CC BY
18
УДК 556.537
АНАЛИЗ УРОВНЕЙ ВОДЫ МАЛОЙ РЕКИ НЕЛЬМЫ В ПОСЛЕДНЕЕ
ДЕСЯТИЛЕТИЕ
В.А. Наумов, П.С. Сысоева, В.М. Ходоркова
ANALYSIS OF THE SMALL RIVER WATER LEVELS IN THE LAST DECADE
V.A. Naumov, P.S. Sysoeva, V.M. Khodorkova
Аннотация. В последнее десятилетие на реке Нельме наблюдается по несколько пиков уровня с ноября по апрель из-за чередования заморозков и оттепелей. Отдельные дождевые паводки в теплое время года могут приводить к уровням не ниже, чем во время весеннего половодья. В настоящее время минимальные и средние годовые уровни воды выросли примерно на один метр по сравнению с результатами наблюдения начального периода (1964-1980). Методы расчета основных характеристик водотоков необходимо скорректировать с учетом гидрологических и климатических особенностей региона.
Ключевые слова: река Нельма; уровни воды; результаты наблюдений; последнее десятилетие; повторяемость и продолжительность стояния.
Abstract. Several peaks of the level from November to April have been observed in the last decade on the Nelma River due to the alternation of frosts and thaws. Separate rain floods in the warm season can lead to levels not lower than during the spring flood. At present, the minimum water levels have increased by about one metre compared to the initial observation period (19641980). Methods for calculating the main characteristics need to be adjusted to the hydrological and climatic characteristics of the region.
Keywords: Nelma River; water levels; results of observations; the last decade; the frequency and duration of standing.
Введение
В соответствии с нормативными документами обработка результатов инженерно-гидрологических изысканий для строительства при достаточном объеме систематических гидрометрических наблюдений включает анализ изменения уровней воды в реке [1]. Расчетные характеристики максимальных и минимальных уровней должны определяться с учетом региональных особенностей гидрологического режима. К сожалению, в Калининградской области отсутствуют территориальные строительные нормы (ТСН), имеющие статус нормативного документа субъекта Российской Федерации. В связи с этим при обработке результатов инженерно-гидрологических изысканий на территории области используются методы расчета характеристик, изложенные в Своде правил [2], что может привести к значительным ошибкам при определении проектных параметров. Это особенно важно для малых рек и ручьев. Указанных ошибок можно попытаться избежать, если учитывать результаты исследования гидрологических характеристик малых водотоков региона (см. [3-7] и библиографию в них).
Данная статья посвящена анализу уровней воды реки Нельмы в последнее десятилетие. Малая река Нельма протекает в Зеленоградском районе Калининградской области. Река берет начало из озера Пугачевского, в районе поселка Романово, устьем реки является Калининградский залив (бухта Приморская). Длина водотока составляет 30 км, площадь водосборного бассейна - 167 км2 [8]. На реке Нельме расположен гидрологический пост 1 разряда в поселке Кострово, который был открыт в сентябре 1963 года. Отметка нуля поста равна 0,03 метра в Балтийской системе. Площадь бассейна реки к створу поста - 163 км2; расстояние от устья - 4 км; Результаты измерений, начиная с 1964 года, публиковались в Гидрологических ежегодниках [9].
Исходные данные
В качестве исходных были использованы результаты ежедневных измерений уровней воды реки Нельмы в поселке Кострово. Файлы с массивами цифровых данных за 2008-2013 годы были взяты из Автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов (АИС ГМВО) [10]. Эти данные можно считать достоверными. Сведения об измерениях на реке Нельме за последующие годы в АИС ГМВО отсутствуют. Они были получены в Калининградском центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Данные за 2014-2017 год являются оперативными, не прошедшими контрольную обработку. Хотя явные опечатки и промахи измерений были нами исправлены, в дальнейшем возможна корректировка полученных числовых значений за указанные годы. Для сравнения использованы результаты измерений за 1964-1980 годы из [9, 11]. Часть исходных данных в графической форме показана на рис. 1, 2 и 6.
Особенности внутригодового изменения уровней
На рис. 1 показаны графики в годы средней водности. За последние 10 лет самым маловодным на реках Калининградской области был 2015 год, а самым многоводным - 2017 год (рис. 2). Для рек Северо-Западной части России и Сибири характерно внутригодовое изменение уровней с максимумом весеннего половодья и меженью большей частью остального периода года. В отличие от такой, классической картины, на реке Нельме можно наблюдать несколько пиков уровня с ноября по апрель. Причина их появления - чередование заморозков и оттепелей в холодное время года, на которые накладываются обильные осадки в виде дождя и мокрого снега. В отдельные годы наблюдались высокие паводки в теплое время года. Например, в 2012 году уровень воды реки Нельмы в июне и в сентябре был не ниже, чем во время весеннего половодья. Все это говорит о том, что методы расчета основных характеристик [2] должны быть скорректированы с учетом гидрологических и климатических особенностей региона. В первую очередь это относится к малым водотокам.
Рисунок 2 - Уровни воды реки Нельмы (пос. Кострово) в 2013, 2015 и 2017 году
Повторяемость и продолжительность стояния уровней воды
В среде МаШсаё по известной методике [12] были рассчитаны повторяемость и продолжительность стояния уровней воды в 2008-2017 годы (рис. 3 и 4). Пределы варьирования были приняты от 120 до 240 см. Весь диапазон был разбит на 40 интервалов по 3 см. Видно, что наибольшая повторяемость (21 день) наблюдалась у уровней двух интервалов 135-138 см и 153-156 см. Уровни более 210 см стояли в среднем 6 суток в году. Уровни менее 129 см наблюдались в течение 6,5 суток в год.
N------------
сут.
20--1---П---------
15
10
о
120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 Н._ см
Рисунок 3 - Среднегодовая повторяемость уровней воды реки Нельмы в створе поселка
Кострово (2008-2017)
П
сут.
350
300 250 200 150 100
50 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■I —----
О II II II II II II II II II II II II II II Пи----
120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 Н._ см Рисунок 4 - Среднегодовая продолжительность стояния уровней воды реки Нельмы в створе
поселка Кострово (2008-2017)
Автокорреляционная функция уровней воды реки Нельмы
Зададим глубину автокорреляции 80 суток: k=1; 2; 3;...; 80. Точечные оценки значений автокорреляционной функции найдем по формуле из [2]:
£[(( - Ив\к )•((-к - Ив 2к )]
г [к ] :=■ 1=к+1
Х[(Н - Ив1к )2 ]• Г]! [ - Ив 2к )
I=к+1 V I=1
(1)
где вспомогательные средние значения:
Ив1к:=-
п - к
X И,; Ив2к:=
г=к+1
п - к
п-к
•IИ
(2)
I=1
По рис. 5 видно, что статистически значимый уровень (более 0,7) автокорреляционной функции сохраняется только на 1-2 дня. Уже значение г[3] = 0,675, и далее оно быстро падает. Следовательно, изменчивость уровней воды реки Нельмы такова, что статистически прогнозировать их более чем на сутки не представляется возможным.
г[к] 0.5
0.25
-0.25
1 10 20 30 40 50 60 70 к, суг.
Рисунок 5 - График автокорреляционной функции уровней воды в реке Нельме
Сравнение с результатами первого периода наблюдений
Представляет интерес сравнение уровней реки Нельмы последнего десятилетия с результатами первого периода наблюдений в поселке Кострово (1964-1980). Для примера на рис. 6 приведены уровни воды реки Нельмы в 1964 году. Этот год был маловодным, как и 2015 год. Наибольшие уровни в обоих случаях близки. Тогда как нименьшие в настоящее время стали примерно на один метр выше.
Я см
120
80
40
1 I
и \ 1 V, }
____ л
январь февраль март апрель май июнь июль а сентябрь октябрь ноябрь й ш 4
Рисунок 6 - Уровни воды реки Нельмы (пос. Кострово) в 1964 году [9]
1
1
Аналогичный вывод можно сделать, сравнивая характерные уровни реки Нельмы в настоящее время и за начальный период наблюдений (табл. 1). Так наибольший уровень воды был 237 см в 1977 и 1979 году. Практически такой же уровень воды, по оперативным данным, был зафиксирован в 2015 году. По табл. 1 минимальный уровень 9 см был зафиксирован в 1969 году; в последнее десятилетие он не опускался ниже 120 см (см. рис. 1 и 2). Среднегодовые уровни реки Нельмы в первый период наблюдений колебались вблизи отметки 60 см. Наш расчет дал значение среднего уровня последнего десятилетия 167 см. Возможно, некоторое изменение последнего из-за корректировки оперативных данных (2014-2017). В любом случае, увеличение средних и минимальных уровней составляет примерно один метр. При этом среднегодовой сток рек региона за этот период, практически, не изменился [7]. Одной из причин такого повышения уровня может быть отложение наносов.
Таблица 1 - Характерные уровни реки Нельмы (Кострово) за 1964-1980 годы [11]
Год Характерные годовые уровни, см от нуля поста
высшие низшие Размах варьирования
значение дата значение дата
1964 180 02.02 17 19.06-22.07 163
1965 224 20.12 21 18-19.06 203
1966 204 21.12 16 21-25.06 188
1967 228 08.02 20 18-20.07 208
1968 220 01.02 14 07-15.08 206
1969 95 02.04 9 28.02 86
1970 228 01.11 22 12-13.07 206
1971 165 25.01 15 20-27.08 150
1972 215 16.11 23 14.06 192
1973 228 29-30.12 27 03-16.07 201
1974 222 20-21.12 33 17-20.06 189
1975 185 07-08.01 28 06-24.08 157
1976 223 22-23-01 37 02-21.07 186
1977 237 06.03 36 24.06-02.07 201
1978 209 05.01 32 07-08.06 177
1979 237 06.03 30 23.06-02.07 207
1980 233 11.12 37 18-19.06 196
Средний 207,8 24,5 183,3
Заключение
В последнее десятилетие на реке Нельме наблюдается по несколько пиков уровня с ноября по апрель из-за чередования заморозков и оттепелей. Отдельные дождевые паводки в теплое время года могут приводить к уровням не ниже, чем во время весеннего половодья. В настоящее время минимальные и средние годовые уровни воды выросли примерно на один метр по сравнению с результатами наблюдения начального периода (1964-1980). Методы расчета основных характеристик водотоков необходимо скорректировать с учетом гидрологических и климатических особенностей региона.
Наибольшая повторяемость уровней реки Нельмы (21 день) наблюдалась у уровней двух интервалов 135-138 см и 153-156 см. Уровни более 210 см стояли в среднем 6 суток в году. Уровни менее 129 см наблюдались в течение 6,5 суток в год. Статистически значимый уровень (более 0,7) автокорреляционной функции сохраняется только на 1-2 дня.
ЛИТЕРАТУРА
1. Свод правил СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Утвержден приказом Госстроя России № 83/ГС от 10.12.2012.
2. Свод правил СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Одобрен для применения в качестве нормативного документа постановлением Госстроя России № 218 от 26.12.2003.
3. Zotov S.I., Belov N.S. The characteristics of the Pregolya River basin. Transboundary waters and basins in the South-East Baltic. Kaliningrad: Terra Baltica. 2008, pp. 68-79.
4. Наумов В.А., Маркова Л.В. Корреляционный анализ внутригодового распределения стока рек региона // Известия КГТУ. 2012. № 26. С. 40-46.
5. Великанов Н.Л., Наумов В.А., Маркова Л.В., Смирнова Л.В. Результаты натурных исследований малых водотоков на мелиорированных землях региона // Вода: химия, экология. 2013. № 7. С. 18-26.
6. Берникова Т.А., Нагорнова Н.Н., Цупикова Н.А. Некоторые результаты гидрологического исследования водотоков Калининградской области // Известия КГТУ. 2014. № 32. С. 74-84.
7. Наумов В.А., Ахмедова Н.Р. Инженерные изыскания в бассейне реки Преголи: монография. Калининград: Изд-во ФГБОУ ВО «КГТУ», 2017. 183 с.
8. Государственный водный реестр: река Нельма [Электронный ресурс]. URL: http://textual.ru/gvr/index.php?card=149633 (дата обращения: 01.10.2018).
9. Гидрологический ежегодник 1964 года. Т. 1. Бассейн Балтийского моря / Под ред. Д.И. Абрайтене. Вып. 5, 6. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1966. 264 с.
10. Автоматизированная информационная система государственного мониторинга водных объектов [Электронный ресурс]. URL: https://gmvo.skniivh.ru/ (дата обращения: 10.02.2019).
11. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Ч.1. Реки и каналы. Т.1. РСФСР. Вып.4. Бассейны рек Калининградской области / Под ред. Н.В. Шаблиевой. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1988. 88 с.
12. Овчаров В.Е., Захаровская Н.Н., Прошляков И.В. и др. Практикум по гидрологии, гидрометрии и регулированию стока. Москва: Агропромиздат, 1988. 224 с.
REFERENCES
1. Svodpravil SP 47.13330.2012. Inzhenernye izyskaniya dlya stroitel'stva [Set of rules SP 47.13330.2012. Engineering surveys for construction]. Utverzhden prikazom Federal'nogo agentstva po stroitel'stvu i zhilishchno-kommunal'nomu hozyajstvu, 10.12.2012, No. 83/GS.
2. Svod pravil SP 33-101-2003. Opredelenie osnovnyh raschetnyh gidrologicheskih harakteristik [Set of rules SP 33-101-2003. Determination of the main calculated hydrological characteristics]. Odobren dlya primeneniya v kachestve normativnogo dokumenta postanovleniem Gosstroya Rossii 26.12.2003, No. 218.
3. Zotov S.I., Belov N.S. The characteristics of the Pregolya River basin. Transboundary waters and basins in the South-East Baltic. Kaliningrad: Terra Baltica. 2008, pp. 68-79.
4. Naumov V.A., Markova L.V. Korrelyacionnyj analiz vnutrigodovogo raspredeleniya stoka rek regiona [Correlation analysis of the intra-annual distribution of regional river runoff]. Izvestiya KGTU. 2012. No. 26, pp. 40-46.
5. Velikanov N.L., Naumov V.A., Markova L.V., Smirnova L.V. Rezul'taty naturnyh issledovanij malyh vodotokov na meliorirovannyh zemlyah regiona [Results of field studies of small
watercourses on the reclaimed lands of the region]. Voda: himiya, ehkologiya. 2013. No. 7, pp. 1826.
6. Bernikova T.A., Nagornova N.N., Cupikova N.A. Nekotorye rezul'taty gidrologicheskogo issledovaniya vodotokov Kaliningradskoj oblasti [Some results of a hydrological study of watercourses in the Kaliningrad region]. IzvestiyaKGTU. 2014. No. 32, pp. 74-84.
7. Naumov V.A., Ahmedova N.R Inzhenernye izyskaniya v bassejne reki Pregoli: monografiya [Engineering surveys in the Pregel basin: monograph]. Kaliningrad: Izd-vo FGBOU VO «KGTU», 2017. 183 p.
8. Gosudarstvennyj vodnyj reestr: reka Nel'ma [State Water Registry: Nelma River]. [Electronic resource]. URL: http://textual.ru/gvr/index.php?card=149633 (access date: 01.10.2018).
9. Gidrologicheskij ezhegodnik 1964 goda. T. 1. Bassejn Baltijskogo morya [Hydrological Yearbook 1964. Part. 1. The Baltic Sea basin]. Edit. D.I. Abrajtene. V. 5, 6. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1966. 264 p.
10. Avtomatizirovannaya informacionnaya sistema gosudarstvennogo monitoringa vodnyh ob"ektov [Automated information system of state monitoring of water bodies]. [Electronic resource]. URL: https://gmvo.skniivh.ru/ (access date: 10.02.2019).
11. Mnogoletnie dannye o rezhime i resursah poverhnostnyh vod sushi. CH.1. Reki i kanaly. T.1. RSFSR. Vyp.4. Bassejny rek Kaliningradskoj oblasti [Long-term data on the regime and resources of surface land waters. Part 1. Rivers and canals. V.1. RSFSR. Issue 4. River basins of the Kaliningrad region] / Edit. N.V. SHablieva. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1988. 88 p.
12. Ovcharov V.E., Zaharovskaya N.N., Proshlyakov I.V. i dr. Praktikum po gidrologii, gidrometrii i regulirovaniyu stoka: uchebnoe posobie [Workshop on hydrology, hydrometry and flow regulation: study guide]. Moscow: Agropromizdat, 1988. 224 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Наумов Владимир Аркадьевич Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, действительный член Российской инженерной академии, действительный член Российской академии естественных наук, E-mail: [email protected]
Naumov Vladimir Arkad'evich Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, Chairman of The Water Resources Department, Doctor of Technical Science, Professor, Member of Russian Engineering Academy, Member of Russian Academy of Natural Science, E-mail: [email protected]
Сысоева Полина Сергеевна Калининградский государственный технический университет, г. Калининград, Россия, студент магистратуры направления «Прироообустройство и водопользование», E-mail: [email protected]
Sysoeva Polina Sergeevna Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia, The master's student of direction «Environmental engineering and water management», E-mail: [email protected]
http://vestnik-
;-nauki.ru
ISSN 2413-9858
Ходоркова Валентина Михайловна Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, г. Калининград, Россия, старший преподаватель кафедры машиноведения и технических систем, E-mail: [email protected]
Khodorkova Valentina Mihajlovna Immanuel Kant Baltic Federal University, Kaliningrad, Russia, senior lecturer, Department of mechanical engineering and technical systems, E-mail: [email protected]
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 236022, Россия, Калининград, Советский пр., 1, КГТУ, ГУК, каб. 372. Наумов В.А.
8(4012)99-53-37
