CC BY
26
УДК 556.535.3
DOI: 10.18384/2310-7189-2019-4-17-24
быстрый способ расчета максимальных в году расходов воды редкой повторяемости для управления водно-экологическими рисками на реках примагаданья
Ушаков М. В.
Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт имени Н. А. Шило Дальневосточного отделения Российской академии наук 685000, г. Магадан, ул. Портовая, д. 16, Российская Федерация
Аннотация. В статье представлен опыт разработки быстрого и удобного способа определения максимальных в году расходов воды редкой повторяемости для неизученных рек Примагаданья. Автором использованы данные многолетних наблюдений за стоком рек на 9-ти гидрологических постах Гидрометеослужбы. В ходе исследования сделана попытка выявления закономерных связей максимальных в году расходов воды различной обеспеченности с площадью водосбора и виртуальным объемом водосборной котловины. По результатам проведенного исследования получены уравнения связи годовых максимумов стока редкой повторяемости с площадью водосбора. Связи с виртуальным объемом водосборной котловины оказались не столь высоки. Предложенный способ в среднем дает ошибку в 16-18 %, что сопоставимо с ошибками измерений расходов воды в периоды высоких половодий и паводков. Быстрый и удобный способ вычисления годовых максимумов стока будет полезен при картировании зон затопления при наводнениях различной обеспеченности, а также при проектировании гидротехнических сооружений (защитных дамб, плотин, мостовых переходов и др.).
Ключевые слова: город Магадан, речной сток, годовой максимум стока (для реки), площадь водосбора, водосборная котловина
fast method for calculating the maximal annual expenditures of water of rare periodicity for managing water and ecological risks in rivers of the primagadan area
M. Ushakov
North-East Interdisciplinary Scientific Research Institute of the Far East Branch
of the Russian Academy of Sciences
ul. Portovaya 16, 685000 Magadan, Russian Federation
Abstract. We report the experience of developing a fast and convenient way of determining the maximum annual expenditures of the water flow of rare periodicity for the unexplored rivers of the Primagadan area. Use is made of the data of long-term observations of the river flow at 9 hydrologi-cal observation points of the Hydrometeorological Service. The correlations of the maximum annual water flows of various probability with the catchment area and the virtual volume of the catchment basin are presented. As a result of the study, the equations for the connection of the annual maxima of the runoff of rare frequency with the catchment area are obtained. Relations with the virtual volume of the catchment basin turn to be worse. The proposed method on average gives an error of 16-18%, which is comparable with the measurement errors of water flow during periods of high
© CC BY Ушаков М. В., 2019.
floods. A quick and convenient method for calculating annual flow maxima will be useful when mapping flood zones during floods of various probability, as well as in designing hydraulic structures (protective dams, dams, bridge crossings, etc.).
Keywords: Magadan city, river runoff, annual maximum runoff (for a river), catchment area, catchment basin
Введение
Вопрос определения расчетных гидрологических характеристик на неизученных реках остается актуальным, особенно на слабоизученной территории Северо-Востока России. Выводом районных формул для рек Магаданской области посвящен ряд работ [2; 6; 7; 8; 9; 13].
В 2014 г. в г. Магадане прошел дождевой паводок, вызвавш й наводнение. В связи с этим встал вопрос построения карт зон затопления города и его окрестностей при наводненияхзаданной повторяемости, а для эт го необхо имы формулы, позволяющие рассчитывать максимальные в году расходыводы различной обеспеченности в любом створе неизученной реки.
Цель настоящей работысостоола в разработке быстрого и удобного способа определения максималахыхв годурзсхо-дов воды редкой повторяемости д я неизученных рек Примагаданья.
Под Примагаданьем понимается территория муниципального образования «Город Магадан», которое включает в себя помимо самого города поселки Снежный, Снежная Долина, Дукча, Сокол, аэропорт Магадан1. Реки рассматриваемого района расположены в зоне прерывиетаго рвсо пространения многолетнемерзлых грунтов [3]. Прерывистость и мощность мерзлоты контролируется двума фопхороми: климатическим (температура воздуха, величина атмосферных есадкоа, отом числе в виде снега) и фильараваоаоымд свойствами приповерхностных отложений и их мощностью.Еслипосоохпая
1 См.: Паспорт муниципального образования «город Магадан», утв. Главой гор. округа 01.01.2016 г. // Правительство Магаданской области [сайт]. - URL: https://www.49gov.ru/common/upload/1/editor/file/ Gorod_Magadan.pdf (дата обращения 01.02.2019 г.)
превышает глубину сезонного промерзания, то мощность многолетнемерзлых пород, при прочих равных условиях, сокращается, возникает сквозной талик [4].
Сток рек внутри года распределен неравномерно. В период май-октябрь протекает основная масса воды (94-98%). Из-за значительных уклонов и наличия многолетней мерзлоты на реках формируются большие м ксимумы стока. Для рек характерно ежегодное прохождение весеннего половодья, дождевые паводки навоюдаютсяхиюае-октяе]то [°].
Для определения максимальных расходов воды весеннего половодья и до-жаевыспавохвсе от аситучеоныр реках рекомендуется использовать региональные расчетные формулы. Так, для опре-делеохя оадсимальных рвсхорра равен весеннего половодья и дождевых павод-кое то реизрнорсега реояххвоолрзуются следующие формулы2:
ар% = (К0Нр%Мр% Л88,82)/(А + А)" (1) др% = #2ОО(200/ А)"Ж283Лр% А (2)
вр% = рН1%ЗАр%А (3)
Региональныепараметрыв формулах (1-3), определяются по местной сети гидрологических постов, изучающих сток. Надо заметить, что работа по расчету этих параметров очень трудоемка и сложна даже для специалистов. В настоящей же статье предлагается быстрый способ определения максимальных в году расходов воды различной обеспеченности.
2 Свод правил по проектированию и строительству [СП 33-101-2003]: Определение основных расчетных гидрологических характеристик (одобрен для применения Пост. Госстроя РФ № 218 от 26 дек. 2003 г.)
Vjay
Таблица 1
Сведения о гидрологических постах Колымского управления гидрометеослужбы
Название поста Площадь водосбора, км2 Виртуальный объем водосборной котловины, км3 Годы наблюдений за стоком
начало окончание
р. Уптар - п. Уптар 265 65 1975 действует
р. Дукча -п. Снежная Долина 119 42,5 1981 действует
р. Дукча - устье 330 101 1961 Действует
р. Магаданка - г. Магадан 48,5 16,9 1972 Действует
р. Магаданка - устье р. Каменушки 74,7 30,2 1958 1971
р. Магаданка - мост Колымского шоссе 155 52,9 1947 1957
р. Каменушка -в 8 км от устья 40,3 8,98 1977 Действует
р. Каменушка -в 3,3 км выше плотины 58,8 16 1958 1976
руч. Спутник - устье 2,25 0,64 1958 1975
руч. Солнечный - устье 3,57 1,02 1971 1987
Исходные материалы и метод исследования
В работе были использованы данные многолетних наблюдений за стоком рек Примагаданья (табл. 1), которые были взяты из ежегодников Государственного водного кадастра1. Исходные ряды максимальных в году расходов воды были приведены к многолетнему периоду.
Во второй половине XX в. зафиксирован процесс глобального потепления климата, который продолжается и сейчас [1; 12], а это отражается и на гидрологическом режиме рек, в том числе и на максимальном стоке [10]. Поэтому в данной работе уделено внимание на наличие трендов в рядах годовых максимумов.
Все ряды максимальных расходов воды по среднему однородны (критерий Стью-дента с уровнем значимости 5%), за исключением ряда по гидрологическому посту
1 Многолетние данные о режиме и ресурсах поверх-
ностных вод суши. Ч. 1. Реки и каналы. Т. I: РСФСР. Вып. 17: Бассейн Колымы и рек Магаданской об-
ласти. Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
р. Магаданка - г. Магадан (рис. 1а). Однако, если исключить статистический выброс - катастрофический паводок 2014 г., то ряд имеет стационарный вид (рис. 1б). Было принято решение не элиминировать тренд, а принять этот выброс рядовым членом ряда, который просто увеличил дисперсию и отношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации.
Оценка статистических параметров рядов максимальных расходов воды по опорной сети производилось методом моментов с введением соответствующих поправок. Кривые обеспеченности расходов воды строились с использованием трехпараметрических кривых Крицкого и Менкеля [5].
В качестве характеристики размеров водосбора помимо его площади использован показатель «виртуальный объем водосборной котловины»:
W = 0,001(Н - ОД (4)
где Н - средняя высота водосбора над уровнем моря, м; к - отметка меженного уровня реки или отметка нуля гидроло-
Прим.: пунктиром проведена линия тренда
Рис. 1. Многолетние колебания максимальных в году расходов воды на р. Магаданке у г. Магадана при полном ряде (а) и при исключении выброса 2014 г. (б)
гического поста в замыкающем створе над уровнем моря, м; Р - площадь водосбора, км2.
Этот показатель был успешно использован ранее при подсчете водных ресурсов Примагаданья [11].
Графические построения и вычисление параметров уравнений регрессии
производилось при помощи табличного редактора М1сто$ор;Ехсе1.
2. Результаты и их обсуждение
По рядам максимальных в году расходов воды были рассчитаны квантили от 0,1 до 5% (табл. 2). Пост на р. Уптаре оставлен для проверки на независимом материале.
Таблица 2
Максимальные в году расходы воды различной обеспеченности
Название поста Обеспеченность, %
0,1 0,5 1 5
р. Дукча - п. Снежная Долина 163 134 111 76,7
р. Дукча - устье 309 254 211 145
р. Магаданка - г. Магадан 92 69,7 56,9 36,0
р. Магаданка - устье р. Каменушки 89,9 71,2 58,5 37,2
р. Магаданка - мост Колымского шоссе 275 195 158 96,5
р. Каменушка - в 8 км от устья 49,4 35,9 30,7 21,1
р. Каменушка - в 3,3 км выше плотины 75,8 56,5 45,8 29,1
руч. Спутник - устье 2,13 1,76 1,47 0,93
руч. Солнечный - устье 3,42 2,55 2,06 1,29
На рис. 2 приведены графики связи квантилей максимальных в году расходов воды с площадью водосбора А:
1 = -2,70 • 10-3 А2 + 1,86А - 1,99, коэффициент детерминации Д2=0,970, (5)
= -1,74 • 10-3 А2 + 1,36А - 1,28, Я2=0,984, (б)
= -1,39 • 10-3 А2 + 1,11А - 0,99, Я2=0,986, (7)
= -0,75 • 10-3 А2 + 0,70А - 0,53, Я2=0,991. (8)
и
ч о ш
ч о
X
(С й.
350 300 250 200 150 100 50 0
—- 0,1 %
о ^ ^ 0,5 %
ь1 %
/ Л / X х 5%
/ ^ / —- * _ - ♦
V />1 ГмУ\Я. л > -
100 200 300
Площадь водосбора, км2
400
Рис. 2. Кривые связи максимальных расходов воды в году различной обеспеченности
с площадью водосбора
Параболический вид связей свидетельствует о том, что размеры водосбора увеличиваются быстрее, чем речной сток. С возрастанием размеров водосбора снижаются уклоны местности, увеличивается путь движения воды до замыкающего створа, появляются замкнутые бессточные понижения, что в итоге приводит к увеличению потерь стока на испарение.
Подключение виртуального объема водосборной котловины, рассчитываемого по формуле (4), в качестве альтернативного аргумента не улучшило качество определения максимальных расходов
Ошибки вычисленных значений расходов воды сопоставимы с точностью их измерения, которая в периоды высокой водности может достигать 10%. К тому же нужно иметь в виду, что годовые максимумы стока подразделениями Росгидромета зачастую определяются путем экстраполяции кривой связи расходов и уровней воды, ибо не всегда удается измерить пик половодья или дождевого паводка.
воды. Это можно объяснить тем, что, в отличие от минимального стока, максимальный сток в условиях криолитозоны мало зависит от емкости бассейна грунтовых вод, то есть большее значение имеет площадь с которой формируется сток.
По полученным формулам (5-8) можно рассчитывать максимальные в году расходы воды различной обеспеченности в любом неизученном створе реки. Средняя относительная ошибка (табл. 3) предлагаемого способа по определению максимальных в году расходов воды обеспеченностью 1% составляет 17,6%.
Заключение
В результате проведенной работы были получен быстрый и удобный способ определения максимальных в году расходов воды на неизученных реках Примагаданья редкой повторяемости. Осредненные по всем гидрологическим постам относительные ошибки лежат в пределах 16-18%, максимальная ошибка составила 31%.
Таблица 3
Проверочные расчеты максимальных в году расходов воды обеспеченностью 1%
Река - пункт Ошибка
по натурным данным по формуле абсолютная, м3/с относительная, %
р. Уптар - п. Уптар 111 108 -3 -2,3
р. Дукча - п. Снежная Долина 211 216 5 2,3
р. Дукча - устье 56,9 47,8 -9,1 -16,1
р. Магаданка - г. Магадан 58,5 71,8 13,3 22,7
р. Магаданка - устье р. Каменушки 158 135 -23 -14,8
р. Магаданка - мост Колымского шоссе 30,7 39,9 9,2 29,9
р. Каменушка - в 8 км от устья 45,8 57,4 11,6 25,3
р. Каменушка - в 3,3 км выше плотины 1,47 1,20 -0,27 -18,3
руч. Спутник - устье 2,06 2,60 0,54 26,4
руч. Солнечный - устье 111 108 -3 -2,3
\22J
Предложенный способ будет полезен при картировании зон затопления при наводнениях различной вероятности превышения, а также при проектировании ги-
дротехнических сооружений (защитных дамб, плотин, мостовых переходов и др.).
Статья поступила в редакцию 17.07.2019
ЛИТЕРАТУРА
1. Белолипецкий П. В., Барцев С. И., Дегерменджи А. Г. Гипотеза о двойном скачкообразном изменении климата в XX веке // Доклады Академии наук. 2015. Т. 460. № 1. С. 79-83.
2. Гарцман И. Н., Рябчикова Т. К. О распределении средних многолетних годовых осадков и стока по территории Верхней Колымы и Северного побережья Охотского моря. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 240 с.
3. Геокриология СССР. Восточная Сибирь и Дальний Восток / Под ред. Э. Д. Ершова. М.: Недра, 1989. 515 с.
4. Глотов В. Е., Глотова Л. П., Ушаков М. В. Влияние климата на минимальный зимний сток рек Тауйского экорегиона // Вестник Северо-Восточного научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2018. № 3. С. 36-42.
5. Крицкий С. Н., Менкель М. Ф. Гидрологические основы управления водохозяйственными системами. М.: Наука, 1982. 271 с.
6. Левин А. Г. Некоторые особенности условий формирования стока на Крайнем Северо-Востоке СССР // Тез. докл. III Всесоюзного гидрологического съезда. Секция расчетов и прогнозов стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1957. С. 32-55.
7. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 448 с.
8. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 19. Северо-Восток. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 282 с.
9. Ушаков М. В. Методика расчета минимальных летне-осенних расходов воды рек Примагада-нья // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Естественные науки. 2017. Вып. 38. № (253). С. 141-148.
10. Ушаков М. В. Расчет минимальных 30-суточных расходов воды малых рек Магаданской области за летне-осенний период // Вестник Северо-Восточного научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2013. № 3. С. 45-47.
11. Ушаков М. В. Схема расчета ресурсов речных вод Примагаданья в условиях меняющегося климата // Использование и охрана природных ресурсов в России. 2018. № 3 (155). С. 76-79.
12. Gartsman B. I., Lupakov S. Yu. Effect of Climate Changes on the Maximal Runoff in the Amur Basin: Estimation Based on Dynamic-Stochastic Simulation // Water Resources. 2017. Vol. 44 (5). P. 697-706.
13. Lobanov S. A., Ushakov M. V. The river water resources of the Magadan region and their long-term variability // Geography and natural resources. 2008. Vol. 29. № 3. Р. 247-250.
REFERENCES
1. Belolipetskii P., Bartsev S., Degermendzhi A. [The hypothesis of double abrupt climate change in the XX century]. In: Doklady Akademii nauk [Reports of the Academy of Sciences], 2015, vol. 460, no. 1, pp. 79-83.
2. Gartsman I., Ryabchikova T. O raspredelenii srednikh mnogoletnikh godovykh osadkov i stoka po terri-torii Verkhnei Kolymy isevernogopoberezh'ya Okhotskogo morya [On the distribution of the long-term average annual precipitation and runoff throughout the Upper Kolyma and Northern Okhotsk sea coast]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1972. 240 p.
3. Ershov E., ed. Geokriologiya SSSR. Vostochnaya Sibir' i Dalnii Vostok [Geocryology of the USSR. Eastern Siberia and the far East]. Moscow, Nedra Publ., 1989. 515 p.
4. Glotov V., Glotova L., Ushakov M. [Climate impact on the minimum winter flows of Tauisk eco-region rivers]. In: Vestnik Severo-Vostochnogo nauchnogo centra Dalnevostochnogo otdeleniya Rossijskoj akademii nauk [Bulletin of the Scientific Center of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences], 2018, no. 3, pp. 36-42.
5. Kritskii S., Menkel' M. Gidrologicheskie osnovy upravleniya vodokhozyaistvennymi sistemami [Hydro-logical bases of water management systems]. Moscow, Nauka Publ., 1982. 271 p.
6. Levin A. [Some features of the conditions of runoff formation in the Extreme North-East of the USSR]. In: Tez. dokl. III Vsesoyuznogo gidrologicheskogo s"ezda. Sektsiya raschetov iprognozov stoka [Abstracts of III all-Union hydrological Congress. Section calculations and predictions of the flow]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1957, pp. 32-55.
7. Posobie po opredeleniyu raschetnykh gidrologicheskikh kharakteristik [Manual on determination of design hydrological characteristics]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1984. 448 p.
8. Resursypoverkhnostnykh vodSSSR. T. 19. Severo-Vostok [Surface water resources of the USSR. Vol. 19. Northeast]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1969. 282 p.
9. Ushakov M. [The method of calculation of the minimum summer-autumn water flow of the Magadan rivers]. In: Nauchnye VedomostiBelgorodskogogosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye nau-ki [Belgorod State University Scientific Bulletin, Natural Sciences], 2017, iss. 38, no. (253), pp. 141-148.
10. Ushakov M. [The calculation of the minimum 30-day discharges of the small rivers of the Magadan region in the summer-autumn period]. In: Vestnik Severo-Vostochnogo nauchnogo centra Dalnevostochnogo otdeleniya Rossijskoj akademii nauk [Bulletin of the Scientific Center of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences], 2013, no. 3, pp. 45-47.
11. Ushakov M. [The scheme of calculation of resources of river waters of Magadan in a changing climate]. In: Ispol'zovanie i okhrana prirodnykh resursov v Rossii [Use and protection of natural resources in Russia], 2018, no. 3 (155), pp. 76-79.
12. Gartsman B., Lupakov S. Effect of Climate Changes on the Maximal Runoff in the Amur Basin: Estimation Based on Dynamic-Stochastic Simulation. In: Water Resources, 2017, vol. 44 (5), pp. 697-706.
13. Lobanov S., Ushakov M. The river water resources of the Magadan region and their long-term variability. In: Geography and natural resources, 2008, vol. 29, no. 3, pp. 247-250.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Ушаков Михаил Вилорьевич - кандидат географических наук, старший научный сотрудник лаборатории региональной геологии и геофизики Северо-Восточного комплексного научно-исследовательского института им. Н. А. Шило Дальневосточного отделения Российской академии наук; e-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Michael V. Ushakov - PhD in Geographical Sciences, senior researcher at the Laboratory of Regional Geology and Geophysics of North-East Interdisciplinary Scientific Research Institute, Far East Branch of the Russian Academy of Sciences; e-mail: [email protected]
ПРАВИЛЬНАЯ ССЫЛКА НА СТАТЬЮ
Ушаков М. В. Быстрый способ расчета максимальных в году расходов воды рек Примагаданья редкой повторяемости // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. 2019. № 4. С. 17-24. DOI: 10.18384/2310-7189-2019-4-17-24
FOR CITATION
UshakBv M. Fast Method for Calculating the Maximal Annual Expenditures of Water of Rare Periodicity for Managing Water and Ecological Risks in Rivers of the Primagadan Area. In: Bulletin of the Moscow Regional State University, Series: Natural Sciences, 2019, no. 4, pp. 17-24. DOI: 10.18384/2310-7189-2019-4-17-24
