CC BY
71
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
*
УДК 551 58 И. В. КАРНАЦЕВИЧ
Омский государственный педагогический университет
КАРТЫ МЕСЯЧНЫХ И ДЕКАДНЫХ НОРМ МЕСТНОГО ЭЛЕМЕНТАРНОГО СТОКА ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ РАВНИНЫ
Впервые карты норм стока построены за декадные и месячные интервалы среднего года по материалам ежесуточных расчетов местного элементарного стока на основании ежесуточных измерений на метеостанциях территории в течение нескольких десятилетий.
Ключевые слова: Западно-Сибирская равнина, местный сток, карты стока.
Введение. Карты нормы стока, как известно, строят по материалам многолетних измерений расходов воды в сотнях и тысячах речных створов. Полученные карты используются для определения водных ресурсов не изученных в гидрометрическом отношении речных бассейнов, находящихся на территории, освещенной картой. Существует и другой способ построения карт стока — и не только за годовой многолетний цикл, но за любой внутригодовой промежуток времени. Этот способ косвенного расчета стока по данным метеорологических станций разработан в Омске в 1950— 1960-х гг.[1] и использовался до 2010 г. лишь для расчета по месячным. и, в редких случаях, по декадным, интервалам [2]. В 1960—1970 гг. подготовка данных для расчета занимала очень много времени, выполнялась вручную — карандашом и авторучкой, было немыслимо выписывать ежесуточные температуры и осадки за тысячи суток подряд, а затем набивать их на перфоленте или перфокартах. Только с появлением электронных баз данных появилась возможность почти мгновенно производить расчеты элементов водного баланса по данным ежедневных измерений температуры воздуха и атмосферных осадков на метеорологических станциях, например, за 50 — 70 лет подряд, то есть решать методом конечных разностей за 10—15 минут систему уравнений за 70*365 = 25500 суточных интервалов [3].
Всесторонняя проверка корректности полученных за непрерывную последовательность суточных расчетных интервалов значений местного стока показывает, что расчетный сток близок по значениям к гидрометрическому, отличаясь от последнего из-за априорного несоответствия сумм атмосферных осадков на метеостанции средней сумме осадков на поверхности речных бассейнов, окружающих метеостанцию, а также из-за эффектов добегания волн паводков, а также бассейнового и руслового регулирования стока в понижениях рельефа и грунтовых толщах берегов. Для строгого определения точности расчетного стока необходимо иметь измеренные значения стока со стоковых площадок, расположенных непосредственно на метеостанциях. Поскольку таких данных нет, для целей сопоставления рассчитанного элементарного стока с гидрометрическим приходится прибегать к созданию специальных карт гидрометрического стока, например [4, 5].
Полученные векторы и массивы рассчитанного по метеоданным стока успешно используются для изучения статики и динамики местных водных ресурсов на территориях, где отсутствуют реки, но имеются десятки метеостанций, для условий горных стран, где нет наблюдений за стоком, для изучения параметров частотных распределений не только стока, но и связанных со стоком аналитически, влажности почвы, суммарного испарения, дефицитов влаги, а также для построения полей (карт изолиний) стока за любой интервал любого конкретного года и усредненных значений (норм) за любые интервалы года.
Математическая модель метода гидролого-кли-матических расчетов. Уравнение водного баланса участка суши за любой расчетный интервал времени (сутки, декада, месяц, год) записывается в виде:
H = X + W1-W2 = Z + Y, (1)
где Н — суммарное увлажнение,
Х — атмосферные осадки,
W1 — начальные запасы влаги в почвогрунтах, W2 — конечные запасы влаги в почвогрунтах,
Z — суммарное испарение,
Y — суммарный сток,
Все элементы водного баланса выражены в миллиметрах слоя воды.
Из уравнения (1) можно определить сток Y, если известны все остальные переменные. Атмосферные осадки Х измеряются ежедневно на всех метеорологических станциях, влажность почвы W в одном и том же месте в течение десятилетий и столетий остается постоянной, изменяясь в небольших пределах в сухие и влажные годы, но значительно меняется ежегодно по сезонам.
Наиболее трудноопределимым членом уравнения водного баланса является испарение Z из-за того, что с разных поверхностей водосбора (луг, водные поверхности озер и болот, голая почва, кустарники, деревья, сельскохозяйственные поля, снежная поверхность зимой) испаряются разные слои воды; поэтому измерить прибором суммарное испарение невозможно. В XIX веке и до середины XX века суммарное испарение вычисляли как остаточный член уравнения водного баланса, но с развитием актинометрии и теории климатологии теплового баланса во второй половине XX века, стало возможным вычис-
Метеостанции и годы, данные измерений которых использовались для расчетов и построения карт стока
Станция Годы наблюдений, для которых сделаны расчеты Станция Годы наблюдений, для которых сделаны расчеты
Александровское 1936-2006 Минусинск 1960-1990
Атбасар 1960-1980 Няксимволь 1960-1990
Барабинск 1980-1990 Омск 1936-2006
Березово 1960-1990 Петропавловск 1960-1990
Барнаул 1960-1990 Подкаменная Тунгуска 1960-1990
Бисер 1960-1980 Рубцовск 1960-1990
Екатеринбург 1966-2006 Семипалатинск 1960-1990
Енисейск 1960-1990 Сургут 1950-1984
Ивдель 1960-1995 Тара 1960-1980
Иртышск 1960-1995 Тобольск 1945-2006
Караганда 1960-1980 Томск 1950-2005
Колпашево 1960-2000 Тургай 1960-1980
Красноярск 1960-1990 Туруханск 1960-1990
Курган 1950-2005 Ханты-Мансийск 1960-1995
Кустанай 1960-1980 Целиноград 1960-1995
Леуши 1950-2005
лять суммарное испарение по данным об осадках и температурах воздуха. Самой удачной реализацией подобного рода расчетов является математическая модель метода гидролого-климатических расчетов (ГКР) проф. В. С. Мезенцева [1], представляющая собой систему уравнений водного баланса (1), уравнения связи элементов водного и теплоэнергетического балансов
уравнения зависимости средней влажности почвы Vср от коэффициента увлажнения вн = LH/Tz
^ср)г = Рн (3)
и зависимости средней влажности почвогрунтов Vср от начальной и конечной (за расчетный интервал) влажности, например, в виде
Vcр = 0,5(W1+W2). (4)
В формулах (2) — (4):
Т — теплоэнергетические ресурсы суммарного испарения в МДж/м2 , определяющие термический режим приземной тропосферы, т.е. температуру воздуха),
г — параметр, зависящий от свойств почв проводить и расходовать влагу на испарение (для среднесуглинистых почв г=1,5 — 2,0),
V=W/W ,
нв'
Wнв — водно-физическая константа — наименьшая влагоемкость почвы, мм
п — параметр, учитывающий условия стока (для равнинных условий п = 3),
L = 2,51 МДж/(м2мм) — удельная теплота испарения (константа Дальтона ).
Отношение Tz/L = Zm — водный эквивалент энергетических ресурсов испарения — максимально возможное испарение Ольдекопа — Мезенцева.
Для расчета суммарного испарения, стока и влажности почвогрунтов в районе метеостанции по последовательным суточным интервалам одного года или длинной последовательности лет необходимы данные без пропусков о средних суточных температурах воздуха и ежесуточных суммах атмосферных осадков, а также значения констант. В работе [3] подробно описаны методы реализации модели ГКР, программа расчетов, составленная канд. физ.-мат. наук С.А.Хрущевым (Омский филиал Института математики СО РАН) и погрешности расчета, связанные, в основном, с погрешностями измерения и усреднения атмосферных осадков, измеряемых не на водосборе, а практически в точке, где установлен осадкомер.
Исходные данные и результаты. В настоящей статье использовались материалы многолетних ежесуточных измерений температуры воздуха и атмосферных осадков на 31-й метеорологической станции Западной Сибири и соседних территорий (табл. 1), выставленные на сайте [6], для расчета элементов водного баланса за сотни последовательных интервалов в пределах 1960—1990 гг. методом конечных разностей. Результаты расчетов были проанализированы и использованы для составления карт усредненных за все годы наблюдений (по каждой метеостанции) значений расчетных величин местного элементарного стока.
На рис. 1—8 представлены карты среднего многолетнего расчетного местного стока (в мм) за последовательные декадные интервалы с 1-й декады мая до 2-й декады июля. Карты получены расчетом по математической модели метода ГКР [1] по исходным метеорологическим данным о средних суточных температурах и суточным суммам атмосферных
(2)
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
Рис. 1. Норма местного стока в первой декаде мая, мм
Рис. 3. Норма местного стока в третьей декаде мая, мм
Рис. 5. Норма местного стока во второй декаде июня, мм
Рис. 7. Норма местного стока в первой декаде июля, мм
Рис. 2. Норма местного стока во второй декаде мая, мм
Рис. 4. Норма местного стока в первой декаде июня, мм
Рис. 6. Норма местного стока в третьей декаде июня, мм
Рис. 8. Норма местного стока во второй декаде июля, мм
Рис. 9. Норма местного стока в мае, мм
Рис. 11. Норма гидрометрического стока в июне Y, мм/месс
Рис. 13. Норма местного стока в августе, мм
осадков, исправленных на ветровой недоучет. На рис. 9, 10, 12 и 13 приведены в виде карт изолиний стока (в мм) результаты расчета месячных норм (суточных сумм) местного элементарного стока за май, июнь, июль и август, а для сравнения на рис. 11 и 14 — карты гидрометрического стока, построенные по результатам ежесуточных измерений на речных гидростанциях и постах. Из-за неравенства истинных средних для водосбора осадков и измеренных в точке — на метеостанции, а также эффекта времени добегания волн паводков равенства стока рассчитанного и измеренного быть не должно, что и демонстрируют пары карт стока за июнь и август (рис. 10 и 11, 12 и 13). Кроме того, следует иметь в виду, что расчеты стока выполнены по данным за 20 — 30 лет (в интервале с 1960 по 1990 гг.), тогда как гидрометрический сток был определен по картам [5], построенным по кадастровым данным многотомника «Основ-
Рис. 10. Норма местного стока в июне, мм
Рис. 12. Норма местного стока в июле, мм
Рис. 14. Норма гидрометрического стока в августе Y, мм/мес.
ные гидрологические характеристики», относящимся к территории Сибири, причем эти карты были созданы для рекогносцировочных целей студентами И. В. Лим и Е. М. Цапко всего лишь по 110 центрам тяжести водосборов.
Для сравнения результатов расчета местного элементарного («метеорологического») стока с измеренным гидрометрическим по картам (рис. 4 — 6, 10, 11) были определены значения стока в июне среднего года и составлена табл. 2.
Гидрографы стока рек в прошлом веке можно было построить только по ежесуточным измеренным уровням и вычисленным по ним расходам воды. Теперь многолетние цепи гидрографов с суточным разрешением можно получить без трудоёмких и дорогостоящих измерений в реке одним нажатием клавиши. На рис. 15 показана цепь гидрографов элементарного стока в районе метеостанции Сочи, а на
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012
Таблица 2
Сравнение рассчитанного местного стока ^м, мм) с измеренным на водосборах ^и, мм)
Пункт Слой местного стока (рис. 4 — 6 и 10) Норма измеренного стока в июне
1-я декада июня 2-я декада июня 3-я декада июня Сумма за 3 декады Норма местного стока за июнь
Тара 6 6 4 16 15 14
Тобольск 6 4 4 14 15 20
Нижневартовск 19 14 14 47 50 60
Рис. 15. Гидрографы элементарного стока с суточным разрешением, построенные по результатам расчета элементов текущих водных балансов для метеостанции Сочи. По вертикальной оси отложены ординаты суточных сумм слоя стока в мм. Расчет выполнен для 2160 последовательных суточных интервалов
Ежемесячный сток в р. Сочи -Пластунка и рассчитанный по данным
метеостанции Сочи
4,50 ------------------------------------------------------------------------
4,00
иЗШі£>иЗі£>ШІ^Г"І^І'»-І^Г^СОСОСОСОСОСОа'іСХ)ОіСТіаїаіООООООіНг-Іг-ІгЧг-І<Ч і п ігі і гі і п і гі ігі і п і п і гі і п і п ШійЛіОШШШЩіНиЗШШ'Л І"4 Г~*- Г"*- [V |-ч ^ [V [V [V [V 1^.
аіоішоіоі(лігіоіоітт(л(л(гіоіоіігі(л(лоі(л(л(лаіоі(]ішоіоі(л(гіоі(лтігі(л
тНчЧгЧтНт-Чт-ЧгЧгНт-ЧгЧт-ЧгНгЧгЧгНгЧгЧгНгНгЧтН^ЧгЧ^Н^НгЧгЧтЧгЧт-ЧгЧгЧгЧтЧгЧгЧ
нгпи'Ь(іігННг/іілг-оіннтиіг'Шниг<іиі Коіни[(ііл г-оїгігіпиіКсііи ооооотнооооо^ооооо'наоооо^ноооао^ооооотч
Рис.16. Сравнение рассчитанного и измеренного стока в районе г. Сочи.
Расчет сделан по данным метеостанции Сочи, расположенной на высоте 57 м, а измерялся сток в русле реки Сочи (створ села Пластунка, площадь водосбора 238 кв. км, средняя высота бассейна 870 м, наибольшая — около 1918 м). Ряд 1 — средние месячные расходы воды в реке Пластунка в долях от среднего за все месяцы расхода (14,1 куб. м/с). Ряд 2 — средние месячные слои рассчитанного по суточным интервалам стока — в долях от среднего за все месяцы
(44,9 мм/мес.)
рис. 16 выполнено сравнение расчетных и измеренных нормированных значений ежемесячных значений стока в долях от среднего за 6 лет [7].
Несмотря на перечисленные выше проблемы, рассчитанные значения стока оказываются достаточно близкими к измеренным, средние квадратичные отклонения находятся в диапазоне 20 — 30 %.
В будущем, в условиях перераспределения стока водохранилищами и каналами, в условиях межбас-сейновых перебросок стока карты гидрометрического стока перестанут отражать местные водные ресурсы. Сток, рассчитанный по метеоданным десятков станций, как видно из приведенных в этой статье карт, представленный полями в изолиниях, хорошо сообразуется с географической зональностью и выражается значениями, по крайней мере, одного порядка с измеренными стоковыми показателями.
В горных странах гидрометрический сток различен на склонах разной экспозиции, на разных высотах, сеть гидростворов очень редкая, поэтому горные страны во всем мире изучены в отношении стока очень слабо. В таких условиях расчетный элементарный сток на площадке около метеостанции можно было бы использовать как реперный элементарный, рафинированный сток для данной высоты и экспозиции. В настоящее время ведутся расчеты для создания карт норм элементарного стока на территории всей Сибири.
Выводы. 1. В начале XXI века благодаря разработкам ГИС, благодаря Интернету с его колоссальными базами данных и благодаря простой и весьма удачной генетической математической модели ГКР [1], основанной на законах сохранения материи и энергии, появилась возможность создать новое направление в инженерной гидрологии, поднять новый пласт изучения природы — природы рафинированного, нетрансформированного (в отличие от традиционно изучаемого гидрометрией речного, руслового стока с его искажениями из-за эффектов добегания волн паводков и аккумуляции части стока на пойме и в грунтах берегов) местного элементарного стока. Это особенно важно для практики расчетов стока неизученных областей суши, для определения водных ресурсов неизученных водосборов, число которых на всех континентах исчисляется миллионами.
2. Для развития гидрологии неизученных областей суши следовало бы создавать новые метеостанции со стоковыми площадками, которые могли бы успешно охранять и обслуживать метеорологи — люди в высшей степени дисциплинированные — в силу своих метрологических знаний. Стоковые площадки нужны для контроля рассчитанных значений
стока и разработки алгоритмов управления изменяемыми параметрами в системе уравнений ГКР для получения единой универсальной методики условных переходов в программах расчета текущих водных балансов.
3. Таким образом, созданная трудами тысяч безвестных работников Гидрометслужбы Царской России, СССР и Российской Федерации база метеорологических данных ежесуточных измерений характеристик увлажнения и теплообеспеченности позволяет вычислять с достаточной для многих инженерных целей точностью значения элементов водного баланса, то есть сугубо гидрологические характеристики.
Библиографический список
1. Мезенцев, В. С. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования Западно-Сибирской равнины по признакам увлажнения и теплообеспе-ченности / В. С. Мезенцев // Труды Омск. с.-х. ин-та. — Омск, 1957. — Т. 27. — 121 с.
2. Карнацевич, И. В. Динамика тепла и влаги в районе Омска за 20 лет (1953—1974 гг.) / И. В. Карнацевич // Мелиоративные и гидролого-климатические расчеты и характеристики. — Омск : Изд. Омск. с.-х. ин-та, 1984. — С. 17—25.
3. Карнацевич, И. В, Перспективы генетического метода расчета элементарного стока по суточным интервалам / И. В. Карнацевич, Г. Г.Бикбулатова, К. В. Ряполов // Омский научный вестник. — 2011. — № 1 (104). — С. 224 — 231.
4. Карнацевич, И. В. Метод реконструкции стока неизученных рек Западной Сибири с помощью атласа карт изолиний слоя стока за конкретные годы и месяцы : учеб. пособие / И. В. Карнацевич. — Омск : Изд. Омск. с.-х. ин-та, 1986. — 96 с.
5. Карнацевич, И. В, Внутригодовой расчет стока неизученных рек на территории Сибири / И. В. Карнацевич, И. В. Лим, Е. М. Цапко // Справочно-информационный материал для выполнения гидрологических расчетов. — Омск : Изд. Омск. с.-х. ин-та, 1993. — 20 с.
6. Meteo.ru [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.meteo.ru (дата обращения: 22.07.2012).
7. Материалы наблюдений на сети станций МГЛ в Советском Союзе, Вып. 3 — 8, 1967— 1972 гг. — Л. : Гидрометеоиздат, 1969- 1976.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физической географии.
Адрес для переписки: e-mail: ikar.omsk@gmail.com
Статья поступила в редакцию 23.07.2012 г.
© И. В. Карнацевич
Книжная полка
Ямбаев, Х. К. Геодезическое инструментоведение: учебник для вузов / Х. К. Ямбаев. - М. : Академический проект, 2011. - 583 с. - ISBN 978-5-8291-1292-9.
В учебнике подробно изложены основы и принципы действия совершенных электронных и цифровых геодезических инструментов: цифровых нивелиров, электронных тахеометров, лазерных сканеров и аппаратуры глобальной навигационной спутниковой системы. Особое внимание уделено описанию конструктивных особенностей новейших геодезических инструментов, выпускаемых ведущими специализированными фирмами мира, включая источники ошибок измерений. Учебник адресуется студентам и аспирантам вузов геодезических специальностей, а также специалистам в области геодезии и фотограмметрии.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (114) 2012 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
