ОЦЕНКА НОРМЫ ГОДОВОГО СТОКА РЕК ЖАЙЫК-ЖЕМСКОГО РАЙОНА ПРИ ОТСУТСТВИИ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

НА УЧНЫЕ СТА ТЬИ

Гидрометеорология и экология № 1 2009

УДК 556.16

ОЦЕНКА НОРМЫ ГОДОВОГО СТОКА РЕК ЖАЙЫК-ЖЕМСКОГО РАЙОНА ПРИ ОТСУТСТВИИ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Доктор геогр. наук С.К. Давлетгалиев Исследована зависимость годового стока рек района от площади водосбора. Построена карта изолиний модуля среднемно-голетнего стока. Даны рекомендации для расчета нормы годового стока отдельных бассейнов при отсутствии данных наблюдений. Произведена оценка точности расчетов стока.

Норму годового стока района можно определить по картам изолиний годового стока, приведённых в [7, 8]. Однако материалы 60-ти годов прошлого века устарели, нуждаются в уточнении с учётом данных последних лет. При отсутствии данных наблюдений в расчётном створе гидрометрических наблюдений норма годового стока определяется одним из следующих способов:

1. путём прямой интерполяции с использованием опорных пунктов;

2. по районным зависимостям годового стока от определяющих его факторов;

3. по картам изолиний годового стока;

4. по уравнению водного баланса.

Для оценки нормы стока, исследуемого района рассмотрена возможность расчёта нормы стока по второму и третьему способам. Для этого по всем рекам и пунктам наблюдений величины годового стока были приведены к многолетнему периоду (1940...2004 гг.) и определены модули стока. В качестве основных физико-географических факторов выбрана площадь водосбора и его средняя высота.

Графики связи модуля стока с площадью водосбора фактически отражают зависимость величины питания реки при данной увлажнённости от глубины вреза её русла и глубины залегания (подземных) грунтовых вод, питающих реку. Глубина залегания грунтовых вод подчиняется закону географической зональности: чем меньше увлажнённость, тем глубже уровень подземных вод. В зонах избыточного и достаточного увлажнения в связи с неглубоким залеганием грунтовых вод сток средних и малых рек увеличиваются по мере возрастания площади водосбора. В зонах недостаточного увлажнения, к которым относится рассматриваемый район, в виду глубокого зале-

7

гания грунтовых вод они не участвуют в питании водотоков. Увеличение площади не вызывает увеличения поступления воды в водоток. На величину стока оказывает влияние наличие бессточных пространств и бессточных озёр, теряющих значительное количество воды на испарение. В этих условиях имеет место обратная связь М0 = /(^), т.е. уменьшение стока с увеличением

водосборной площади. Многочисленными исследованиями установлено, что на территории Равнинного Казахстана редукция прослеживается до площади 3000 км2, после чего модули стока с увеличением площади водосбора реки практически не изменяются [1, 2, 5].

Зависимость М0 = /(^), построена с учётом данных всех рек и пунктов наблюдений, представлена на рис. 1а. Коэффициент корреляции этой зависимости характеризуется величиной г = -0,62. Связь М0 = / (^) недостаточно тесная, разброс точек значителен. Погрешность расчёта нормы стока может быть большой.

Построение зависимости М0 = /(^ < 3000) лишь для малых рек с площадью водосбора ^ < 3000 км2 выявило уменьшение модуля годового стока с увеличением размеров водосбора (рис. 1б). Теснота зависимости повысилась до г = -0,68, а качество связи составило s/s= 0,75. Такие зависимости в прогностических расчётах считаются удовлетворительными, однако ввиду высокой относительной средней погрешности расчёта 89,9 % и максимально возможной ошибкой 600... 1000 %, такая зависимость также не может быть рекомендована для оценки нормы годового стока. Связь модуля годового стока с площадью водосбора средних рек (Б > 3000 км2) района, как и ожидалась, не устанавливается (г = -0,33).

Исследована зависимость М0 = / (^) в отдельности для рек правобережной и левобережной частей бассейна р. Жайык в пределах РК, а также - рек бассейна р. Елек (рис. 1в) и бассейны рек Ойла, Сагиза и Жем. Качество полученных зависимостей характеризуется соответственно коэффициентами корреляции г = -0,64, г = -0,68, г = -0,62 и г = -0,64. На качество зависимости для правобережной части существенное влияние оказывают данные двух рек Барабастау - с. Барбастау и Шаган - с. Новенькое. На рис. 1.е сток этих рек даёт наибольшее отклонение от линии связи. Если исключить эти две точки, то значение коэффициента корреляции увеличилось бы с г = -0,64 до г = -0,82.

Относительно тесная зависимость (г = -0,68) для рек левобережной части получена при исключении стока р. Жаксыбай - с. Аккозинский

8

(рис. 1д), при его учёте теснота зависимости снижается до г = -0,49. Следовательно, все эти зависимости не могут быть использованы для оценки нормы стока. Исключение модуля стока средних рек (Б > 3000 км2) при установлении зависимости М0 = /(Е) не повысила точность зависимости для правобережной и левобережной частей бассейна р. Жайык. Для рек бассейнов Ойыл, Сагиз и Жем, значение коэффициента корреляции увеличилось до г = -0,81, но при исключении стока одной реки (Тущибек) - значение коэффициента корреляции уменьшается до г = -0,40. Поэтому такая зависимость не может быть рекомендована для расчёта модуля стока рек бассейнов. а б

6 § 4

О « 2

0

0 1 2 3 4 5

0 12 3 4^

6

о 4 2 2 0

0 1 2 3 4 5 д

4 3

31ЕБ

6 4

о

32 0

3 г

м 2 -

1

1 2 3 е

4№

50

100

150 Н,

Рис. 1. Зависимости модуля годового стока от площади и средней высоты водосбора. а) общий вид зависимости М0 = / (Е) для всего района; б) зависимость М0 = / (Е) для всего района при Е £3000 км2; в) зависимость М0 = / (Е) для рек бассейна р. Елек; г) зависимость М0 = / (Е) для рек

бассейна р. Елек при Е £3000 км2; д) зависимость М0 = / (Е) всей левобережной части бассейна р. Жайык в пределах РК; е) зависимость М0 = / (Е) рек правобережной части бассейна р. Жайык в пределах РК.

в

г

0

2

0

0

м

0

2

9

Для бассейна р. Елек получена более тесная зависимость М0 = /(Г £ 3000) (рис. 1г). Значение коэффициента корреляции увеличивается от -0,62 до -0,71. Средняя относительная погрешность расчёта в этом случае составляет 58,9 %, максимальная - 250 %. Наибольшие отклонения между наблюдёнными и вычисленными значениями модуля стока имеют место для рек Тамды, Песчанка и Таниберген. При их исключении относительная средняя погрешность уменьшается до 34,4 %.

Зависимость нормы годового стока от высоты водосбора выявлена лишь для рек правобережной части бассейна р. Жайык (Урал) (г = -0,89) (рис. 1е), средняя относительная погрешность расчёта - 13,2 %, максимальная - 22,0 %.

Для определения нормы среднего годового стока по второму способу составлена карта в л/сек с км2 (рис. 2). При построении карты использованы материалы 80-ти пунктов наблюдений, с учётом данных за последние 30.40 лет. Материалы кратковременных наблюдений (1.5 лет) приведены к многолетнему периоду в соответствии с методикой, изложенной в [6]. Карта изолиний стока построена по данным о стоке с зональным режимом. Исследованиями ряда авторов [1,5] было установлено, что для рек равнинного Казахстана в качестве зонального стока может быть принят сток рек с площадью водосбора Б > 3000 км2.

Рис. 2. Карта нормы модуля годового стока рек Жайык-Жемского района.

— - изолинии среднемноголетнего стока в л/с^км2;----изолинии слабо

обеспеченные данными и гипотетические.

10

При построении карты для перехода от стока малых рек с модулем стока до значений 1 л/с с 1 км2 к зональному стоку использована формула, полученная из зависимости, рекомендуемой В.В. Голубцовым [3]

1ПМе>3000 = 81пМЕ /1П(Е +1), где МЕ - модуль стока малых и временных водотоков с Е < 3000 км2, МЕ >3000 - модуль зонального стока.

Все расчёты выполнены по наблюдённым данным, приведённым к многолетнему периоду (1940.2004 гг.), без восстановления естественного стока, т.е. по бытовому стоку.

При составлении карты изолиний допущены отклонения от стандартной методики построения. Величины модуля стока с учётом плоского рельефа местности отнесены не к центру тяжести водосбора, как это делается обычно, а к пункту наблюдений. Поэтому величину модуля стока рекомендуется определять по карте методом линейной интерполяции. Вследствие того, что Мангышлакская область, как и раньше, недостаточно освещена материалами наблюдений, изолинии стока этой части района не проведены.

Расчёт нормы малых рек с модулем стока, не превышающим 1 л/с км2, рекомендуется производить одним из двух равноценных способов. В первом случае сначала по карте определяется величина зонального стока Ме>3000 ■

Средний сток малого водотока МЕ вычисляется по формуле [3]:

МЕ = ШЕ >3000.

Переходной коэффициент к от стока рек с Б > 3000 км2 к величине стока малых рек вычисляется по формуле

к = (3000/Е + 1)п, где Е - площадь водосбора, с Е < 3000 км2.

Зная МЕ >3000 по формуле, рекомендованной В.В. Голубцовым, вычисляются показатели степени редукции п [3]

п = -0,125 • 1пМе>3000.

Во втором варианте расчёта модуль стока малых рек вычисляется по формуле [3]:

М =(Е + 1)0,125 Ь МЕ>300

Приведённые выше формулы могут использоваться для определения МЕ в районах с Ме<3000 меньше 1 л/с с 1 км . В бассейне рек, где мо-

11

дуль годового стока превышает 1 л/с с 1 км2, норму стока можно непосредственно определить по карте изолиний без введения поправок.

Распределение нормы стока соответствует в основном изменению климатических факторов и характеризуется общим убыванием её с севера на юг. Наибольшие значения стока наблюдаются в верховьях бассейна р. Елек. Так, например, норма годового стока р. Карабутак - с. Карабутак и р. Косистек - с. Кок-Истек достигают до 4 л/с с 1 км2, на малых реках этого бассейна Актасты и Терсбутак модуль стока увеличивается до 5,01 л/с с 1 км2. Наиболее низкий сток порядка 0,10.0,15 л/с км2 наблюдается в Прикаспийской низменности, на полуострове Мангышлак.

Оценка точности расчёта нормы годового стока произведена путём сопоставления величин стока, полученных по карте с фактическими данными наблюдений (табл.). Среднее расхождение между этими величинами составляет 31,8 %, максимальное - 353 %. Наибольшее расхождение наблюдается для 5-ти пунктов наблюдений: р. Печанка - п. Подгорный -150 %, р. Тамды - г. Актобе - 100 %, р. Таниберген - с. Жана Елек -233 %, р. Булдурты - свх. Булдуртинский - 128 %, р. Булдурты - свх. Абая

- 353 %. Одна из возможных причин такой большой относительной погрешности расчёта нормы стока - приближённость оценки нормы по этим рекам по данным кратковременных наблюдений в течение 1.2 лет и восстановление годового стока по стоку весеннего периода, а также искажён-ность его заборами воды на хозяйственную деятельность. При исключении данных указанных рек среднее значение погрешности уменьшается до 16,9 %, а максимальное до - 41,9 %. Полученное значение погрешности больше, чем погрешности расчёта нормы стока, по карте изолиний стока 60-ти годов [7, 8]. Тем не менее, она соответствует погрешности расчёта нормы стока при отсутствии данных наблюдений, указанной в [10].

Среднеквадратическая погрешность расчёта нормы стока по карте изолиний по всем рекам и пунктам наблюдений составляет 0,50 л/с км2, при исключении данных 5-ти пунктов, указанных выше - 0,41 л/с км2.

Наибольшая погрешность расчёта получается для рек бассейна р. Елек

- 0,85 л/с км2. Поэтому рассмотрена возможность одновременного расчёта нормы годового стока с учётом двух независимых методов; т.е. использованием зависимости стока от физико-географических факторов и карты изолиний стока. При этом расчётное значение стока представляется как средневзвешенное по сумме значений, полученных по разным методикам [4, 9].

12

М 0; = | а1Ы{ 1=1

о 1

где а - весовой коэффициент величины М0^, определённой по 1-ой методике; га - количество методик.

Весовые коэффициенты ц принимаются обратно пропорциональными дисперсии погрешностей методик

1

где О1 - дисперсии погрешности методик.

Таблица

Сопоставление величин нормы стока определённые по карте и вычисленных по многолетним данным (1940.2000 гг.)

Река - пункт Площадь водосбора, км2 Число лет наблюдений Норма стока в л/с км2 Отклонение в %

по карте за многолетний период

Ащиозек - с. Ащиозек 2400 17 0,41 0,56 -26,8

Караозен - с. Русская Таловка 10700 24 0,72 0,71 +1,4

Караозен - с. Жалпактал (Фурманова) 13200 8 0,53 0,68 -28,3

Сарыозен - свх. Бостандык 11000 16 0,42 0,30 +40

Деркул - с. Каменка 392 30 1,93 1,96 -1,5

Деркул - п. Плошкино 1160 16 1,45 1,66 -12,6

Чижа 1-я - с. Чижа 1-я 456 45 1,70 1,67 1,8

Чижа 2-я - с. Чижа 2-я 509 38 2,36 1,89 +24,8

Шаган - п. Новенький 4970 6 2,48 2,49 -0,4

Елек - ж. д. рзд. № 47 1090 29 1,70 1,76 -3,4

Елек - г. Актобе 11000 57 1,90 1,59 +19,4

Кобда - с. Новоалексеевка 8090 39 0,95 0,86 +9,5

Сарыкобда - п. Бессарабский 675 31 1,05 1,01 +4,0

Каракобда - с. Альпайсай 2240 38 1,16 1,45 -20,0

Каргала (Жа;сы Каргала) -

г. Актобе (Питомник) 5000 45 2,67 2,24 +16,1

Караганда - п. Кандагач 222 26 1,5 1,62 -7,4

Тамды - г. Актобе (Гормолзавод) 169 2 2,0 1,0 +100

Песчанка - п. Подгорный 97 1 3,0 1,24 +142

Карабутак - с. Карабутак 117 114 4,5 4,01 +12,2

Коксистек - с. Кок-Истек 281 45 4,0 4,06 -1,2

Караоба - с. Аигаты 330 23 1,50 2,58 -41,9

Актасты - п. Белогорский 45 48 4,0 4,89 -18,2

13

Река - пункт Площадь водосбора, км2 Число лет наблюдений Норма стока в л/с км2 и и 8 н е н О л к т О

по карте за многолетний период

Терсбутак - п. Белогорский 19,8 35 4,0 5,30 -24,5

Терсбутак - с. Терсбутак 81,2 1 3,0 4,31 -30,4

Терсаккан - п. Астарханский 446 38 1,15 1,07 +7,4

Шынгырлау (Утва) - п. Белогорский 2410 29 0,99 0,98 +1,0

Шынгырлау - п. Григорьеска 4460 39 1,23 0,83 +48,0

Калдыгайты - с. Жигерлен 2510 32 0,66 0,77 -14,3

Шидерты - свх. Жамбейты 750 24 0,96 1,49 -36,0

Куперанакты - свх. Алгабас 373 34 1,5 1,41 +6,0

Оленты - с. Жамбейты 1290 28 0,85 1,01 -18,8

Булдурты - п. Караагач 457 21 0,99 1,24 -20,2

Ор - с. Енбекши 1620 22 0,74 0,69 +7,2

Ор - с. Бугетсай 7480 41 0,80 0,78 +2,5

Ойыл - аул. Алты-Карасу 7030 44 0,62 0,77 -19,5

Ойыл - г. Ойыл 17100 19 0,50 0,53 -5,7

Ойыл - Тайсоганская РТС 25800 7 0,25 0,28 -10,7

Киыл - с. Новонадеждинский 720 34 0,75 1,40 -46,4

Ащыойыл - ур. Маймак 4900 30 0,23 0,25 -8,0

Сагыз - свх. Алтай 4960 17 0,19 0,15 +27

Сагыз - аул. Сарытогай 5250 11 0,15 0,13 +15,4

Сагыз - ст. Сагыз 9930 37 0,11 0,11 0,0

Жем - с. Жаркамыс 26000 33 0,55 0,52 +5,7

Жем - с. Жанибек 34700 28 0,28 0,36 -22,2

Жем - аул Аралтобе 34100 13 0,30 0,39 -23,1

Кызыладсай - с. Шийлиаша 373 34 0,79 0,72 + 6,3

Шыгыркумды - аул № 10 (с. Энбекши) 1110 30 0,96 0,80 +16,6

Шийли - аул Акший 318 33 0,86 1,32 -34,8

Темир - с. Покровский 1160 16 1,45 1,42 +2,1

Темир - с. Ленинский 5410 47 0,90 0,87 +3,4

Жаман - Каргала - свх. Жамбыл 925 1 3,80 2,67 +42,4

Женишке - г. Актобе 332 2 1,9 2,71 -29,9

Таниберген - Жана - Елек 709 2 1,70 0,51 +238

Иткараган - свх. Джеренькопинский 882 1 1,15 1,33 -13,5

Каркобда - с. Каракобда 896 4 1,50 1,37 +9,5

Шолаканакты - с. Алгабас 537 25 1,50 0,84 +78,6

Калдыгайы - с. Каратобе 4440 3 0,61 0,54 +13,0

Булдурты - свх. Бултуртинский 2200 11* 0,66 0,29 +128

Булдурты - свх. Абая 3280 31 0,68 0,15 +353

Т-Г *

Примечание: - Сток этих лет восстановлен по стоку вегетационного периода.

14

Объединение методик считается эффективным, если погрешность расчёта по совокупности методик будет меньше погрешности полученной методики.

Рассмотрим возможность использования этой методики для расчёта нормы стока рек бассейна р. Елек. Средняя относительная погрешность расчёта стока по зависимости М0 = / (Е < 3000) и по карте изолиний в районе соответственно равна 58,9 % и 39,5 %, а при исключении данных стока рек Песчанки и Таниберген - 44,7 % и 21,8 %. Среднеквадратиче-ская погрешность расчёта по первой методике - 1,09 л/скм2 по второй -0,85 л/скм2. Наилучшей является вторая методика. В результате объединения двух методик, указанная выше относительная погрешность составит 44,0 % и 26 %, средняя квадратическая ошибка 0,83 л/с км2. Как видно из этих данных, расчёт стока по совокупности двух методик приводит к некоторому увеличению относительной погрешности и некоторому уменьшению средней квадратичной погрешности. Различие в ошибках, вероятно, лежит в пределах точности расчёта. Следовательно, использование объединённой методики расчёта стока недостаточно эффективно.

Рассмотрим реки левобережной части бассейна р. Жайык в пределах РК. Среднеквадратическая погрешность расчёта нормы по зависимости М 0 = / (Е < 3000) в данном районе - 0,45 л/с км (включая сток р. Булдурты), по карте изолиний - 0,46 л/скм2. Поскольку погрешность расчёта по двум способам почти одинакова, расчётное значение нормы стока можно принять как среднеарифметическое. В этом случае погрешность расчёта составляет - 0,46 л/с км2. Средняя относительная погрешность расчёта по зависимости М0 = / (Е < 3000) и по карте изолиний соответственно равна 53,8 % и 53,1 %, при исключении данных р. Булдурты, погрешности уменьшаются до 28,1 % и 24,2 % соответственно.

Таким образом, норму годового стока рек бассейнов Елек, Ойыл, Сагиз и Жем рекомендуется определять по карте изолинии модуля годового стока. Норму стока рек правобережной части бассейна р. Жайык в пределах РК - по зависимости модуля стока от средней высоты водосбора М0 = / (Н). Расчёт можно производить по уравнению регрессии М0 = 0,017Н - 0,176. Оценку нормы стока рек левобережной части бассейна р. Жайык - по объединённой методике, т.е. по среднеарифметическому значению стока, определённому по карте изолиний и зависимости М0 = /(Е) (рис. д) или по уравнению регрессии М0 = -1,0 • ^ Е + 4,12 .

15

Чтобы учесть изменение величины стока за последние годы (1974...2004 гг.), норму стока, определённую по карте или по эмпирическим зависимостям, необходимо уменьшить: на 11 % для рек бассейнов Ойыл, Сагиз и Жем, на 14 % для рек бассейна Елек, на 15 % и 7 % соответственно для рек правобережной и левобережной частей бассейна Жайык в пределах РК.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воскресенский К.П. Норма и изменчивость годового стока Советского Союза. - Л.: Гидрометеоиздат, 1962 - 546 с.

2. Голубцов В.В. К вопросу методики расчёта нормы годового стока малых водотоков засушливой зоны // Труды КазНИГМИ - 1963 - вып. 18. - С. 29-34.

3. Голубцов В.В. Определение нормы годового стока малых рек и временных водотоков засушливой зоны Казахстана // Гидрометеорология и экология - 2007, № 1 - С. 65-73.

4. Давлетгалиев С.К. Совокупная оценка нормы месячного стока рек Северной и Западной Джунгарии // Вестник КазГУ. Сер. географическая - 1996 - №3 С. 99-109.

5. Лаврентьев П.Ф., Голубцов В.В. Методика расчёта нормы годового стока рек и временных водотоков Центрального Казахстана // Труды КазНИГМИ - 1967 - вып. 26. - С. 128-144.

6. Свод правил по проектированию и строительству. Определение основных расчетных гидрологических характеристик СП-33-101-2003. - М.: Госстрой России. - 71 с.

7. Ресурсы поверхностных вод СССР, Нижнее Поволжье и Западный Казахстан т.12 - Вып.Ш. Актюбинская область - Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 515 с.

8. Ресурсы поверхностных вод СССР. Нижнее Поволжье и Западный Казахстан. т.12 - Вып.11. Урало-Эмбинский район - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 512 с.

9. Рождественский А.В., Ежов А.В., Бусалаева Л.И. Гидрологические расчёты с одновременным использованием фактических наблюдений и региональных зависимостей // Метеорология и гидрология 1992 № 1 С. 70-79.

10. Рождественский А.В., Ежов А.В., Сахарюк А.В. Оценка точности гидрологических расчётов - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 276 с.

16

Казахский Национальный университет им. аль-Фараби, г. Алматы

ЖЛЙЬЩ-ЖЕМ ЛЙМЛК вЗЕНДЕРШЩ БЛКЫЛЛУ МЭЛ1МЕТТЕР1 ЖОК БОЛFЛН ЖАFДЛЙДЛ ЖЫЛДЬЩ КЛЛЫПТЫ ЛFЫНДЫНЫ БЛFЛЛЛУ

Геогр. Fылымд. докторы С.К. Дэулет^алиев

Аймацшыц взендер агындысынъщ сужинау алабынан шэyeлдiлiгi зершшелген. Агындыныщ оршаша квпж^тдыц модуль изос^^зыцшарыныц каршасы жасалшн. Бацыглау мэлiмeшшeрi жоц болган жагдайда Keü6ip aлaбшaрдaгы цолыпшы ашндыны есеnшеy усынысшоры бертген. Ашндыны ecenmey^ дэлдтн багалауы жур^зыген.

17