циркуляции и соотношением зимнего периода снегонакопления (до 6 месяцев) и весеннего половодья (менее 1-2 месяцев). Но при этом данная величина характеризуется значительной изменчивостью от года к году [Аполлов и др., 1974].
В виду большой изменчивости количества осадков, активно участвующих в формировании весеннего стока в работе [Вершинина и др., 1985] предлагается организовывать выпуск долгосрочных прогнозов половодья в вероятностной форме: при норме X, при 0,5 X, 2Х, и с последующим корректированием прогноза путем сравнения фактического количества осадков с их нормами.
Современные изменения условий формирования элементов весеннего половодья
В настоящее время на формирование весеннего стока оказывают влияние множество естественных и антропогенных факторов. Некоторые из них проявились достаточно давно и продолжают свое воздействие и сейчас, некоторые возникли, либо их влияние значительно усилилось, сравнительно недавно. Учет и характеристика факторов, вносящих в настоящее время значительные коррективы в процессы формирования стока весеннего половодья необходимы в связи с потребностью в гидрологических прогнозах элементов весеннего половодья.
В течение XX века процесс формирования весеннего стока претерпевал множество изменений. В различные моменты времени начинали действовать разнообразные факторы, так или иначе влияющие на сложные взаимосвязанные процессы, результатом которых является формирование половодья.
Для бассейна р. Сейм отмечается ряд изменений в формировании стока малых рек Центрального Черноземья, связанных в первую очередь с хозяйственной деятельностью человека. За период хозяйственного освоения изменяется структура сельскохозяйственного производства, способы и приемы вспашки, виды и количество вносимых удобрений, сменяются выращиваемые культуры, начинает применяться тяжелая сельскохозяйственная техника, проводятся агротехнические мероприятия и полезащитное лесоразведение, выполняются комплексы лесозащитных мероприятий, интенсивно строятся пруды и водохранилища [Кумани, 2003]. Многие из перечисленных факторов воздействия возникали повсеместно и практически синхронно, при этом они оказывают разнонаправленное влияние на процессы формирования весеннего стока, что значительно осложняет их учет и выявление значимости каждого фактора в происходящих изменениях гидрологического режима рек. Для проведения работы использовались следующие данные:
1. Многолетние ряды наблюдений по гидрологическим постам Курской (10 гидрологических постов в пределах области) и, частично, Брянской областей (гидрологический пост р. Навля у пос. Навля), предоставленные Курским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями (КЦГМС-Р), а так же опубликованные данные [Гидрографические характеристики, 1971; Государственный водный кадастр, 1980; 1981; Ресурсы... 1967а; 1971];
2. Многолетние метеорологические и агрометеорологические наблюдения по метеостанциям, расположенным в пределах исследуемой территории, полученных из КЦГМС-Р.
3. Многолетние метеорологические и агрометеорологические наблюдения по метеостанции г. Курск, полученные из системы "Аисори-Удаленный доступ к ЯОД-архивам", разработанной ГУ ВНИИГМИ МЦЦ Росгидромета - web-технологии, обеспечивающей удаленный доступ к архивам метеоинформации [Аисори..., 2011].
Современные изменение величины слоя стока весеннего половодья В последние десятилетия наблюдается значительное снижение величины слоя стока весеннего половодья. Основываясь на формулах (8), (9) и (11) запишем уравнение водного баланса следующим образом:
Рассмотрим изменения основных гидрометеорологических величин, влияющих на формирование слоя стока весеннего половодья, используя разностные интегральные кривые (рис. 11).
Как следует из анализа рисунка, сумма запасов воды в снеге и осадков за период половодья, за весь период наблюдений оставалась в некотором диапазоне отклонений от среднего значения. Напротив, значения слоя стока и среднемесячной температуры зимних месяцев претерпевали значительные колебания. Так, до 1950-1955 гг. исследуемая величина весеннего стока превышала средние за многолетний период значения, в период 1955-1985 гг. значения были близки к норме, а после 1985-1990 гг. произошло резкое снижение. Периоды нарастания и спада модульных коэффициентов слоя стока и средней температуры зимних месяцев практически синхронны. їв
Рассмотрим сумму запасов воды в снеге и осадков за период половодья более подробно. При рассмотрении разностной интегральной кривой данных величин (рис. 12) отмечается, что начиная с 1995-1998 гг. уменьшается запас воды в снеге и ледяной корке.
Обозначения: Smax - максимальный запас воды в снежном покрове и ледяной корке; xl - осадки от момента наступления Smax до начала таяния; х2 - осадки от момента начала таяния до схода снежного покрова в бассейне; хЗ - осадки от момента схода снежного покрова до окончания половодья
Эти запасы составляют более 75% всей величины S+x. Напротив, отмечаются отклонение количества осадков от среднего значения в сторону увеличения, что особенно характерно для периодов хЗ и xl. Но если осадки периода xl практически полностью участвуют в формировании величины слоя стока весеннего половодья, то осадки, выпадающие после момента схода снежного покрова (составляющие в среднем около 10-15% от величины S+x) участвуют в этом процессе частично. Часть поступившей влаги задерживается формами микрорельефа, часть испаряется, часть расходуется на дополнительное увлажнение почвы. Особенно сильно этот процесс проявляется при слабопромерзших и талых почвах. То есть, можно говорить о том, что в настоящее время снижается количество осадков, эффективно участвующих в формировании величины слоя стока.
Из разностной интегральной кривой основных гидрометеорологических характеристик, влияющих на формирование потерь талых вод за период половодья (рис. 13) следует, что предвесеннее увлажнение почв, начиная с 1994-1997 гг, увеличилось и в настоящее время относительно стабильно, а глубина промерзания почвы с 1997 г уменьшается. При этом высота снежного покрова с 1997-2000 гг. отклоняется от средних значений в сторону уменьшения.
Обозначения: 1-Предвесеннее увлажнение почвы; 2-Глубина промерзания почвы; 3-Высота снежного покрова.
Из вышесказанного следует, что отмечаемые повышения среднемесячных температур воздуха в зимний период формируют меньшее промерзание почвы, а из-за частых оттепелей происходит дополнительное увлажнение почвогрунтов, приближая запасы влаги в почве к наименьшей полевой влагоемкости (1-ГО). При талых и слабопромерзших почвах, увлажненных до уровня НВ, потери воды на увлажнение почвы отсутствуют и вся профильтровавшаяся вода поступает в нижние горизонты зоны аэрации и на пополнение запасов грунтовых вод [Евстигнеев, 1990]. Следовательно, наблюдаемая в настоящее время тенденция к уменьшению величины слоя стока за период половодья относительно среднемноголетних значений может быть обусловлена, в первую очередь, изменением в температурном режиме холодного периода.
Долгосрочное прогнозирование водности предстоящего половодья и расчет максимальных уровней воды
На втором и третьем этапах предложенной нами схемы мониторинга развития половодья решаются задачи долгосрочного (с заблаговременностью до 1 месяца) прогнозирования водности предстоящего половодья и предварительного расчета возможных, вероятных максимальных расходов и уровней. На основании прогнозов этого этапа принимается решение о целесообразности реализации следующего этапа мониторинга развития половодья, а так же распространяется предупредительная информация заинтересованным органам и структурам.
Получаемые на данном этапе результаты имеют, как правило, оценочный, приближенный характер. Повышение качества долгосрочных прогнозов в системе мониторинга развития половодья не играет практического значения, так как некоторые факторы, значительно влияющие на характер половодья, его высоту и как следствие риск затопления территории в настоящее время практически не подаются долгосрочному прогнозированию. Это относится к метеорологическим факторам, в частности к количеству осадков, выпадающих на поверхность водосбора за период половодья и температурному режиму, характерному для предстоящей весны. Как только появится возможность надежного долгосрочного или среднесрочного прогноза режима температуры и осадков на период предстоящего снеготаяния, станет возможным существенно увеличить точность прогнозов и гидрологических процессов, весеннего половодья, его дружности, максимальных расходов и других характеристик.
Учитывая современное состояние долгосрочных и среднесрочных метеорологических прогнозов, для определения оптимального набора необходимых для гидрологических прогнозов исходных данных обратимся к общим закономерностям формирования стока весеннего половодья, характерных для выбранных нами гидрологических объектов.
В районировании равнинной части ETC по основным факторам, формирующим потери талых вод, проведенном Вершининой Л.К., Крестовским О.И., Калюжным И.Л. и Павловым К.К., выбранные нами гидрологические объекты относятся к IV району, который занимает западную и центральную части лесостепной зоны с нормой годового стока от 5 до 1,5 л/с с 1 км". Восточной границей его являются водоразделы рек Цны и Хопра. В этом районе изменчивость водопроницаемости почв и соответственно потерь талых вод в основном зависят от степени промерзания почвы, так как предвесенняя увлажненность почв в 90—95% случаев (зим) и превышает наименьшую влагоемкость или близка к ней. Высокая увлажненность почв обусловливается наличием достаточно высокой влажности с осени и частыми зимними оттепелями. Поэтому основным фактором потерь талых вод является глубина промерзания почвы, а дополнительным фактором — влажность почв в годы с недостаточным их увлажнением [Вершинина и др., 1985].
Потери талых вод на увлажнение почвогрунтов определяются в основном величинами предвесеннего увлажнения (IV) и глубины промерзания почвогрунтов (L). Пополнение грунтовых вод определяется водопроницаемостью грунтов, а, следовательно, AUzp так же можно связать с величинами W и L. На рис. 24 приведена разработанная нами карта-схема распределения средних величин предвесеннего увлажнения и глубин промерзания почвы на исследуемой территории. Для её создания применялись определенные по многолетним наблюдениям КЦГМС-Р средние значения глубин промерзания и предвесеннего увлажнения почв, определяемые по метеорологическим станциям и постам, расположенных на исследуемой территории. Пространственный анализ проводился при помощи географической информационной системы ArcGis 9.3. Интерполяция наблюдений из отдельных пунктов наблюдения на всю исследуемую территорию производилась по методу обратно взвешенных расстояний с переменным радиусом поиска с использованием инструментария Spatial Analyst.
Величина потерь на поверхностное задержание относительно стабильна, т.к. определяется морфологическими особенностями ландшафта и ее изменчивость от года к году определяется, в основном, объемом ВОДЫ, поступившей на поверхность бассейна.
Как отмечает Евстигнеев В.А. [Евстигнеев, 1990], роль потерь воды на испарение в формировании межгодовой изменчивости весеннего стока невелика из-за того, что испарение существенно уступает сумме потерь на пополнение запасов грунтовых вод и увлажнение почвы по размаху колебаний. На водосборах лесостепной и степной зон период формирования талого стока невелик, поэтому и не велико испарение, составляющее 10-15 мм.
Потери воды на испарение примем как незначительные и мало изменяющиеся от года к году.
Дополнительным фактором, значительно влияющим на объем стока и максимальные расходы весеннего половодья на исследуемой территории, является зарегулированность стока прудами и водохранилищами, многие из которых относятся к категории сезонного регулирования. Так как активное строительство прудов и водохранилищ прекратилось к 1988 г., (рис. 9) в качестве исходных данных для долгосрочного прогнозирования объема весеннего стока будем использовать период с 1988 по 2007 г. Использование данного временного интервала для разработки прогностических зависимостей позволяет учесть и другие антропогенные преобразования стока, характерные для исследуемой территории.
В качестве исходных данных были применены:
1. Многолетние ряды наблюдений по гидрологическим постам, расположенным в пределах Курской области, предоставленные Курским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями (ТЩГМС-Р);
2. Многолетние метеорологические и агрометеорологические наблюдения по метеостанциям, расположенным в пределах исследуемой территории, полученных из КЦГМС-Р
Выделение нескольких временных категорий осадков обусловлено их различной степенью участия в формировании величины слоя стока весеннего половодья. В период весеннего половодья осадки, выпадающие на территории бассейна в зависимости от времени их выпадения, по разному участвуют в формировании стока.
Для прогнозирования слоя стока весеннего половодья по г.п. р. Тускарь - г. Курск использовались среднеарифметические значения перечисленных выше величии по метеорологическим станциям г. Курск, г. Фатеж, пос. Поныри. Все три метеостанции расположены на водосборе реки в разных его частях.
Краткосрочный прогноз максимальных уровней воды половодья и времени их наступления для р. Сейм
Уровенный режим реки Сейм в г. Курска (пос. Рышково) во многом зависит от двух основных водотоков - притока р. Тускарь и верхнего течения р. Сейм (рис. 8). Для краткосрочного прогнозирования уровня воды на данном гидрологическом посту необходимо учитывать как прохождение волны половодья по основному руслу р. Сейм, так и по р. Тускарь. Задачу получения прогностических зависимостей, описывающих движение волны половодья, обуславливающее затопление обширных урбанизированных территорий в г. Курске и ряде сельских поселений целесообразно разделить на несколько подзадач. В первой определяются особенности и выявляются основные закономерности прохождения половодья по реке Тускарь до г. Курска, во второй - р. Сейм до с. Лебяжье и, наконец, результирующий этап -определение характера взаимодействия двух потоков при их слиянии и определение прогностических зависимостей для гидрологического поста на реке Сейм в г. Курске (пос. Рышково).
Для разработки прогностических зависимостей и вывода эмпирических формул использовались срочные уровни и измеренные расходы воды, а так же их среднесуточные значения за годы, когда наблюдались высокие половодья (1970, 1979, 1988,2003 гг.).
Общая прогнозная схема основывается на сопоставлении характерных расходов в верхнем и нижнем гидрологических постах, на основе чего строятся кривые соответственных расходов и определяется форма кривой добегания. Исследование рядов характерных расходов, а не уровней, и как следствие усложнение всей прогнозной схемы обусловлено большой временной изменчивостью зависимостей Q=f(H) в условиях равнинных рек лесостепной зоны, и в том числе р. Сейм. Кривые Q=f(H), устойчивость и однозначность которых является одним из основных условий применения метода соответственных уровней, в отдельных пунктах наблюдения могут менять свою форму, в зависимости от динамики русловых процессов в легкоразмываемых грунтах речных пойм.
І.Для краткосрочного прогнозирования уровня воды в реке Тускарь у города Курск были использованы данные об уровнях и расходах в вышележащих створах - на р. Тускарь у с. Свобода и р. Снове у д. Щурово.
Прогнозирование уровня на гидрологическом посту на р. Тускарь у с. Свобода производится по расходам на г.п. р. Снова - д. Щурово. Несмотря на большую приточность на данном участке, получаемые зависимости достаточно точны и стабильны, т.к. бассейны р. Снова и Тускарь до слияния являются практически симметричными и все происходящие на их территории процессы (процессы снеготаяния, водоотдачи и пр.) можно считать единовременными. Данная особенность позволяет оперировать данными об уровнях и расходах воды, измеренных по г.п. Снова - Щурово для прогнозирования расходов и уровней на г.п. р. Тускарь - с. Свобода без привлечения дополнительных сведений о приточности. Эмпирическая зависимость расхода воды в г.п. р. Тускарь - с. Свобода (Сдтускарь - свобода)) от соответственных расходов на г.п. р. Снова - д. Щурово (Соснова - щурово)) представлена на рис. 38
Переход от значений измеренных уровней к значениям расходов производится посредством использования кривой Q=f(H). Однако, как было установлено в ходе выполнения работы (глава 2, пункт 2), в отдельных пунктах наблюдения она не устойчива во времени.
Особое внимание при прогнозировании стока необходимо уделять определению расхода воды, так как от этого зависит качество и точность результатов расчетов. При использовании современного гидрометрического оборудования (например, расходомеры, уровнемеры и пр.), автоматизирующего процесс измерения, подобной проблемы не возникает.
В настоящее время для определения расходов воды по измеренным уровням используют кривую Q=f(H).
Определение времени добегания производилось по разнице наступления времени характерных расходов (уровней). Для уточнения времени добегания использовались не только среднесуточные уровни и расходы, но и срочные измерения уровней воды, которые в период половодья производятся от 2 до 12 раз в сутки. Переход от измеренных уровней к расходам осуществлялся при помощи фактической кривой Q=f(H), сложившейся в каждый конкретный год. Это позволило использовать уточненные данные о времени добегания и при этом оперировать более устойчивой характеристикой - расходами воды.
В виду того, что на данных водотоках время руслового добегания в значительной степени зависит не только от уровня воды, но и от уклона водной поверхности, наблюдения за которыми отсутствуют, кривая добегания строилась приближенно.
Зависимость времени добегания на участке д. Щурово - с. Свобода от расхода воды по гидрологическому посту на реке Снове у деревни Щурово представлена на рис. 42.
Применение зависимостей соответственных расходов между гидрологическими постами р. Снова - Щурово и р. Тускарь -г. Курск повышает заблаговременность прогноза (минимальное время добегания при этом становится равным 30 часам, а при использовании зависимостей по г.п. на р. Тускарь с. Свобода - г. Курск заблаговременность прогноза снижается до 24-25 часов). При этом точность определения максимальных уровней выше при использовании зависимостей по г.п. на р. Тускарь - с. Свобода-г. Курск. Оптимальным видится совместное использование двух зависимостей. При этом, с одной стороны, получаем достаточную заблаговременность прогноза времени наступления высоких уровней, а с другой появляется возможность уточнения прогнозных зависимостей, используя данные по г.п. р. Тускарь - с. Свобода.
2.Уровенный режим р. Сейм у с. Лебяжье определяется не только характером прохождения волны половодья и её трансформацией. В годы с дружным снеготаянием волны половодий рек Тускарь и Сейм могут доходить до места их слияния (г. Курск) единовременно. В результате чего возникает дополнительный взаимный подпор (рис. 49), однозначность зависимости расходов от уровней нарушается. Однако, из-за того, что измерения расходов воды проводятся несколько раз за период половодья в фазы спада и подъема уровня воды, не охватывая в достаточной мере весь период, определение расходов проводится по кривой Q f(H), принимаемой однозначной. Таким образом явление подпора скрывается особенностями определения расходов воды. В нашем случае, образующийся дополнительный подпор в большей степени отражается на продолжительности стояния высоких вод на участке р. Сейм от с. Лебяжье до г. Курска, чем на сроках их наступления, а следовательно, его изучение не входят в нашу основную задачу.
