CC BY
24
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 532.574.27 и в КАРНАЦЕВИЧ
Омский государственный аграрный университет Омский государственный педагогический университет
О точности
СОВРЕМЕННОЙ РЕЧНОЙ ГИДРОМЕТРИИ В АСПЕКТЕ СОЗДАНИЯ ВОДНОГО МОНИТОРИНГА В БАССЕЙНЕ ИРТЫША
В статье проводится критический анализ проблемы точности изменений расходов воды в Иртыше. Предлагается использовать для гидрометрических работ два прибора, созданных автором.
В 2002-2003 гг. коллектив научных работников Омского государственного аграрного университета принимал участие в международном проекте ШШБ, целью которого была рекогносцировка гидрометеорологического обеспечения проектируемого мониторинга водных ресурсов и водозаборов в бассейне реки Иртыша от границы Казахстана с Китаем до створа с. Красноярка Омской области. Основой такого мониторинга, то есть контроля поступлений и изъятий воды из рек бассейна, должны стать массовые данные режимных измерений уровней и расходов воды, а также локальных сбросов воды в русла рек и расходы водозаборов. Если частные балансы будут со временем приблизительно вязаться, станет возможным определить такие неизмеряемые вели-
чины, как суммарное испарение с поверхности водосборов, местный поверхностный и подземный сток, испарение с водных поверхностей водохранилищ.
Цель настоящей работы — наметить первоочередные практические задачи, решение которых нужно начинать уже сегодня, для того чтобы потом было на что опереться в теоретических построениях.
Напомним основы речной гидрометрии. В каждом гидрометрическом створе реки (например, в Омском, Павлодарском) ежедневно утром и вечером измеряют рейкой с сантиметровыми делениями уровень воды над постоянной условной плоскостью. Эта работа ведется без каких-либо модернизаций в течение многих десятков лет. Несколько раз в году производятся измерения глубин и скоростей в створе,
что значительно более сложно и менее точно, отнимает много времени и средств, но позволяет затем вычислить средний суточный расход воды, то есть объем стока за единицу времени в м3/с, соответствующий среднему уровню в день измерений. Заметим, что можно достаточно точно измерить объемным способом с помощью ведра и секундомера расход воды, поступающей из кухонного крана, но в таких реках, как Иртыш, никто и никогда расход воды не измеряет, его вычисляют графоаналитическим способом по приближенным зависимостям, выведенным в конце 19 века, хотя по нашей инициативе С.А. Хрущевым [3] разработана компьютерная программа для обработки гидрометрических данных, которая не только ускоряет расчет и упраздняет графические построения, но и гарантирует от случайных ошибок.
Измерение глубин и скоростей воды в реке в сотнях точек одного створа — работа кропотливая и дорогостоящая. Поэтому средние суточные расходы воды ежедневно определяют приближенным способом по измеренным средним суточным уровням — с помощью заранее построенной кривой зависимости расходов от уровней О(Н). Эта кривая обычно неустойчива по годам из-за неустойчивости русла, из-за паводочных гистерезисных петель, из-за ледового режима. Эту кривую при высоких уровнях приходится экстраполировать, а экстраполяции всегда чреваты большими ошибками. По данным Гидро-метслужбы, средняя погрешность вычисления расходов воды составляет ±10%. Это значит, что при среднем годовом расходе воды в Иртыше у Омска, равном 860 м3/с, средняя ошибка учета стока равна ± 86 м3/с! Максимальные же ошибки вычисления при измерениях глубин и скоростей в конкретные дни года, особенно во время ледоходов, достигают наверняка ± 20%.
Таким образом, погрешность массовых гидрометрических данных о стоке воды с водосбора Иртыша в наши дни превышает, например, водопотреб-ление такого крупного города, как Омск, в 10 раз, а то и в 20 раз, поскольку миллионный Омск каждую секунду забирает из Иртыша и возвращает в реку лишь около 8 м3 воды. Оказывается, современная гидрометрия, созданная в 19 веке, характеризуется весьма низкой точностью, и дело с измерениями потоков воды в реках обстоит далеко не благополучно. Как это ни парадоксально, но при существующей низкой точности гидрометрии можно вполне пренебречь водопотреблением таких мелких потребителей воды, как города Омск, Павлодар или Семипалатинск, так как значения этого водопотребления на порядок меньше погрешности измерений стока воды в реке. В бассейне Иртыша сегодня живут лишь 7-8 миллионов людей, которые потребляют все вместе 60-70 м3/с, то есть меньше, чем средняя квадратичная ошибка измерений.
Из-за чего же возникают такие большие ошибки измерений? Здесь много причин. Не очень точно измеряются уровни воды. Погрешность в 1 см уровня воды в Иртыше дает погрешность в месячном объеме стока у Омска почти 4 млн куб м воды, то есть ± 0,2% . Уровни следовало бы измерять в наши дни не 2 раза в сутки, как это делали 100 лет назад, а каждый час, или поставить самописцы уровней через каждые хотя бы 200 км, и не на одном берегу, а на обоих берегах друг против друга. Все это, конечно, требует капиталовложений, но если хозяева водных ресурсов решили наладить учет стока, а не ограничиться благими намерениями, то деньги нужно найти.
Погрешности возникают при измерениях глубин эхолотом, скоростей — специальным прибором — гидрометрической вертушкой, особенно велики эти неточности измерений при работе на морозе и на ветру — ведь техникам и инженерам приходится работать с секундомером в руках при температуре до минус 47 градусов в Омской области (1968 г.). Гидрометрическая вертушка ТМ-21 — оченьдорогой и капризный прибор. Её тарировка стоит более тысячи рублей. Если вертушку сразу после работы не промыть и не просушить, ржавеют подшипники, и прибор уже не пригоден для работы без ремонта и новой тарировки.
Гидрометрические вертушки (речные и морские) — изобретение древнее, восходящее еще к 18 веку. На смену им должен прийти новый прибор для измерений скорости потоков воды и воздуха — спидометр^]. Этот прибор (рис.1) не содержит ни одной вращающейся части, очень прост, дешев и сразу показывает на табло скорость с точностью до сотых долей секунды, при работе же с вертушкой сначала подсчитывается число оборотов за определенное время, а затем по тарировочной кривой определяют скорость. Идея спидометра — поплавок и секундомер, но путь поплавка не 100-200 м, как это принято в практической гидрометрии, а всего около 150 мм, включение же и выключение миллисекундомера, выполненного на базе генератора частот, осуществляется кольцевым магнитным полем тора, установленного в поплавке. В качестве конечных выключателей используются герконы диаметром 2 мм, помещенные в стеклянной трубке, по которой скользит поплавок на фторопластовой втулке. Спидометр
Рис. 1. Спидометр - прибор для экспресс-замеров скорости потока
О f*V /v/
l_LM J I 111 IJ. Л
".....cT.....',. ....... '<!e
1
0.2.
-0.3 !o.5 -О."
i
Рис. 2. Лента самописца уровней воды
создан благодаря финансированию конструкторских работ Омским нефтезаводом (В.А.Погюв).
Выше мы перечислили технические погрешности определения стока, но существует еще один аспект возникновения грубых погрешностей. На широкой сети гидропостов работают далеко не везде такие честные, высокообразованные и беззаветные труженики, как в Омске — инженеры А.К. Юнг и В.Р. Пушкарев. При инспекционных проверках работники региональных управлений Гидро-метслужбы часто сталкиваются с фактами недобросовестного отношения к работе конкретных наблюдателей. Вот что пишет по этому поводу профессор A.M. Комлев [1]:
"Известно, что «опытные» наблюдатели гидрологических постов, пропустившие несколько сроков наблюдений, пользуются методом интерполяции. Некоторые из них решают, что в зимний период проще сделать в журнале запись «рекаперемерзла», чем измерять расходы воды. Так, ежегодно промерзающей в Горном Алтае по данным изданий Государственного водного кадастра (ГВК) считалась р. Чаган. Однако при разговоре автора (A.M. Комле-ва) с наблюдателем поста в пос. Кызыл-Маны выяснилось, что всю зиму жители поселка пользуются водой этой реки. Так же, поданным ГВК, р. Каргату Здвинска Новосибирской области, ранее никогда не промерзавшая, с 1951 года стала ежегодно «промерзать». Причина оказалась простой: в 1951 г. на посту произошла смена наблюдателя".
Когда-нибудь на берегах наших рек будут установлены самописцы, тогда человеческий фактор недобросовестного отношения к работе будет автоматически исключен.
Низкое качество измерений объясняется во многих случаях выходом воды на поймы. В этих случаях значительная часть водного потока движется среди кустарников, деревьев, значит, меняется шероховатость поверхностей соприкосновения потока с дном и берегами. Следовало бы использовать при этом кривую Q(H), построенную для данных конкретных условий, однако её нет ни на одной гидростанции, ни на одном посту.
В дни ледохода вязкость потока увеличивается, следовало бы использовать кривую Q(H), построенную для этого случая, однако, по вполне очевидным причинам, во время ледохода невозможно поставить катер на якорь для измерений, поэтому погрешности в определении расходов в эти дни достигают наибольших значений. Возможно, в Иртыше у Омска при расходе 3000 м3/с в период ледохода ошибки в оценке стока достигают ± 600 м3/с, то есть в 75 раз больше водопотребления Омска. Никто из гидравликов в мире не имеет поля скоростей в речном потоке во время ледохода, а ведь в это время за
несколько суток в сибирских реках проходит значительная доля годового стока!
В летнее время в Казахстане и Омской области забирают воду из Иртыша около 1000 насосных станций, однако суммарная величина отъемов воды на орошение в бассейне реки вместе с забором воды тремя самыми длинными в мире групповыми водопроводами в Омской области и каналом Иртыш-Караганда составляет не более 0.6 — 0.8 куб. км в год, а это не так уж много. Небезынтересно отметить, что таких же значений достигают невязки водных балансов Бухтарминского водохранилища. По расчетам ГГИ потери на дополнительное испарение с водного зеркала этого водохранилища при условии его заполнения до нормального горизонта должны были составить 1.5 куб. км воды в год, что в три раза больше суммарных безвозвратных потерь на орошение в бассейне Иртыша [2].
Выше мы сказали о необходимости использования самописцев уровня. Такие приборы нашей конструкции, созданные 10 лег назад в Омске, успешно работают и зимой, и летом на больших коллекторах промканализации Омского нефтезавода. Приборы автономные, взрывобезопасные, очень надежные и простые, недорогие и не требующие ни квалифицированного обслуживания, ни электрического питания. В течение недели прибор непрерывно пишет на бумажной ленте кривую (рис.2), а через неделю ленту просто нужно заменить. Можно при небольших дополнительных затратах поставить вместо этого прибора небольшой датчик из гирлянды герконов, записывающий информацию на съемный чип, который можно быстро снять, отвезти в контору и через модем занести результаты измерений в компьютер для обработки.
В 70-х гг. мы делали попытки увязать сток воды в Иртыше в нескольких створах, расположенных от Семипалатинска до Омска, но, к сожалению, огромные невязки даже в условиях закрытого русла в зимний период заставили нас отказаться от продолжения этой работы. Не лучше обстоит дело в области гидрометрии и сейчас, в начале 3-го тысячелетия. И все наши планы организовать водный мониторинг останутся планами до тех пор, пока жизнь не заставит нас выделять десятки миллионов рублей на переоснащение гидрометрии.
Вывод. Первоочередной задачей будущего мониторинга должна стать сегодняшняя модернизация гидрометрии.
Библиографический список
1. Комлев A.M. Закономерности формирования и методы расчетов речного стока. Изд. Пермского ун-та, Пермь,2002.- 163 с.
2. Мезенцев B.C., Карнацевич И.В. Антропогенные изменения в режиме Иртыша у Омска до 1980 г. / Водохозяйственные проблемы освоения Сибири. - Сб. науч. тр. Омского гос. аграрного ун-та. Омск. 1996.-C.I0-17.
3. Хрущев С.А. Вычисление расхода потока методом интегральных сумм с помощью ЭВМ// Вопросы теории и практики гидрологии, климатологии и водных мелиораций/Сб. науч. тр. ОмГАУ.-Омск.-2001.С. 14-23.
4. Российское Агентство по патентам и товарным знакам/ Патент RU (1.32606 d.UI (54) устройство для измерения скорости потока. Дата публикации сведений о выдаче патента: 20.09.2003, Бюл. Ns 26.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук; профессор кафедры гидрогеологии, гидравлики и инженерной гидрологии Омского государственного аграрного университета и кафедры физической географии Омского государственного педагогического института.
Дата поступления статьи в редакцию: 24.01.06 г. © Карнацевич И.В.
УДК 511.581 (571.1) и. В. КАРНАЦЕВИЧ
О. В. ВАСИЛЬЕВА
Омский государственный педагогический университет Омский государственный аграрный университет
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ИСПАРЕНИЯ СО СНЕЖНОГО ПОКРОВА НА ТЕРРИТОРИИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
В статье произведена оценка максимально возможных и фактических (вычисленных теоретически) норм испарения со снежного покрова в средний (по термическим условиям зимы) год.
В соответствии с Межгосударственным соглашением, заключенным Россией, Казахстаном и Францией о совместном проекте мониторинга бассейна реки Иртыша от границы Казахстана с Китаем до створа села Красноярка в Омской области в 2002 и 2003 гг. группа научных работников Омского государственного аграрного университета занималась расчетами элементов водного баланса частных водосборов в бассейне р.Иртыша, в том числе оценкой вклада испарения с поверхности снега в бассейне Иртыша и его притоков за длительный зимний период залегания снежного покрова.
Целью работы было создание модели водохозяйственного баланса, определение объемов водо-потребления и водных ресурсов реки Иртыша на отдельных участках. Вклад испарения со снега в расходную часть водных балансов можно оценить, если умножить слой воды, содержащейся в верхней, испарившейся толще снега (около 30 мм в среднюю по погодным условиям зиму), на площадь водосбора Иртыша от государственной границы Казахстана с Китаем до Омска (265 000 кв. км). Объем воды, который теряет снежный покров за зиму в бассейне Иртыша в пределах Казахстана и Омской области (до Омска) составляет около 8 миллиардов куб. м, то есть солнечные лучи за зиму поднимают в атмосферу 8 миллиардов тонн воды. Величина эта получается вполне сопоставимой с водными ресурсами Иртыша у Омска (28 куб. км в год). Отсюда можно заключить, что проблема количественной оценки испарения со снега за зимнее полугодие на тер-
ритории Западной Сибири и Омской области — серьезная практическая задача.
Суммарное испарение с поверхности водосборов невозможно измерить из-за того, что частные испаряющие поверхности — почва, лес, болота, озёра, лужи, наземный снежный покров и снежный покров деревьев — испаряют совершенно по-разному. Переход воды из жидкой и твердой фазы в пар — невидимый процесс; это также затрудняет измерения. Измерение испарения со снежного покрова чрезвычайно затруднено в связи с тем, что суточные значения этой величины очень малы, искажения истинной картины вызваны надуванием кристаллов льда (снежинок) в измерительный прибор при малейшем ветре. Факторами испарения являются: коротковолновая солнечная радиация, температура и влажность воздуха и снега, облачность, которые для одной и той же станции в разные зимы различны.
В течение 19 — 20 веков метеорологи, гляциологи, гидрологи, геофизики, геокриологи не раз обращались к проблеме определения интенсивности испарения со снежного покрова в разных физико-географических и климатических условиях. Впервые на необходимость изучения испарения со снежного покрова обратил внимание А.И. Воейков [ 1 ].
Процесс испарения со снежного покрова до настоящего времени исследован недостаточно. Наиболее полная сводка работ по этой теме приведена в работе В.И. Кузнецова [2].
В СССР в период с 1938-го по 1950 год исследования снежного покрова водосборов выполнялись под
