CC BY
71
УДК 556.535 73
ББК 26.222
М.В. Ушаков
формулы для расчета голового стока неизученных рек ПРИМАГАДАНЬЯ
Муниципальное образование «Город Магадан» (Примагаданье), несмотря на наличие трех водохранилищ, в очень маловодные годы испытывает дефицит воды. По мере развития производительных сил и роста населения проблемы с обеспечением водой будут обостряться. В обозримом будущем для водоснабжения Примагаданья потребуется создание новых водохранилищ. Поэтому была поставлена цель получить районные формулы для вычисления годового стока различной обеспеченности в любом неизученном створе реки рассматриваемой территории. По данным о стоке на восьми гидрологических постах были установлены статистические связи модуля годового стока со средним уклоном водосбора (коэффициент детерминации 0,705) и стандартного отклонения с площадью водосбора (коэффициент детерминации 0,968). Точность предложенной расчетной схемы для маловодных лет вероятностью превышения 99% составляет 16,5%.
Ключевые слова:
годовой сток, коэффициент вариации, расход воды, стандартное отклонение, уклон водосбора.
Ушаков М.В. Формулы для расчета годового стока неизученных рек Примагаданья // Общество. Среда. Развитие. - 2019, № 2. -С. 73-76.
© Ушаков Михаил Вилорьевич - кандидат географическоих наук, старший научный сотрудник, Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт им. Н.А. Шило Дальневосточного отделения Российской академии наук, Магадан; e-mail: mvilorich@narod.ru
В данной работе под Примагаданьем понимается муниципальное образование «Город Магадан», включающее в себя сам Магадан, шесть близлежащих поселков и аэропорт «Магадан»; расположение - на побережье Тауйской губы, в северной части Охотского моря, на перешейке, соединяющем полуостров Старицкого с материком и имеющем выход в бухты Нагаева и Гертнера. Площадь составляет 1240 км2, население - 99 000 человек [7].
Реки Примагаданья служат для обеспечения водой населения и предприятий. Несмотря на то, что здесь функционирует три водохранилища, в отдельные годы муниципальное образование «Город Магадан» испытывает дефицит воды [11]. По мере роста населения и экономики проблемы с водоснабжением Примагаданья будут усиливаться. В связи с этим встанет вопрос создания новых водохранилищ. А для этого потребуется грамотный выбор рек и мест возведения плотин.
В данной работе ставится цель получить районные формулы для вычисления годового стока различной обеспеченности в любом неизученном створе реки рассматриваемой территории. Для этого потребуется по данным гидрологических постов рассчитать параметры кривых обеспеченности годового стока, а затем построить связи этих параметров с гид-
роморфометрическими характеристиками водосборов.
Вопросы вывода районных формул для определения годового стока различной обеспеченности на неизученных реках Северного побережья Охотского моря рассматривались в [2; 14] . Однако с тех пор накоплен новый материал по стоку, к тому же на планете идет процесс изменения климата [17]. А климатические изменения приводят и к изменениям гидрологического режима рек [12; 15; 16].
Для Примагаданья характерен холодный климат и прерывистое распространение многолетней мерзлоты [3; 9]. Внутригодовое распределение стока рек крайне неравномерно. В теплую часть года (май-октябрь) протекает основная масса воды (94-98%) [8]. На реках ежегодно формируется высокое снеговое или снегодождевое половодье. Волна половодья нередко сливается с последующими дождевыми паводками. Дождевые паводки проходят в период июнь-сентябрь, иногда и в первой половине октября. Наименьшие расходы воды в реках за период открытого русла могут наблюдаться в любой летний месяц, преимущественно во второй половине лета и перед появлением на реке осенних ледовых явлений. Продолжительность летних меженных периодов, как правило, невелика. Устойчивая зимняя межень наблюдается с ноября по апрель.
о
74 Таблица 1
Параметры кривых обеспеченности среднегодовых расходов воды рек Примагаданья
Река - пункт Площадь водосбора, км2 Среднемноголетний годовой расход, м3/с а, м3/с С V C /С s v
за 19581986 гг. за 19872016 гг.
р. Дукча - п. Снежная Долина 119,0 2,68 3,10 0,98 0,34 2,5
р. Дукча - устье 330,0 5,54 6,11 1,62 0,28 1,5
р. Магаданка - г. Магадан 48,5 1,06 1,25 0,31 0,27 2,0
р. Магаданка - устье р. Каменушки 74,7 1,45 1,73 0,46 0,29 2,0
р. Магаданка - мост Колымского шоссе 155,0 2,75 3,02 0,86 0,31 1,5
р. Каменушка - в 8 км от устья 40,3 0,74 0,84 0,23 0,29 1,0
р. Каменушка - в 3,3 км выше плотины 58,8 0,99 1,15 0,36 0,34 0,5
р. Уптар - п. Уптар 265,0 4,17 4,66 1,37 0,31 4,0
Примечание: о - среднеквадратичное отклонение; Су - коэффициент вариации; С - коэффициент асимметрии.
О
3
ю О
Исходные материалы и методы
В работе использованы данные о годовом стоке рек Примагаданья на восьми гидрологических постах (табл. 1). Данные о стоке взяты из [6] и Гидрологических ежегодников Государственного водного кадастра за 1981-2016 гг. Восстановление пропусков в наблюдениях, а также удлинение рядов производилось методом гидрологической аналогии [10].
Расчет параметров кривых обеспеченности рядов годового стока производился методом моментов с введением соответствующих поправок. Отношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации (С5/Сц) определялось по наилучшему соответствию эмпирической и теоретической кривой распределения с применением критерия согласия гем2 [13]. В качестве теоретической кривой обеспеченности использовалась трехпара-метрическая кривая Крицкого-Менкеля [5]. Среднее по району исследования отношение С5 /Су = 2. Все стоковые ряды однородны по дисперсии (критерий Фишера), однако имеются тренды на увеличение стока (критерий Стьюдента). По этой причине для дальнейшего анализа были взяты среднемноголет-ние расходы воды, рассчитанные за последний 30-летний период (1987-2016 гг.).
Увеличение речного стока связано с климатическими изменениями. По хронологическим графикам скользящих 30-летних средних модуля годового стока, годовой суммы атмосферных осадков и среднегодовой температуры воздуха в г. Магадане можно видеть, как со временем менялись «нормы» (рис. 1). Так, например, увеличение суммы осадков и речного стока за год началось с «нормы», рассчитанной за период 1977-2006 гг., а рост температуры начался еще раньше.
-2Л ■22 2.4 -2j6 28 ЗЛ 32 3.4 3.6
7-
/
1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 6)
590
| 580
т 570 2
i 560
0 550
1 540 z
Q 530 520
Г
2015 2020
19.0
18,5
g 18.0
[J 17,5 о
о 17.0
£ 16,5
2 16.0
15,5 • 1985
/
л* i
А
V v 1 г ^
2005 2010 2015 2020
Рис. 1. Многолетний ход 30-летних скользящих средних температуры воздуха (а), годовой суммы осадков (б) в г. Магадане и модуля годового стока р. Дукчи в устье (в). По оси абсцисс - годы окончания 30-летних периодов осреднения.
Построение связей параметров кривых распределения с гидроморфометрически-ми характеристиками водосборов производилось при помощи табличного редактора Excel Microsoft.
Для среднеквадратичного отклонения получена следующая формула (рис. 3)
ст =-8,604 -10-6 Л2 + 7,94-10-3 Л - 2,28-10-3,
К2 = 0,968 (3)
где А - площадь водосбора, км2.
Результаты и их обсуждение
Для получения районных формул определения расчетных гидрологических характеристик обычно используют статистические связи этих параметров с гидро-морфометрическими характеристиками водосбора [1].
Для рек Примагаданья получена приемлемая связь нормы модуля годового стока со средним уклоном водосбора (рис .2)
М = 0,097/ + 2,13, К2 = 0,705, (1)
где I - средний уклон водосбора, %о; К2 - коэффициент детерминации.
Площадь водосбора,
Рис. 3. Связь стандартного отклонения рядов годового стока с площадью водосбора.
Связи стандартного отклонения с площадью водосбора успешно применял А.М. Комлев в работе [4].
Криволинейная связь на рис. 2 объясняется следующим. Чем больше величина речного бассейна, тем больше проявляется его роль как регулятора стока. В пределах большого бассейна разнообразнее количество и режим поступления талых и дождевых вод. Увеличение типов подстилающей поверхности приводит к пространственному разнообразию режима испарения. Возрастание глубины вреза речных русел увеличивает долю подземного стока. По этим причи-
Таблица2
Точность определения среднегодового расходы воды обеспеченностью 99% (Cs /Cv = 2)
Рис. 2. Связь модуля годового стока рек Примагаданья со средним уклоном водосбора
Связь величины стока с уклоном водосбора вполне понятна - чем быстрее вода стекает в речную сеть, тем меньше потери на инфильтрацию и эвапотранспирацию.
Переход от модуля стока к среднегодовому расходу воды осуществляется по известной формуле
2 = МЛ/1000 , (2)
Река - пункт Средний уклон водосбора, %е Q *, м3/с с * ^ м3/с ^ м3/с Относительная ошибка, %
р. Дукча - п. Снежная Долина 231 2,92 0,28 1,37 1,19 13,1
р. Дукча - устье 198 7,04 0,24 3,74 2,86 23,5
р. Магаданка - г. Магадан 239 1,23 0,30 0,54 0,58 -7,4
р. Магаданка - устье р. Каменушки 196 1,58 0,34 0,61 0,73 -19,7
р. Магаданка - мост Колымского шоссе 183 3,08 0,33 1,22 1,28 -4,9
р. Каменушка - в 8 км от устья 192 0,84 0,36 0,3 0,38 -26,7
р. Каменушка - в 3,3 км выше плотины 167 1,08 0,40 0,33 0,44 -33,3
р. Уптар - п. Уптар 165 4,81 0,31 2,03 1,97 3,0
Примечания: 2 * - среднемноголетний расход воды, вычисленный по формулам (1) и (2); 0у - коэф- Р фициент вариации, вычисленный по формулам (3) и (4); 0,9* - среднегодовой расход, обеспеченностью 99 %, вычисленный по параметрам (*, 0у*, С!/Су; (99 - среднегодовой расход, обеспеченнос- д. тью 99 %, вычисленный по натурным данным. ^
О
76
о
3
ю О
Заключение
нам рост стандартного отклонения за- О точности предложенной схемы мож-
медляется по мере увеличения площади но судить по табл. 2, где произведены
водосбора. расчеты расходов воды очень маловод-
Коэффициент вариации определяется ного года редкой повторяемости (обеспе-
по формуле ченностью 99%). Средняя относительная
, ,-> 1Л\ ошибка составляет 16,5%, максималь-
=ст 'M' (4) ная - 33,3%.
где о, M определяются по формулам (1), (3).
Напомним, что среднее по району от- „
1 ' В результате проведенного исследо-
ношение Cs /Cv = 2. »л.
„ s . v . вания получены районные формулы для
Таким образом, для любого неизучен- 7 1 т 1 7
определения годового стока различной ного створа реки Примагаданья по трех- Г1 1
обеспеченности на неизученных створах параметрической кривой Крицкого-Мен- „ „ 7 1
r r r г рек Примагаданья. В качестве аргументов
келя можно определять среднегодовые
в формулах послужили средний уклон и
расходы воды различной обеспеченности.
площадь водосбора. Точность предложен-
Переход от среднегодового расходов воды
ной схемы для маловодных лет обеспечен-
к величине годового стока производится
г ностью 99% составляет 16,5%. Формулы
по формуле
будут полезны при выборе мест создания W = 31,542 млн м3. (5) новых водохранилищ.
Список литературы:
[1] Владимиров А.М. Гидрологические расчеты. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 365 с.
[2] Гарцман И.Н., Рябчикова Т.К. О распределении средних многолетних годовых осадков и стока по территории Верхней Колымы и северного побережья Охотского моря // Тр. ДВНИГМИ. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 240 с.
[3] Геокриология СССР. Восточная Сибирь и Дальний Восток / Под ред. Э.Д. Ершова. - М.: Недра, 1989. - 515 с.
[4] Комлев А.М. Закономерности формирования и методы расчетов речного стока. - Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2002. - 163 с.
[5] Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы управления водохозяйственными системами. - М.: Наука, 1982. - 271 с.
[6] Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Т. I, вып. 17. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 429 с.
[7] Паспорт Муниципального образования «Город Магадан». - Интернет-ресурс, Режим доступа: https:// www.49gov.ru/common/upload/1/editor/file/Gorod_Magadan.pdf, (09.02.2019)
[8] Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 19. Северо-Восток. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 282 с.
[9] Север Дальнего Востока / Под ред. Н.А. Шило. - М.: Наука, 1970. - 487 с.
[10] СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. - М.: Госстрой России, 2004. - 74 с.
[11] Ушаков М.В. Гидрометеорологические аспекты рационального использования водных ресурсов Магаданской области // Тезисы докладов Региональной научной конференции «Северо-Восток России: прошлое, настоящее, будущее». - Магадан: Изд-во Администрации Магаданской области, 1998. - С. 240-241.
[12] Ушаков М.В., Лебедева Л.С. Климатические изменения режима формирования притока воды в Колымское водохранилище // Научные Ведомости БелГУ. Естественные науки. Вып. 37. - 2016, № 25(246). - С. 120-127.
[13] Шелутко В.А. Методы обработки и анализа гидрологической информации. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2007. - 192 с.
[14] Lobanov S.A., Ushakov M.V. The river water resources of the Magadan region and their long-term variability // Geography and natural resources. Vol. 29. - 2008, № 3. - P. 247-250.
[15] Meleshko V.P., Kattsov V.M., Baidin A.V., Pavlova T.V., Govorkova V.A. Expected Change of Hydrologic Cycle in Northern Eurasia due to Disappearance of Multiyear Sea Ice in the Arctic Ocean // Russian Meteorology and Hydrology. Vol. 41. - 2016, № 11-12. - P. 735-746.
[16] Mikhailova V.N., Mikhailova M.V. Natural and Anthropogenic Long-Term Variations of Water Runoff and Suspended Sediment Load in the Huanghe River // Water Resources. Vol. 44. - 2017, № 6. - P. 793-807.
[17] WMO Statement on the status of the global climate in 2015. WMO-No 1167. - Geneva: Publications Board World Meteorological Organization, 2016. - 28 p.
