CC BY
19УДК 556.5
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ НА НЕИЗУЧЕННЫХ РЕКАХ БАССЕЙНА РЕКИ АНАДЫРЬ
Ушаков М. В.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Северо-Восточный комплексный научно-исследовательский институт им. Н. А. Шило Дальневосточного отделения Российской академии наук, Магадан, Россия
E-mail: mvilorich@narod.ru
Для безопасного пропуска весеннего половодья и рационального использования водных ресурсов в практике гидрологических расчетов необходимо определение расчетных характеристик весеннего половодья. Цель настоящей работы: получить методику для определения слоя стока и максимальных расходов воды за период весеннего половодья различной обеспеченности на неизученных реках в бассейне р. Анадыря. Исследуемый район крайне плохо изучен в гидрологическом отношении. В ходе исследования выявлены хорошие статистические связи характеристик весеннего половодья с площадью водосбора. На основе этих связей для неизученных рек Анадырского бассейна получены простые расчетные формулы для определения слоев стока и максимальных расходов воды за период весеннего половодья различной обеспеченности. Средняя относительная ошибка расчета слоев стока составила 10,7 %, а ошибка определения максимумов — 11,5 %.
Ключевые слова: весеннее половодье, слой стока, расход воды, кривая обеспеченность
ВВЕДЕНИЕ
Для снижения гидроэкологических рисков, связанных с прохождением весеннего половодья необходимы надежные и простые методики гидрологических расчетов. В задачах расчетов характеристик речного стока важное место занимает определение слоя стока и максимальных расходов воды за период весеннего половодья различной обеспеченности на неизученных реках.
Объект исследования — бассейн р. Анадыря.
Предмет исследования — слой стока и максимальные расходы воды за период весеннего половодья.
Цель настоящей работы: получить расчетные формулы для определения слоя стока и максимальных расходов воды за период весеннего половодья различной обеспеченности на неизученных реках бассейна р. Анадыря.
Река Анадырь является крупнейшим водотоком Чукотского автономного округа, ее длина составляет 1150 км, площадь водосбора — 191 000 км2 [1]. Реки бассейна имеют судоходное и рыболовное значение, речные воды могут рассматриваться как гидроэнергетический ресурс. Характерной особенностью водосбора является суровый климат, широкое распространение многолетней мерзлоты [2; 3; 4].
За июнь июнь-сентябрь протекает основная масса воды (94-99%) [1]. В зимние месяцы сток незначителен. На реках ежегодно формируется высокое весеннее половодья, формирующееся главным образом талыми водами. В среднем за год наблюдается от одного до четырех дождевых паводков. Наименьшие расходы
241
наблюдаются преимущественно во второй половине лета и осенью. Минимальные зимние расходы наблюдаются в апреле — начале мая.
Рассматриваемый район в гидрологическом отношении крайне плохо изучен, как по плотности сети, так и по продолжительности наблюдений [5]. Регулярные наблюдения за речным стоком в бассейне р. Анадыря велись всего лишь в течении 10-39 лет. В 1997 г. из-за экономического кризиса в стране наблюдения, к великому сожалению, были прекращены.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Многолетние наблюдения за стоком в бассейне р. Анадыря велись на 11 гидрологических постах Колымского УГМС. На пяти гидростворах измерения расходов воды производилось аэрометодом [6]. Ряды слоев стока за период весеннего половодья были выписаны из [7] и Гидрологических ежегодников Государственного водного кадастра. Пропуски в рядах восстанавливались методом гидрологической аналогии.
Статистические параметры рядов определялись методом моментов с введением соответствующих поправок на смещенность оценок [8]. Однородность рядов проверялась по критериям Стьюдента и Фишера с уровнем значимости 5%. Для аналитической аппроксимации эмпирических кривых обеспеченности использовалось трехпараметрическое гамма-распределение Крицкого и Менкеля [9]. Соотношение коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации определялось по наилучшему соответствию эмпирической и теоретической кривых обеспеченности с использование критерия пю2 [10].
Таблица 1.
Статистические параметры рядов слоев стока за период весеннего половодья
Река - пункт Площадь водосбора, км2 Длина ряда, лет Среднее, мм С С/С г(1)
1 2 3 4 5 6 7
р. Анадырь-с. Ламутское 16 400 39 161 0,3 2,5 0,01
р. Анадырь-пос. Новый Еропол 47 300 39 177 0,31 2,5 0,01
р. Анадырь-с. Снежное 106 000 39 191 0,26 1,5 0,01
р. Анадырь - в 3,0 км выше устья р. Утесики 156 000 11 164 0,29 0 0
р. Еропол-с. Чуванское (6,0 км ниже) 8 360 10 183 0,35 0 0,03
242
Продолжение таблицы 1.
1 2 3 4 5 6 7
р. Куйвивеем-с. Чуванское 523 27 235 0,25 0 0,01
р. Майн-с. Ваеги 18 600 12 162 0,2 3,5 0
руч. Совхозный-с. Снежное 13,2 29 282 0,4 4 0,02
р. Энмываам-гм.ст. Эньмувеем 11 400 32 165 0,39 2 0
р. Танюрер - гм.ст. Танюрер 18 500 9 212 0,44 1 0
р. Ягодный - пос. Тамватней 12,1 12 286 0,28 1 0
Примечания: С — коэффициент вариации; — коэффициент асимметрии: г (1) —
коэффициент корреляции смежных лет.
Таблица 2.
Статистические параметры рядов максимальных расходов весеннего половодья
Река - пункт Площадь водосбора, км2 Длина ряда, лет Среднее, м3/с Су С/С г(1)
р. Анадырь - с. Ламутское 16 400 13 2 080 0,40 0 0
р. Анадырь - пос. Новый Еропол 47 300 39 5 980 0,27 2 0
р. Анадырь - с. Снежное 106 000 36 6 930 0,21 1 0,01
р. Анадырь - в 3,0 км выше устья р. Утесики 156 000 14 9 930 0,27 0 0
р. Еропол- с. Чуванское (6,0 км ниже) 8 360 13 1 150 0,43 5 0,08
р. Куйвивеем-с. Чуванское 523 27 178 0,42 1,5 0
р. Майн-с. Ваеги 18 600 16 2 140 0,27 3 0
руч. Совхозный-с. Снежное 13,2 32 6,17 0,38 1,5 0
р. Энмываам-гм.ст. Эньмувеем 11 400 33 1 750 0,40 2 0
р. Танрер -гм.ст. Танюрер 18 500 33 2 870 0,28 0 0,05
р. Ягодный-пос. Тамватней 12,1 13 5,81 0,23 2,5 0
243
Нормативный документ [8] для определения расчетных характеристик половодья на неизученных реках рекомендует пользоваться громоздкими формулами с эмпирическими коэффициентами, определяемыми по опорной гидрологической сети, что крайне неудобно. К тому же слой стока за половодья в бассейне р. Анадыря невозможно интерполировать из-за отсутствия какой-либо закономерности в пространственном распределении.
Поэтому в данной работе отыскивались связи статистических параметров весеннего половодья с морфометрическими характеристиками водосборов (площадь, средняя высота, средний уклон бассейна, средний и средневзвешенный уклоны реки).
Расчет и построение кривых обеспеченности производились при помощи пакета компьютерных программ Hydrocal, разработанной автором, когда он еще работал в Колымском УГМС.
Корреляционные связи строились в табличном редакторе Microsoft Excel.
РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ И ИХ ТОЧНОСТЬ
Слой стока за период половодья обеспеченностью 1% хорошо связан десятичным логарифмом площади водосбора (рис. 1)
H1% = 626 - 67,3lg( A + 1) , r = 0,89, (1)
Hi% — слой стока за период половодья обеспеченностью 1%, мм; A — площадь водосбора, км2; r — коэффициент корреляции.
|0(А+1)
244
Рис. 1. Редукция слоя стока за период весеннего половодья обеспеченностью 1% (#1%) по площади водосбора (А).
Редукция модуля и слоя стока давно известна [11] и объяснена. Для перехода от слоя стока обеспеченностью 1% (#1%) к слоям стока других вероятностей превышения (Нр%) можно воспользоваться средними по водосбору переходными коэффициентами (последняя строка в табл. 3).
Таблица 3.
Коэффициенты перехода Хр% от Hi% к Нр%
Река - пункт Вероятность превышения P, %
0,1 0,5 1 3 5 10 25
р. Анадырь - с. Ламутское 1,22 1,07 1,00 0,89 0,83 0,75 0,64
р. Анадырь - пос. Новый Еропол 1,23 1,07 1,00 0,88 0,83 0,74 0,62
р. Анадырь - с. Снежное 1,16 1,05 1,00 0,91 0,87 0,80 0,69
р. Анадырь - в 3,0 км выше устья р. Утесики 1,12 1,05 1,00 0,92 0,88 0,81 0,71
р. Еропол - с. Чуванское (6,0 км ниже) 1,14 1,05 1,00 0,92 0,87 0,71 0,68
р. Куйвивеем - с. Чуванское 1,11 1,04 1,00 0,93 0,89 0,82 0,73
р. Майн - с. Ваеги 1,15 1,04 1,00 0,92 0,88 0,82 0,73
руч. Совхозный - с. Снежное 1,42 1,13 1,00 0,84 0,76 0,65 0,52
р. Энмываам -гм.ст. Эньмувеем 1,24 1,07 1,00 0,87 0,81 0,72 0,58
р. Танюрер - гм.ст. Танюрер 1,15 1,05 1,00 0,91 0,86 0,78 0,64
р. Ягодный - пос. Тамватней 1,15 1,05 1,00 0,91 0,87 0,81 0,69
Среднее по водосбору 1,19 1,06 1,00 0,90 0,85 0,77 0,66
Средняя относительная ошибка расчета слоя стока за период весеннего половодья вероятностью превышения 1% составляет 10,7 % (табл. 4).
Надо заметить, что связи характеристик стока с размерами водосбора успешно использовались в работах [12, 13].
Максимальные расходы воды весеннего половодья тоже хорошо связаны с площадью водосбора (рис. 2)
= 0,3361^ А + 1) + 0,889, г = 0,997. (2)
245
Таблица 4.
Сравнение расчетных слоев стока обеспеченностью 1 % со слоями, определенными
по натурным данным
Река - пункт Слой стока #1%, мм Ошибка, мм Относительная ошибка, %
по натурным данным по формуле (1)
р. Анадырь - с. Ламутское 299 342 43 14,5
р. Анадырь - пос. Новый Еропол 338 311 -27 -7,9
р. Анадырь - с. Снежное 323 288 -35 -10,9
р. Анадырь - в 3,0 км выше устья р. Утесики 279 277 -2 -0,9
р. Еропол - с. Чуванское (6,0 км ниже) 334 362 28 8,4
р. Куйвивеем - с. Чуванское 377 443 66 17,5
р. Майн - с. Ваеги 298 339 41 13,6
руч. Совхозный - с. Снежное 651 548 -103 -15,8
р. Энмываам - гм.ст. Эньмувеем 348 353 5 1,4
р. Танрер - гм. ст. Танюрер 404 339 -65 -16,1
р. Ягодный - пос. Тамватней 498 551 53 10,6
246
Рис. 2. Связь максимальных расходов воды весеннего половодья с площадью водосбора.
Преобразовав уравнение (2), получаем расчетную формулу
а% - (0,3361§( А +1) + 0,889)10.
(3)
О точности формулы (3) можно судить по табл. 5, средняя относительная ошибка составила 11,5%.
Таблица 5.
Сравнение расчетных максимальных расходов воды обеспеченностью 1% с расходами, определенными по натурным данным
Река - пункт Расход воды Ql%, м3/с Ошибка, м3/с Относительная ошибка, %
по натурным данным по формуле (3)
1 2 3 4 5
р. Анадырь -с. Ламутское 3 880 4 222 342 16,5
р. Анадырь -пос. Новый Еропол 10 400 8 080 -2 320 -22,3
р. Анадырь -с. Снежное 10 500 12 897 2 397 22,8
247
Продолжение таблицы 5.
1 2 3 4 5
р. Анадырь - в 3,0 км выше устья р. Утесики 16 100 16 013 -87 -0,5
р. Еропол - с. Чуванское (6,0 км ниже) 2 900 2 730 -170 -5,8
р. Куйвивеем -с. Чуванское 386 361 -25 -6,5
р. Майн - с. Ваеги 3 840 4 571 731 19,0
руч. Совхозный -с. Снежное 12,6 11,4 -1,2 -9,4
р. Энмываам -гм.ст. Эньмувеем 3 780 3 345 -435 -11,5
р. Танрер -гм.ст. Танюрер 4 690 4 555 -135 -2,9
р. Ягодный -пос. Тамватней 9,55 10,4 0,85 8,9
Для перехода от расхода обеспеченностью 1 % (01%) к расходам других вероятностей превышения (0р%) также были рассчитаны средние по водосбору
коэффициентами (последняя строка в табл. 6).
Таблица 6.
_Коэффициенты перехода от 01% к _
Река - пункт Вероятность превышения P, %
0,1 0,5 1 3 5 10 25
1 2 3 4 5 6 7 8
р. Анадырь -с. Ламутское 1,22 1,07 1,00 0,89 0,83 0,75 0,64
р. Анадырь - пос. Новый Еропол 1,23 1,07 1,00 0,88 0,83 0,74 0,62
р. Анадырь - с. Снежное 1,16 1,05 1,00 0,91 0,87 0,80 0,69
р. Анадырь - в 3,0 км выше устья р. Утесики 1,12 1,05 1,00 0,92 0,88 0,81 0,71
р. Еропол - с. Чуванское (6,0 км ниже) 1,14 1,05 1,00 0,92 0,87 0,71 0,68
р. Куйвивеем -с. Чуванское 1,11 1,04 1,00 0,93 0,89 0,82 0,73
р. Майн - с. Ваеги 1,15 1,04 1,00 0,92 0,88 0,82 0,73
248
Продолжение таблицы 6.
руч. Совхозный -с. Снежное 1,42 1,13 1,00 0,84 0,76 0,65 0,52
р. Энмываам -гм.ст. Эньмувеем 1,24 1,07 1,00 0,87 0,81 0,72 0,58
р. Танюрер -гм.ст. Танюрер 1,15 1,05 1,00 0,91 0,86 0,78 0,64
р. Ягодный -пос. Тамватней 1,15 1,05 1,00 0,91 0,87 0,81 0,69
Среднее по водосбору 1,19 1,06 1,00 0,90 0,85 0,77 0,66
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выявлены тесные статистические связи характеристик весеннего половодья с площадью водосбора. На основе этих связей для неизученных рек бассейна р. Анадыря получены расчетные формулы для определения слоев стока и максимальных расходов воды за период весеннего половодья различной обеспеченности.
Верификация полученной методики показала, что средняя относительная ошибка расчета слоев стока составила 10,7%, а ошибка определения максимумов — 11,5%.
Список литературы
1. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 19. Северо-Восток. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 282 с.
2. Калабин А.И. Вечная мерзлота и гидрогеология Северо-Востока СССР // Труды ВНИИ-1. Том 18. Магадан: Изд-во Магаданского научно-исследовательского института золота и редких металлов (ВНИИ-1), 1960. 469 с.
3. Север Дальнего Востока / под ред. Н. А. Шило. М.: Наука, 1970. 487 с.
4. Геокриология СССР Восточная Сибирь и Дальний Восток / ред. Э.Д. Ершов. М.: Недра, 1989. 516 с.
5. Ушаков М. В. О сокращении стационарной гидрологической сети на Северо-Востоке России / Экологические проблемы северных регионов и пути их решения: Тезисы докладов VII Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 75-летию со дня рождения доктора биологических наук, профессора В. В. Никонова (Апатиты, 16-22 июня 2019 г). С. 172-173.
6. Лучшева А. А. Практическая гидрометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 423 с.
7. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Т. I, вып. 17. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 429 с.
8. Свод правил 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. М.: Госстрой России, 2004. 74 с.
9. Крицкий С. Н., Менкель М. Ф. Расчеты речного стока. Л.: Госстройиздат, 1934. 259 с.
10. Шелутко В. А. Численные методы в гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 239 с.
11. Соколовский Д. Л. Речной сток. Гидрометеоиздат, 1959. 527 с.
12. Комлев А. М. Закономерности формирования и методы расчетов речного стока. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2002, 163 с.
13. Ушаков М. В. Формулы для расчета годового стока неизученных рек Примагаданья // Общество. Среда. Развитие. 2019. № 2. С. 73-76.
249
METHODOLOGY FOR CALCULATION OF SPRING FLOOR CHARACTERISTICS ON UNSTUDIED RIVERS OF THE ANADYR RIVER BASIN Ushakov M. V
North-East Interdisciplinary Scientific Research Institute N. A. Shilo, Far East Branch, Russian Academy of Sciences
E-mail: mvilorich@narod.ru
To reduce the hydroecological risks associated with the passage of the spring flood, reliable and simple methods of hydrological calculations are necessary. In the tasks of calculating the characteristics of river flow, an important place is occupied by determining the flow layer and the maximum water consumption during the spring flood of various security on unexplored rivers.
For safe passage of spring floods and rational use of water resources in the practice of hydrological calculations, it is necessary to determine the design characteristics of spring floods. The purpose of this work is to obtain a methodology for determining the runoff layer and maximum water discharge for the period of spring floods of various probabilities of exceeding on unexplored rivers in the Anadyr river basin. The area under study is extremely poorly studied hydrologically. The study revealed good statistical relationships between the characteristics of spring floods and the catchment area. On the basis of these relationships for the unexplored rivers of the Anadyr basin, simple calculation formulas were obtained to determine the runoff layers and the maximum water discharge for the period of spring floods of various probability of exceeding. The average relative error in calculating runoff layers was 10.7%, and the error in determining the maximums was 11.5%.
Close statistical relationships between the characteristics of the spring flood and the catchment area are revealed. On the basis of these relationships, for unexplored rivers of the Anadyr River basin, calculation formulas for determining runoff layers and maximum water flow rates for the period of spring high water of various availability are obtained. Keywords: spring flood, runoff layer, water discharge, excess probability curve.
References
1. Resursy poverhnostnyh vod SSSR. Tom 19. Severo-Vostok (Resources of surface waters of the USSR. vol. 19. Northeast). Leningrad: Gidrometeoizdat (Publ.), 1969. 282 p. (in Russian).
2. Kalabin A. I. Vechnaja merzlota i gidrogeologija Severo-Vostoka SSSR (Permafrost and hydrogeology of the North-East of the USSR), Proceedings of VNII-1. vol. 18. Magadan: Publishing House of the Magadan Research Institute of Gold and Rare Metals (VNII-1), 1960. 469 p. (in Russian).
3. Sever Dal'nego Vostoka (North of the Far East). Ed. N.A. Shilo. Moscow: Nauka (Publ.), 1970. 487 p. (in Russian).
4. Geokriologija SSSR. Vostochnaja Sibir' i Dal'nij Vostok (Geocryology of the USSR. Eastern Siberia and the Far East). Ed. Je.D. Ershov. Moscow: Nedra (Publ.), 1989. 516 p. (in Russian).
5. Ushakov M. V. On the reduction of the stationary hydrological network in the North-East of Russia, in Jekologicheskie problemy severnyh regionov i puti ih reshenija (Environmental problems of the northern
250
regions and ways to solve them). VII All-Russian Conf. For professor V. V. Nikonov 75 anniversary. Apatity, 2019, pp. 172-173.
6. Luchsheva A. A. Prakticheskaja gidrometrija (Practical hydrometry). Leningrad: Gidrometeoizdat (Publ.), 1983. 423 p. (in Russian).
7. Mnogoletnie dannye o rezhime I resursah poverhnostnyh vod [Long-term data on the regime and resources of surface waters. vol. I, ussue 17. Leningrad: Gidrometeoizdat (Publ.), 1985. 429 p. (in Russian).
8. Svod pravil 33-101-2003. Opredelenie osnovnyh raschetnyh gidrologicheskih harakteristik (Code of Practice 33-101-2003. Determination of the main calculated hydrological characteristic). Moscow: Gosstroj Rossii, 2004. 74 p. (in Russian).
9. Krickij S. N., Menkel' M. F. Raschety rechnogo stoka (River flow calculations). Leningrad: Gosstrojizdat (Publ.), 1934. 259 p. (in Russian).
10. SHelutko V. A. CHislennye metody v gidrologii (Numerical methods in hydrology). Leningrad: Gidrometeoizdat (Publ.), 1991. 239 p. (in Russian).
11. Sokolovskij D.L. Rechnoj stok (River runoff). Leningrad: Gidrometeoizdat (Publ.), 1959. 527 p. (in Russian).
12. Komlev A. M. Zakonomernosti formirovaniya i metody raschetov rechnogo stoka (Regularities of formation and methods of calculating river flow). Perm': Izd-vo Perm. un-ta, 2002, 163 p. (in Russian).
13. Ushakov M. V. Formuly dlya rascheta godovogo stoka neizuchennyh rek Primagadan'ya (Formulas for calculating the annual runoff of unexplored rivers of Primagadanya). Obshchestvo. Sreda. Razvitie. 2019, no. 2, pp. 73-76. (in Russian).
Поступила в редакцию 08.12.2020
251
