CC BY
42
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.5:631.43(571.13) ГРНТИ 37.21.51
О.В. Мезенцева, Г.Г. Бикбулатова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ЗЕМЕЛЬ ОМСКОЙ ОБЛАСТИ
Исходными данными для расчетов текущих водных балансов за непрерывные временные интервалы (за каждый месяц с 1936 по 2014 г.) были атмосферные осадки KX с поправками Гидрометслужбы, значения максимально возможного испарения Zm, константы: наименьшая влагоемкость почвы Wra, параметр гидравлических условий стока n, параметр водно-физических свойств грунта r. Продолжительность холодного периода принималась с точностью до месяца или декады. Результатами расчета за каждый расчетный интервал являются средняя за расчетный интервал влажность почвогрунтов ^р, суммарное испарение с поверхности водосбора Z (мм), местный элементарный климатический сток Y (мм), суммарное увлажнение Н (мм), равное сумме Y + Z, комплексный показатель увлажнения и теплообес-печенности pH, дефицит увлажнения АН (мм). Расчеты тепловых и водных ресурсов по метеорологическим данным позволяют определить значения стока, влажности почвы и других параметров почвы, правильно оценить величины оросительных или осушительных норм, что является залогом эффективного и рационального хозяйствования.
Ключевые слова: метеорологические характеристики, метод гидролого-климатических расчетов, тепловые ресурсы, водные ресурсы.
O.V. Mezentseva, G.G. Bikbulatova
USE OF METEOROLOGICAL CHARACTERISTICS FOR THE EVALUATION OF THERMAL AND WATER RESOURCES OF LANDS OF OMSK REGION
Design of urban sewer systems, roads, buildings and structures will take into account the distribution of rainfall in space and in time, the risks of under flooding and flooding. Improving the reliability of radio communication systems and transmission lines involves the compulsory consideration of the characteristics of spatial-temporal distribution of rainfall in the area their operation. The initial data for calculations of current water balances for continuous time intervals (for each month from 1936 till 2014) were KX precipitation data amended by Hydrometeorological Service, values for the maximum possible evaporation Zm, constants, such as the minimum moisture capacity of soil Wm, hydraulic runoff conditions parameter n, the parameter of water-physical properties of soil r. The duration of the cold period was taken within the accuracy of either month or ten days. The results of the calculation for each settlement interval average are calculated for the interval of humidity of soils V CP, the total evaporation from the catchment surface Z (mm), local elementary climatic flow Y (mm), total moisture (mm), equal to the sum Y + Z, complex index of moistening and heat PH, moisture deficit days (mm). The calculations of thermal and water resources by meteorological data allow to determine the values of runoff, soil moisture and other parameters of the soil to properly assess the value of irrigation or drainage standards, which is the key to the effective and sustainable management.
Keywords: meteorological characteristics, the method of hydrology-climatic calculations, thermal resources, water resources.
© Мезенцева О.В., Бикбулатова Г.Г., 2016
Введение
Решение целого ряда географических, сельскохозяйственных, инженерных задач, в частности расчет ливневого стока и прогнозирование урожайности сельскохозяйственных культур, исследование влияния гидрометеорологических характеристик на эрозию почв, на осадки и деформации объектов строительства, различные промышленные и технические сооружения, существенно зависит от знания пространственно-временного распределения теплоресурсов и влагоресурсов определенной территории на фоне многолетия. Проектирование городских канализационных систем, дорог, зданий и сооружений обязательно учитывает распределение осадков в пространстве и во времени, возможные риски подтопления и затопления территорий. Повышение надежности систем радиосвязи и линий электропередачи предполагает обязательный учет характеристик пространственно-временного распределения осадков в районе их действия. При этом следует использовать комплексные характеристики совместного воздействия тепла и влаги - суммарное испарение, местный элементарный сток или влажность почвы. Комплексный анализ характеристик теплового и водного режима возможен только при условии, что рассчитаны текущие водные балансы (ТВБ) для исследуемой территории.
Впервые расчеты ТВБ гидрологи начали выполнять только с появлением ЭВМ, то есть с начала 1960-х гг. В 1962 г. в Омском СХИ появилась первая в Омске ЭВМ «Минск-1» с блоком памяти, вмещавшим 1024 числа (число триггеров в блоке оперативной памяти). С 1963 г. впервые начали производиться под руководством профессора В.С. Мезенцева массовые расчеты ТВБ по данным метеостанций - сначала Западной Сибири и Казахстана, затем и для других регионов СССР [1].
Результатом этих расчетов стали не только первые сводки расчетных значений таких элементов, как суммарное испарение, местный сток, суммарное увлажнение, влажность деятельного слоя почвогрунтов, дефицит влаги, коэффициенты тепловлагообеспеченности [2-4], но и решения чисто теоретических проблем - установление законов распределения вероятностей в многолетних рядах элементов водного и теплового балансов. Текущие водные балансы (ТВБ) позволяют выделить годы разной степени влагообеспеченности.
В разное время расчетами ТВБ на территории Сибири, Украины занимались последователи школы В.С. Мезенцева: Д.С. Полисадов, Г.В. Белоненко, В.Е. Загребельный, А.И. Кузьмин, В.Н. Русаков и др., для территории Казахстана исследования ТВБ проводятся Ж.А. Ту-супбековым.
На территории Омской области расчеты элементов водного баланса с использованием данных метеорологических наблюдений за период с 1936 по 1972 г. для станций «Тара», «Омск», «Полтавка» были получены В.С. Мезенцевым и И.В. Карнацевичем. Результаты расчетов в свое время не были опубликованы. В настоящее время для территории Омского Прииртышья расчеты тепловых и водных ресурсов по методу ГКР В.С. Мезенцева продолжают О.В. Мезенцева, И.В. Карнацевич, Г.Г. Бикбулатова.
В данной статье приводятся результаты исследований Г.Г. Бикбулатовой. Ряды данных метеорологических характеристик были удлинены.
Расчеты
Исходными данными для расчетов текущих водных балансов за непрерывные временные интервалы (за каждый месяц с 1936 по 2014 г.) были атмосферные осадки КХ с поправками Гидрометслужбы, значения максимально возможного испарения Ът, константы - наименьшая влагоемкость почвы Wнв, параметр гидравлических условий стока п, параметр водно-физических свойств грунта г. Продолжительность холодного периода принималась с точностью до месяца или декады. Результатами расчета за каждый расчетный интервал (то есть май, июнь, июль 1936 г. и т.д.) являются средняя за расчетный интервал влажность почвогрунтов Уср, суммарное испарение с поверхности водосбора Ъ (мм), местный элементарный климатический сток Y (мм), суммарное увлажнение Н (мм), равное сумме Y + Ъ, комплексный показатель увлажнения и теплообеспеченности рн, дефицит увлажнения АН (мм).
Поскольку все названные элементы связаны генетически и функционально, а степень тесноты коррелятивных связей рассчитанных и измеренных значений стока и влажности почвы в областях избыточного увлажнения достаточно высока, можно с уверенностью говорить также и о том, что расчетные значения местного стока в областях недостаточного увлажнения
отражают с достаточной достоверностью происходящие на данных участках суши процессы преобразования тепла и влаги.
Расчеты проводились с учетом значения наименьшей влагоемкости для станции «Омск» Wнв = 300 мм.
На основе данных Агрометеорологических бюллетеней [5] за 1972-2004 гг. были составлены электронные базы данных ежемесячных сумм атмосферных осадков и среднемесячных температур воздуха, что позволило удлинить имеющиеся ряды данных, чем была достигнута более высокая точность расчетов за счет уменьшения вероятности ошибки до 12 %. При учете этих данных были произведены массовые расчеты элементов ТВБ по 15 станциям Омской области [6], а ряды ежегодных месячных и летних сумм (с мая по август) таких элементов, как средняя влажность почвы, суммарное испарение, сток, коэффициент увлажнения, дефицит влажности почвы (в мм слоя воды) для станций «Тара», «Омск», «Полтавка» были удлинены.
Данные были взяты из Справочника по климату СССР с поправками на недоучет осадко-мерами (1936-1969) и теплоэнергетические ресурсы испарения, полученные по среднемного-летним актинометрическим данным, и из Бюллетеней Омского управления Гидрометслужбы (1970-2014).
Результаты исследований
Были опубликованы первые результаты исследований [7], затем ряды данных удлинялись [8, 9]. В статье приведены графики, иллюстрирующие динамику атмосферного увлажнения за 70 лет для станций «Тара», «Омск», «Полтавка» (рис. 1). На рис. 2 представлена динамика максимально возможного испарения. На рис. 3 представлен график испарения, на рис. 4 - график климатического стока. Последние исследования позволили удлинить ряды и пересчитать значения (рис. 5). Результаты расчетов для остальных станций предполагается опубликовать в справочном издании, подобном [9].
Динамика атмосферного увлажнения 1936-2006гг.
^.мм
800
700
600
500
400
300
200
100
%
1 \ к* 1
К 1 11 Ж 4 К
14
ЩИ
оды
1936
1946
1956
1966
1976
1986
1996
2006
Рис. 1. Динамика атмосферного увлажнения для станций «Тара», «Омск», «Полтавка»
0
Zm=Tz/L,мм
Динамика максимального возможного испарения Zm=Tz/L, 1936-2006гг.
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
-Тара -Омск
Полтавка -Линейный (Тара) -Линейный (Омск) -Линейный (Полтавка)
Годы
1936
1946
1956
1966
1976
1986
1996
2006
Рис. 2. Динамика максимально возможного испарения для станций «Тара», «Омск», «Полтавка»
0
Динамика испарения Z, 1936-2006гг.
Z,мм
600
500
400
300
200
1936
1946
1956
1966
1976
1986
1996
2006
Рис. 3. Динамика испарения для станций «Тара», «Омск», «Полтавка»
0
Динамика стока Y , 1936-2006гг.
У, мм
Рис. 4. Динамика климатического стока для станций «Тара», «Омск», «Полтавка»
ООО
Рис. 5. Распределение элементов водного и теплового балансов в г. Омске за последние 80 лет
По результатам исследований, проведенных авторами, наибольшее значение стока, равное Y = 120 мм для станции «Омск», наблюдалось в 1979 г. и соответствует году Р = 1 % вероятности превышения. Наименьшее значение стока, равное Y = 10, наблюдалось в 1952 г. и соответствует году Р = 99 % вероятности превышения. Для станции «Тара» наибольшее значение
стока, равное Y = 206 мм, наблюдалось в 1970 г. и соответствует году Р = 1 % вероятности превышения, наименьшее значение стока, равное Y = 11, наблюдалось в 1967 г. и соответствует году Р = 99 % вероятности превышения. Для станции «Полтавка» наибольшее значение стока, равное Y = 94 мм, наблюдалось в 1947 г. и соответствует году Р = 1 % вероятности превышения, а наименьшее значение стока, равное Y = 7, наблюдалось в 1952 г. и соответствует году Р = 99 % вероятности превышения.
Выводы
Расчеты тепловых и водных ресурсов по метеорологическим данным позволяют определить значения стока, влажности почвы и других параметров почвы, правильно оценить величины оросительных или осушительных норм, что является залогом эффективного и рационального хозяйствования.
Список литературы
1. Мезенцев, В.С. Гидролого-климатические основы проектирования гидромелиораций / В.С. Мезенцев. - Омск : Изд-во ОмСХИ, 1993. - 128 с.
2. Мезенцев, В.С. Гидрологические расчеты в мелиоративных целях / В.С. Мезенцев. - Омск : Изд-во ОмСХИ, 1982. - 80 с.
3. Полисадов, С.Д. Расчеты текущих водных балансов участка суши методом ГКР и характеристики многолетней изменчивости балансовых элементов / С.Д. Полисадов, И.В. Карнацевич // Труды IV Всес. гидролог. съезда. - 1976. - Т. 2. - С. 128-136.
4. Режимы влагообеспеченности и условия гидромелиораций Степного края / В.С. Мезенцев [и др.]. - М. : Колос, 1974. - 239 с.
5. Агрометеорологические бюллетени Гидрометцентра ГУ «Омск. центр по гидрометеор. и мониторингу окр. среды с регион. функц.» Фед. служ. по гидрометеор. и монитор. окр. среды за 1968-2014 гг. -Омск : Гидрометцентр ГУ «Омский ЦГМС-Р».
6. Программа расчета тепловоднобалансовых элементов, влажности почвы и дефицитов влаги в MS-Excel [ Электронный ресурс] / сост. А. Распопов. -Омск, 2003-2006. - 297 Кб.
7. Бикбулатова, Г.Г. Гидролого-мелиоративные закономерности территориального распределения ресурсов местного стока на территории Западной Сибири и мелиоративные аспекты его использования (на примере Омского Прииртышья) : автореф. дис. ... канд. с.-х. наук / Г.Г. Бикбулатова. - Омск : Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2006. - 16 с.
8. Исследование динамики и картографирование полей элементов теплового и водного балансов и характеристик естественной тепловлагообеспеченно-сти : монография / под общ. ред. О.В. Мезенцевой. -Омск : Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2008. - 224 с.
9. Бикбулатова, Г.Г. Текущие водные балансы на территории Омской области : уч.-справ. изд. / Г.Г. Бикбулатова, И.В. Карнацевич. - Омск : Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2008. - 56 с.
Мезенцева Ольга Варфоломеевна, доктор геогр. наук, профессор, академик РАЕ, Омский государственный педагогический университет, mesol-ga@yandex.ru; Бикбулатова Гульнара Гафуровна,
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Омский ГАУ, gg.bikbulatova@omgau.org.
References
1. Mezentsev V.S. Hydrological-climatic design principles of hydromeliorative / V.S. Mezentsev. - Omsk: Publishing house of OmAGI, 1993. - 128 p.
2. Mezentsev V.S. Hydrological calculations for melioration / V.S. Mezentsev. - Omsk: Publishing house of OmAGI, 1982. - 80 p.
3. Polisadov S.D. The calculations of the current water balance of the land by the method of GKR and the characteristics of the long term variability of balance sheet items / S.D. Polisadov, I.V. Karnatsevich // Proceedings of IV all-Union. the hydrologist. Congress, 1976. - Vol. 2. -P. 128-136.
4. Modes moisture, and the conditions of hydromeliorative steppe / V.S. Mezentsev [and others]. - M.: Kolos, 1974. - 239 p.
5. Agrometeorological bulletins meteorologist GU "Omsk. center for the hydrometeor. and monitoring of environment with the region. Options". Fed. serv. on hydrometer. and monitoring environment in 1968-2014. -Omsk hydrometeorological centre GU "Omsk CGMS-R".
6. The calculation program teplovozoremontnyj elements, soil moisture deficits and moisture in MS-Excel [Electronic resource] / ed. A. Raspopov. - Omsk, 20032006. - 297 KB.
7. Bikbulatova G. Hydrological-meliorative laws of territorial distribution of resources of local runoff on the territory of Western Siberia and meliorative aspects of its use (on the example of Omsk Irtysh region): the author. diss. on competition. art C.D. / G.G. Bikbulatova. - Omsk: Publishing house of FGOU VPO state agrarian University, 2006. - 16 p.
8. The study of the dynamics and mapping fields of the elements of heat and water balance and characteristics of natural teploprovodnosti : monograph / under the General editorship of O.V. Mezentseva. - Omsk: Publishing house of FGOU VPO state agrarian University, 2008. - 224 p.
9. Bikbulatova G. Current water balances in Omsk oblast (educational-JWP.ed.) / G.G. Bikbulatova, I.V. Karnatsevich. - Omsk: Publishing house of FGOU VPO state agrarian University, 2008. - 56 p.
Mezentseva Olga Varfolomeeva, Doctor of Geographic Sciences, Professor, Academician of RA of NI, Omsk State Pedagogical University, mesolga@yandex.ru; Bikbulatova Gulnara Gafurovna, Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Omsk SAU, gg.bikbulatova@omgau.org.
Статья поступила в редакцию 11 марта 2016 г.
