CC BY
23НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология № 1 2018
УДК 37.27.51
Доктор геогр. наук Р.И. Гальперин 1 PhD Д М. Бурлибаева 2
Ж.А. Жанабаева 1
МАКСИМАЛЬНЫЕ УРОВНИ И РАСХОДЫ ВОДЫ РЕКИ СЫРДАРИЯ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Ключевые слова: максимальные расходы воды, максимальные уровни воды, восстановление рядов
В данной статье приведены результаты расчетов максимальных расходов и уровней воды р. Сырдария различной обеспеченности (1 %, 3 %, 5 %, 10 %), сведения о восстановленных рядах максимальных расходов воды, уравнениях регрессии, коэффициентах корреляции и створах-аналогах в современных условиях.
В связи с изменением климата и постоянно меняющейся антропогенной нагрузкой на водные объекты на юге и юго-востоке Казахстана для получения гидрологических характеристик, отражающих современную ситуацию, целесообразно проведение анализа многолетнего хода максимального стока. В частности, это необходимо для выбора репрезентативного периода для оценки параметров распределения характеристик максимального стока.
В условиях устойчиво меняющего климата и увеличивающейся антропогенной нагрузки на водные ресурсы, ранняя часть гидрологических рядов многолетних наблюдений не отражают современных характеристик максимального стока, а их использование приведет к искажению расчетных значений, закона распределения. В некоторых случаях целесообразно ограничение расчетного периода [3].
По иследуемым речным бассейнам ряды максимальных расходов и уровней воды к единому расчетному периоду не приводились.
К территории Казахстана относится нижнее течение р. Сырдарии. Створы наблюдения: р. Сырдария - выше устья р. Келес, р. Сырдария -ни^жний бьеф Шардаринского вдхр., р. Сырдария - ур. Коктобе,
1 КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан;
2 Институт географии, г. Алматы, Казахстан.
р. Сырдария - пгт. Тасбугет, р. Сырдария - п. Жосалы, р. Сырдария -раз. Кергельмес, р. Сырдария - ж.-д. ст. Караозек, р. Сырдария -с. Каратерень. В современных условиях сток реки искажен крупными и мелкими водохранилищами.
В ходе анализа графиков скользящих 5-летних значений максимальных расходов воды в створе р. Сырдария - нижний бьеф Шардарин-ского вдхр. (рис. 1) наблюдается очевидное снижение стока от начала до середины 70-х годов. В десятилетие 1974... 1983 гг. они были сравнительно низкими, в последующее десятилетие 1984.1994 гг. - явный рост, а затем в последний период - снова некоторое уменьшение.
Ь и V, I"4 и гг, \г, г-- с, —I '.г. ["- С\ •—' ■"Л
О |> Г- 00 СО 00 00 00 С\ С^ С^. С\ О О О О О Г? —I
С\ Оч С\ С\ С\ ОС^О, С\С^СГ\С\ООООООо
—н I—11-н*—II—II—II—II—II—I I—I >—I 1—I 1—I оЦ гЧ г| с-1 П
0 Г-'| 4 'О М О Л -!+ 'О 00 О Л 4 » о 4 ^ «
1 Г- I- Г- 1 00 СО 00 ОЭ 00 О, С\ С\ ©N04 О О О О О а, ф, с-, о, с^ с^. с-. С4, с-, с . о о о о о
1—I 1—I 1—I ч—I 1—I т—I 1—I 1—I 1—I 1—I <— Н Н Н гН г| Г) г( СЧ
Год
Рис. 1. График скользящих 5-летних средних максимальных расходов воды в створе р. Сырдария ни^жнии бьеф Шардаринского вдхр. за период
1970...2013 гг.
Рост максимального стока с начала 1990 годов, видимо, объясняется переходом работы водохранилищ в верхнем течении реки на энергетический режим эксплуатации. Это серьезно нарушило естественный гидрологический режим реки. Так, объем стока зимнего периода, составил в среднем около 2/3 годового, тогда как ранее он составлял менее 50 % от него. По нижерасположенным постам ход Qmax может быть несколько иным [2].
В различных районах южного и юго-восточного Казахстана многолетние тенденции стока могут быть неодинаковы.
Для максимальной выработки электроэнергии на ГЭС в зимние месяцы осуществляются попуски из водохранилища равные по своей величине максимальным расходам весеннего половодья, что в несколько раз выше зимних расходов при естественном гидрологическом режиме.
Створ р. Сырдария - г. Казалинск замыкает водосборную площадь реки. В бассейне реки на территории Казахстана ведется активная хозяйственная деятельность, исходя из этого совершенно очевидно, что ряд не-
однороден. Высокие максимумы стока в 1929...1950-е годы постепенно очень существенно снизились к середине 1970-х гг., а с 1990-х гг. максимальные расходы воды несколько увеличились (рис. 2).
Ртах- М • <•'
2200 Г 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
Сл О "Г, О VI С1 Г- М Г1 Г М О с| г м г- п
ЛП ^ Т^ ЧГ, ОГ, '-О '-О I- ЬООИС^^ООН
22инниииннии2н2?1ПМ
С\ О «А о I- сд г'- Г1 г'- Л |' Л !-- г'| г' с\ г
I—I 1—I гп т ^ VI чо 'о г- г со оо о\ о-*, о о
О4, О\ О. С\ 0\ С~\ С4, С-. С-, О4. О", С\ С"-, С4! О О
Год
Рис. 2. График скользящих 5-летних максимальных расходов воды р.
Сырдария - ж.д. ст. Тюмень-Арык за период с 1914... 2013 годы.
В целом логично заключить, что статистические характеристики максимальных расходов воды р. Сырдарии во всех створах целесообразно определять за последний период - 1989.2013 гг. - с начала прохождения относительно высоких расходов воды в реке.
Существуют две причины нестационарности максимального стока: это - климатические изменения и антропогенная деятельность на водосборе, в руслах рек. В настоящее время из всего комплекса антропогенных факторов, влияющих на естественный режим рек, основным является безвозвратное потребление воды на орошение. В связи с отсутствием достаточных сведений о заборах воды изменения, связанные с хозяйственной деятельностью, трудно учесть.
В связи со сложной динамикой режимных характеристик реки, актуальна постановка вопроса о расчетном периоде для оценки экстремальных расходов и уровней воды, характеризующих именно современную ситуацию: с современными расходами воды и при современной пропускной способности русла.
В связи с наличием пропусков наблюдений были восстановлены ряды максимального стока рек. Исходными материалами послужили данные наблюдений сети РГП «Казгидромет» - сведения, опубликованные в кадастровых материалах: «Гидрологических ежегодниках», «Основных гидрологических характеристиках», «Многолетних данных о режиме и ресурсах поверхностных вод суши», «Ресурсах поверхностных вод» по районам исследования [2, 4, 5, 6].
Неполнота рядов наблюдений ограничивает возможности использования метода аналогии. В частности реконструкция рядов Qmax по корреляционным зависимостям, а также их приведения к длительному или к единому общему расчетному периоду.
Территориальное распределение пунктов наблюдений в бассейне р. Сырдарии неравномерное. Наиболее полную длительность наблюдений имеют створы: ж.-д. ст. Тюмень-Арык и г. Казалинск. Эти ряды наблюдений были использованы в качестве створов-аналогов при восстановлении пропусков в других створах.
Кроме того, восстановление максимальных расходов воды в ряде случаев производились с использованием связей со среднегодовыми величинами расходов воды и средними расходами воды за период вегетации.
Ниже приводится характеристика выведенного уравнения, примененных для реконструкции некоторых рядов максимальных расходов воды, в частности по годовому и вегетационному стоку: р. Сырдария - г. Ка-залинск: Qmax = 1,^еегет +129; при г = 0,75.
Максимальные расходы в створах, расположенных в нижнем течении р. Сырдария - с. Коктобе, пгт. Тасбогет, раз. Кергельмес и ж.-д. ст. Караозек были реконструированы с использованием ряда наблюдений по створу ж.-д. ст. Тюмень-Арык, коэффициент корреляции г = 0,89. Полученные уравнения регрессии, с помощью которых восстанавливались пропуски в наблюдениях, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Восстановленные ряды максимальных расходов воды, уравнения регрессии, коэффициенты корреляции и створы-аналоги
Период наблюдения
Уравнение регрессии
Я
Восстановленные годы
р. Сырдария - пгт. Тасбугет (р. Сырдария - ж.-д. ст. Тюмень-Арык)
1989-1995, Qmax = 1^ах " 341 0,85 1996...2001 2002.2013
р. Сырдария - п. Жосалы (р. Сырдария - ж.-д. ст. Тюмень-Арык)
1989.1993, Q = 07^ - 236 0,82 1994.2007, 2011
-^тах ' ¿^тах
2008.2010, 2012.2013
р. Сырдария - раз. Кергельмес (р. Сырдария - ж.-д. ст. Тюмень-Арык)
1989.1991, Q = 08^ - 8 54 0,81 1992.1993, 1996,
г^тах ' г^тах '
1994.1995, 1999
1997.1998,
2000.2013
Период наблюдения
Уравнение регрессии
Я
Восстановленные годы
О = 0,820 + 301 0,89
-^шах ' -^шах
1995.1999
р. Сырдария - уч. Коктобе (р. Сырдария - ж.-д. ст. Тюмень-Арык)
1989.1994, 2000.2013
р. Сырдария - ж.-д. 1989.1993, 1995.1997, 2000, 2003, 2006.2013
р. Сырдария -1995, 2000.2013
ст. Караозек (р. Сырдария - ж.-д. ст. Тюмень-Арык)
О = 0 920 -266 0,84 1994, 1998.2000,
шах шах
2001.2002, 2004.2005
р. Сырдария
1995, 2000.2013
с. Каратерень (р. Сырдария - раз. Кергельмес) Ошах = 0,520шах +118 0,72 199°-1991, 1994 с. Каратерень (р. Сырдария - пгт. Тасбугет) О = 1620 - 236 0,83 1992-1993, 1996
шах шах
Примечание: *Река - створ (створ - аналог).
Оценка параметров распределения максимальных расходов и уровней воды р. Сырдарии. Обеспеченные величины максимального стока р. Сырдарии были определены по кривым обеспеченности стока, построенным по значениям нормы и вариации максимального стока, установленным по данным многолетних наблюдений. Коэффициент асимметрии определен по степени соответствия данных наблюденной теоритической кривой обеспеченности.
Характеристики максимального стока чувствительны к влиянию хозяйственной деятельности, особенно к функционированию крупных водохранилищ. Ряды в таких случаях неоднородны. Ряды наблюдений максимальных расходов и максимальных уровней воды Сырдарии были разделены на периоды «до» и «после» создания водохранилищ.
Теоретическая кривая максимальных расходов и уровней воды редко описывают весь диапазон значений этих характеристик. Верхняя и нижняя части ранжированного ряда подчиняются разным законам распределения. Для практических целей требуются лишь высшие значения максимальных расходов и уровней воды [1]. Поэтому в большинстве случаев использованы усеченные распределения. Графоаналитический метод Г.А. Алексеева [7] применен лишь к части распределения, когда используются значения двух опорных ординат, снятых с эмпирической кривой, а коэффициент асимметрии назначается методом подбора. На рис. 3 представлено сравнение двух вариантов кривой обеспеченности максимальных уровней воды в створе р. Сырдария - г. Казалинск.
О иЛс 1000 |—
400 -
800
"00
600
500
400
3000.01 0,1 1 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 99 Р "о 99.9 99.99
Рис. 3. Кривые обеспеченности максимальных уровней воды (над «0 поста») в створе р. Сырдария - г. Казалинск за 1989... 2013 гг. 1 - полное распределение, 2 - усеченное распределение.
Первая кривая характеризует полное распределение при использовании для ее построения параметров, рассчитанных по полному ряду согласно стандартной методике. При неплохом соответствии кривой эмпирическим точкам все три самых низких значения уровня оказались ниже её, а все три самых высоких - выше. Вторая кривая характеризует усеченное распределение, только для относительно высоких уровней, при С = -0,20. По первой кривой И1% = 770 см, по второй 812 см. Использование полного распределения занизило бы расчетный уровень почти на 0,5 м.
По данным НИИ проблем экологии КазНУ угроза наводнений в нижнем течении Сырдарии практически ежегодная, и Коксарайский контррегулятор эту опасность полностью не исключает. Актуален вопрос о количественной оценке основных поражающих факторов наводнений. Гидрологическая ситуация здесь очень изменчива во времени, в том числе в связи с изменением пропускной способности сечения реки. Адекватная оценка этих количественных характеристик должна отражать именно сегодняшнюю ситуацию.
Анализ многолетнего хода максимальных расходов воды, а также временной изменчивости кривых 0 = /(Н) позволил сделать вывод о
целесообразности назначения расчетного периода 1989.2013 гг.. Для максимальных уровней в створе Нижний бьеф Шардаринского водохранилища, где пропускная способность сечения реки особенно изменчива, выбираем расчетный период 1996.2013 гг.
г
На этой основе рассчитаны характеристики Qmax и Нтах редкой
повторяемости в трех створах. По данным Института «Казгидпроводхоз» в частности, по створу Нижний бьеф Шардаринского водохранилища максимальный расход воды повторяемостью раз в 100 лет может несколько превосходить 1800 м3/с (что близко к проектному значению максимального сброса с плотины), по створу ж. д. ст. Тюмень-Арык - 1300 м3/с, в створе г. Казалинск - 900 м3/с. По расчетным данным авторов расход воды редкой повторяемости (Р1%) в створе Нижний бьеф Шардаринского водохранилища составил 1810 м3/с, в створе ж. д. ст. Тюмень-Арык - 1340 м3/с, в створе г. Казалинск - 935 м3/с. При сравнении данных Института «Каз-гипроводхоз» и расчетных характеристик авторов можно сделать вывод, что расходы воды 1 %-ой обеспеченности в обоих случаях различаются незначительно. Однако наши расчетные значения несколько выше значений Института «Казгипроводхоз». Расчетные характеристики максимальных расходов и уровней воды по ряду створов приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Расчетные характеристики максимальных расходов воды р. Сырдарии, м3/с
Распределение
-с 2 км Период Метод С, обеспеченности, Qmax м3/с
1 3 5 10
Сырдария - выше устья р. Келес
170 000 1989. .2013 Полный ряд 1,64 2710 2325 2140 1890
Сырдария - нижний бьеф Шардаринского вдхр.
174 000 1989. .2013 Усеченный, 60 % 0,00 1810 1665 1590 1477
Сырдария -уч Коктобе
174 000 1989. .2013 Полный ряд -0,39 1320 1250 1220 1160
Сырдария - ж.-д. ст. Тюмень-Арык
219 000 1989. .2013 Усеченный, 50 % 0,00 1340 1240 1180 1095
Сырдария - пгт. Тасбугет
219 000 1989. .2013 Усеченный, 60 % 0,00 1200 1090 1025 930
Сырдария - п. Жосалы
219 000 1990. .2013 Усеченный, 60 % 1,00 735 645 600 540
Сырдария - раз. Кергельмес
219 000 1989. .2013 Усеченный, 60 % 2,00 1465 1251 1150 1012
Сырдария - ж.-д. ст. Караозек
219 000 1989. .2013 Усеченный, 60 % 0,00 927 817 760 678
Сырдария - с. Каратерень
219 000 1989. .2013 Усеченный, 50 % 3,00 1107 900 797 672
Сырдария - г. Казалинск
1989. .2013 Полный ряд 0,42 935 836 785 710
Таблица 3
Расчетные характеристики максимальных уровней воды р. Сырдарии, см
-с 2 км Период 9 о на м СБ е 2 я Е тв, ооя Ц а а Метод С8 Распределение обеспеченности, Н шах см
л ^ о И Е 1 3 5 10
174 000 Сырдария - нижний бьеф Шардаринского вдхр. 1996.2013 225 Усеченный ряд, 0,00 969 932 913 888
50 %
Сырдария - ж.-д. ст. Тюмень-Арык
219 000 1996.2013 154 Полный ряд 0,87 876 816 787 744
Сырдария - г. Казалинск
1996.2013 60 Усеченный ряд, 50 % -0,20 812 780 763 737
Полученные результаты могут быть использованы при разработке
превентивных мер для защиты территорий от высоких вод, наводнений.
Также данные могут быть использованы проектными институтами при
планировании и проектировании различных водохозяйственных сооружений и установок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гальперин Р.И. Использование усеченных кривых распределения для расчета максимальных уровней воды в реках // Вестник КазНУ. Серия Географическая. - 1999. - №8-9. - С. 109-111.
2. Гальперин Р.И., Белгожаева А.А. Максимальные уровни воды в нижнем течении Сырдарьи // Гидрометеорология и экология. - 2006. - №4. - С. 41-52.
3. Гальперин Р.И., Жанабаева Ж. А. К оценке экстремальных гидрологических характеристик в нижнем течении Сырдарии // Вопросы географии и геоэкологии. - 2016. - №2. - С. 3-11.
4. Государственный водный кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. 1989-2013 гг. Том 5, выпуск 3.
5. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. 2002. Том 5. Выпуск 3. Бассейны рек Сырдарьи, Чу, Талас.
6. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 14. Средняя Азия. Выпуск 1. Бассейн реки Сыр-Дарьи. - Л.: Гидрометеороиздат, 1969. - 439 с.
7. Шелутко В.А. Численные методы прогнозов в гидрологии. - Л.: Гид-рометеоиздат, 1991. - 238 с.
Поступила 30.03.2018
Геогр. гылымд. докторы [Р.И. Гальперин PhD Д.М. Бурлибаева
Ж.А. Жанабаева
ЗАМАНАУИ ШАРТТАРДАГЫ СЫРДАРИЯ ЭЗЕНШЩ ЕЦ ЖОГАРЫ СУ ДЕЦГЕЙ1 МЕН ЭТШДЕР1
Тушн свздер: ец жогары су ет1мщер^ ец жогары су децгейлер^ ^атарларды ^алпына келтiру.
Аталган мацалада цаз1р замангы шарттардагы цамтамасыздыгы эртурл1 1 %, 3 %, 5 %, 10 % Сырдария озетнщ ец жогары су emÎMdepi мен су децгейлерт есептеу нэтижелер1, ец жогары су emiMdepiH цалпына келтiру, регрессия тецдеулерi, корреляцяи коэффициенттерi жэне аналог-тустамалар жайында ацпараттар келтiрiлген.
Galperin R.I.|, БигНЬауеуа D.M., Zhanabayeva Zh.A.
MAXIMUM WATER LEVELS AND WATER DISCHARGES OF THE SYRDARY RIVER IN MODERN CONDITIONS
Key words: maximum water discharge, maximum water levels, restoration of data series
In this article are presents the results of calculations of the maximum water discharges and water levels of the Syrdarya river of various (1 %, 3 %, 5 %, 10 %) probability of exceedance, information on the restored data series of maximum water discharges, regression equations, correlation coefficients and analogues-stations in modern conditions.
