CC BY
54
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011
*
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551-58 И. В. КАРНАЦЕВИЧ
Г. Г. БИКБУЛАТОВА К. В. РЯПОЛОВ
Омский государственный педагогический университет
Омский государственный аграрный университет
ПЕРСПЕКТИВЫ
ГЕНЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА РАСЧЕТА ЭЛЕМЕНТАРНОГО СТОКА ПО СУТОЧНЫМ ИНТЕРВАЛАМ____________________________
Математическая модель увлажнения и иссушения почвы в процессе преобразований атмосферной влаги на поверхности водосборов под влиянием стока и испарения позволяет генерировать цепи гидрографов стока с суточным разрешением на основании использования в качестве исходных данных базы метеорологических элементов. Приведены первые результаты генетического описания стока по данным метеорологических станций и контроля их корректности.
Ключевые слова: метеорологические элементы, суточные расчетные интервалы, с ток.
Сток воды с поверхности суши, формирующий водотоки и водоёмы, является важнейшим видом природных ресурсов — водными ресурсами территории. Поскольку 99,8 % от общего количества водотоков и водоёмов на планете не изучено в гидрометрическом отношении, то есть в большинстве малых и средних рек в необжитых областях континентов никогда не производились измерения уровней,
скоростей и расходов воды, гидрологам не известны водные ресурсы обширнейших территорий. К счастью, существует метод расчета стока по исходным данным об атмосферном увлажнении и теплообеспе-ченности территории — метод гидролого-климати-ческих расчетов проф. В. С. Мезенцева [1], с помощью которого местный сток вычисляется по результатам измерений метеорологических станций. Чем
выше увлажнение почвы и чем меньше тепловые ресурсы климата, тем большим оказывается слой стока с речных водосборов, чем меньше выпадает осадков и выше тепловые ресурсы местности, тем больше влаги успевает испариться и меньше остается на сток.
В 1960 — 1980-х гг. в Омске по уравнениям Мезенцева были выполнены массовые расчеты стока по месячным и декадным интервалам для сотен точек — метеостанций нескольких регионов СССР [2, 3, 4]. Точность расчета вычисленного стока оказывалась вполне достаточной для многих практических целей, особенно в масштабе географических исследований. В настоящей статье описываются первые результаты массовых расчетов стока по суточным интервалам — расчетов, которые стали возможными в 2010 г. только благодаря внедрению в исследовательскую работу компьютеров и возможностью оперативного использования больших электронных баз метеорологических данных, выставленных в Интернете, а также некоторым усовершенствованиям расчетной схемы математической модели ГКР, сделанным в 1990-х гг. в Омске [5, 6].
Уравнение водного баланса небольшого, элементарного участка суши для любого по длительности интервала времени при условии отсутствия притока с соседних участков и отсутствия поливов записывается в виде:
КХ + Ш1-Ш2 = 2 + У, (1)
где КХ — общее увлажнение, то есть истинные (в отличие от измеренных, исправленные на приборные недоучеты) атмосферные осадки в сумме с конденсацией (роса, внутрипочвенная конденсация), а также перераспределенной во времени влагой предшествующего расчетного интервала (снег, выпавший в декабре прошлого года, тает в Сибири, например, только в апреле).
Ш1 и Ш2 — запасы влаги в деятельном слое почво-грунтов на начало и конец расчетного интервала, КХ + Ш1 — Ш2 = Н — суммарное увлажнение — влагоресурсы процессов стока и испарения;
Ъ — суммарное испарение,
У — сток (поверхностный и подземный).
Единственным членом уравнения водного баланса, зависящим от тепловых ресурсов, является суммарное испарение Ъ. По Дальтону, для того, чтобы испарить с площади 1 кв. м слой воды высотой 1 мм, нужно затратить Ь = 2,51 МДж/м2 тепловой энергии. Эта константа называется удельной теплотой парообразования (испарения). Чтобы испарить Ъ мм воды, расходуется ЬЪ МДж/м2 тепловой энергии.
Атмосферные осадки измеряются (со значительными погрешностями) на сотнях метеостанций, и, если значения осадков используются для вычисления влажности почвы, суммарного испарения и стока, то элементарный исследуемый участок суши должен быть небольшим (площадью в несколько сотен квадратных метров или несколько квадратных километров), чтобы слой осадков Х, измеренный прибором с площадью приемной поверхности 200 см2 (то есть, с позиций картографии, практически в точке), оказался репрезентативным для всего участка вокруг метеостанции.
Мозаичность полей изогиет при выпадении ливней и обложных дождей изучена статистически весь-
ма слабо, однако о структуре процесса выпадения воды из движущихся облаков можно судить по работе [7]. Обложные осадки выпадают часами (десятки часов) без перерыва с постоянной интенсивностью на больших территориях, ливневые осадки начинаются и кончаются внезапно, характеризуются малой продолжительностью, переменной интенсивностью (от 1 до 17 мм/мин). Продолжительность ливня составляет от нескольких минут до 1 — 1,5 часов. В Санкт-Петербурге ливень наблюдался однажды в течение 21 часа, в Сибири и на Дальнем Востоке наблюдались ливни продолжительностью до 40 часов. Поля (пятна) осадков при ливнях имеют характерные размеры (диаметр) в несколько сотен метров, при обложных же дождях — несколько десятков километров. «Сплошного покрытия осадками исследуемой территории не наблюдалось ни разу», — пишет Ж. Д. Алибегова.
При обложных дождях большие площади, в том числе и приемная поверхность осадкомерного прибора, орошаются достаточно равномерно, при выпадении же ливня над метеостанцией данные этой метеостанции для соседнего водосбора значительных размеров, даже с площадью в несколько десятков квадратных километров, оказываются совершенно нерепрезентативными, а средний слой осадков на водосборе может оказаться в 2 — 3 раза меньшим, чем в осадкомерном сосуде. Может оказаться, по теории вероятностей, и такой случай, когда над водосбором выпадают многочисленные ливни, а над метеостанцией, расположенной в центре водосбора, не выпадет ни одного миллиметра осадков.
Практикой и теорией гидрометеорологии установлено [8, с. 106], что только сеть приборов с плотностью, равной один прибор на 1,5 — 2 км2, может обеспечить стопроцентную вероятность только регистрации осадков, выпавших на площади размером примерно в 25 км2 . На площади же в 600 км2 для обеспечения 100%-ной вероятности обнаружения только самого факта выпадения осадков необходима плотность сети осадкомеров, равная один прибор на 10 км2! Фактически же на севере Западной Сибири, например, один прибор приходится на площадь в 28 000 км2, а не на 2 или 10 км2!
Ресурсами атмосферного увлажнения деятельного слоя почвогрунтов являются атмосферные осадки Х (мм). Однако в холодных странах твердые осадки зимой не участвуют в качестве ресурсов влаги — ни в изменении влажности почвогрунтов, ни в процессах формирования стока и испарения. Весной, при снеготаянии, они добавляются к влаго-ресурсам первых расчетных интервалов теплого периода. В связи с такого рода перераспределениями влаги для обозначения фактического естественного увлажнения за расчетный интервал при использовании уже исправленных на недоучет прибором осадков пришлось ввести в 1960-х гг. понятие об общем увлажнении расчетного интервала КХ. Обозначение КХ оказалось неудачным — следовало бы обозначить эту величину одной буквой.
Сток У вычисляется гидрологами на основании измерений расходов воды в гидрометрических створах сотен больших и средних рек и представляет собой количество воды, собранное силами гравитации с поверхности речного водосбора, имеющего площадь в тысячи или сотни квадратных километров.
При географическом анализе результатов гидро-лого-климатических расчетов следует иметь в виду, что исходные данные об измеренном стоке рек,
о температуре воздуха, об атмосферных осадках
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011
представляют собой хронологические ряды, точнее векторы измеренных значений физических величин в точках пространства, выбранных случайно и часто весьма нерепрезентативно. Например, огромное большинство метеостанций расположено в населенных пунктах на берегах рек, то есть в долинах, в понижениях рельефа, над которыми атмосферные осадки, как известно, оказываются всегда меньшими из-за адиабатического расширения воздушных масс. А поскольку водораздельные пространства занимают большую часть территории по сравнению с долинами рек, на них и следовало бы размещать осадкомерные приборы.
Точность производимых режимных измерений на сетях национальных гидрометеорологических служб не превышает: ±10 % — в отношении измеренных расходов воды, ±10 — 15 % — для жидких осадков, ±50— 100 % — для твердых осадков.
При вычислении удельных значений стока гидрологами используется постоянное номинальное значение площади водосбора реки до створа, в котором измеряются расходы воды, но для многих речных бассейнов в условиях равнинного рельефа и малых уклонов, особенно в аридной зоне, значение площади водосбора в разные годы оказывается различным, причем его невозможно определить без специально организованных дорогостоящих работ. Поэтому модуль или слой годового стока, вычисленный по результатам измерений с использованием номинальной постоянной площади водосбора, получается в разные годы со значительными ошибками, которые невозможно оценить.
На огромных пространствах аридной зоны отсутствует речная сеть постоянных водотоков, отсутствуют стоковые станции и стоковые площадки. Но даже в пустынях иногда выпадают дожди и наблюдается поверхностный сток.
На территориях России, особенно Сибири, в том числе в Омской области, сеть метеостанций и гидрометрических постов крайне редкая — расстояния между точками наблюдений измеряются десятками или сотнями километров. Северная половина Западной Сибири относится к наименее изученным в гидрометеорологическом отношении областям континента. На севере, в Ямало-Ненецком автономном округе на площади около 1 млн кв. км расположены лишь 36 метеорологических станций. На Ямале, где имеется около 8 000 водотоков, ни один из которых не изучен в гидрометрическом отношении, все 10 метеостанций располагаются на побережьях полуострова, а не на водораздельных пространствах. Таким образом, на севере Западной Сибири одна метеостанция приходится на площадь в 28 000 кв. км, то есть на территорию размером 280 км на 100 км!
В горных странах, где очень мало метеостанций, а сток и осадки зависят, в основном, от высоты водосбора над уровнем моря и экспозиции склонов, число неизученных водотоков выражается сотнями тысяч. В условиях такой слабой изученности невозможно точно оценить водные ресурсы водосборов, поэтому среднюю ошибку в определении годового стока в 20 — 30 % следует считать вполне приемлемой.
Для определения слоя местного элементарного климатического стока используется система уравнений, основанная на фундаментальных физических законах сохранения энергии и материи. Уравнение водного баланса (1) выражает равенство приходной и расходной статей влагосодержания деятельного
слоя поверхности водосбора. Уравнение теплового баланса участка суши, согласно исследованию [5], записывается в виде
Т2 = Тк — Ткрио = Ь2 + Р-, (2)
где Т2 — теплоэнергетические ресурсы (ТЭР) суммарного испарения и нагревания воздуха,
Тк — теплоэнергетические ресурсы климатических процессов,
Ткрио — ежегодные сезонные затраты тепла на компенсацию воздействий холода,
Ь — удельная теплота парообразования,
Р- — затраты тепла на нагревание воздуха (турбулентный теплообмен).
Для практических расчетов годовой суммы ТЭР испарения можно воспользоваться эмпирической зависимостью
Т2 =17,6ЕЦ0 + 400, (3)
где Ец0 — сумма средних месячных положительных температур воздуха за год,
Т2 — ТЭР испарения в МДж/м2год.
В уравнениях (1) и (2) фигурирует одна и та же переменная — это суммарное испарение Ъ. Максимальное значение этой переменной ограничивается, с одной стороны, влагоресурсами Н, с другой — значением водного эквивалента тепловых ресурсов Т2/Ь. Понятие «водный эквивалент теплоресурсов» в начале 20-го века было введено Э. М. Ольдекопом в теорию гидрологических расчетов под именем «максимально возможного испарения».
Например, в Нубийской пустыне годовая норма осадков равна 1 мм/год, следовательно, годовая норма суммарного испарения не превышает 1 мм/год — больше этого количества испарение в естественных условиях (без орошения) оказаться не может, а годовая норма стока равна нулю. На севере Индии, у подножия Гималаев, в Черрапунджи в средний год выпадает 12 000 мм осадков, сток в Индийский океан достигает 10 900 мм/год. Испарение здесь ограничено теплоресурсами и равно 1100 мм/год.
Зависимость суммарного испарения от теплоресурсов и влагоресурсов выразим аналитически в виде уравнения связи В. С. Мезенцева, отказавшись от использования сослужившей гидрологам в течение столетия верой и правдой величины максимально возможного испарения Ът:
1
2 = "гК^ Г П , (4)
где п — параметр, комплексно характеризующий условия стока (местные уклоны земной поверхности, тип и физические свойства почвогрунтов водосбора). В теплых странах в равнинных условиях п = 3.
Если расчетным интервалом является средний многолетний годовой период, то в уравнении водного баланса и уравнении связи вместо Н следует использовать годовую норму атмосферных осадков Х, поскольку влажность в любой местности остается постоянной в течение столетий (Ш1 = Ш2), так как климат в масштабе тысячелетий не меняется, но при расчетах за внутригодовые интервалы среднего года и конкретных лет обязательно нужно учитывать перераспределение влаги почвой с одного расчетного интервала на другой. При расчетах суммарного увлажнения, стока, дефицитов влаги за внутри-
Исходные данные и результаты расчетов элементов водного баланса элементарного водосбора методом конечных разностей (фрагмент)
Год Мес. Дата 1ср X, мм Кпопр. КХ, мм Ът, мм У1 Ъ, мм Н, мм У, мм
1967 4 29 8 0 1,39 0 2,26 0,71 1,26 1,34 0,08
1967 4 30 13 0 1,39 0 3,68 0,7 2,02 2,14 0,12
1967 5 1 19 0 1,15 0 5,38 0,69 2,88 3,05 0,17
1967 5 2 11 7 1,15 8,05 3,11 0,68 1,68 1,78 0,1
1967 5 3 6 0 1,15 0 1,7 0,7 0,93 0,99 0,06
1967 5 4 8 0 1,15 0 2,26 0,7 1,23 1,3 0,07
1967 5 5 15 0 1,15 0 4,25 0,69 2,27 2,39 0,13
1967 5 6 15 0 1,15 0 4,25 0,68 2,22 2,33 0,12
1967 5 7 17 0 1,15 0 4,81 0,67 2,46 2,58 0,12
1967 5 8 4 0 1,15 0 1,13 0,65 0,57 0,6 0,03
1967 5 9 2 0 1,15 0 0,57 0,65 0,28 0,3 0,01
1967 5 10 5 0 1,15 0 1,42 0,65 0,7 0,73 0,03
1967 5 11 9 0 1,15 0 2,55 0,64 1,25 1,3 0,05
1967 5 12 13 1 1,15 1,15 3,68 0,63 1,78 1,85 0,07
1967 5 13 9 0 1,15 0 2,55 0,63 1,22 1,26 0,05
1967 5 14 7 1 1,15 1,15 1,98 0,62 0,94 0,97 0,04
1967 5 15 8 3 1,15 3,45 2,26 0,62 1,08 1,12 0,04
1967 5 16 7 5 1,15 5,75 1,98 0,63 0,97 1,01 0,04
1967 5 17 7 0 1,15 0 1,98 0,65 0,98 1,02 0,04
1967 5 18 12 0 1,15 0 3,4 0,64 1,65 1,72 0,07
1967 5 19 14 0 1,15 0 3,96 0,63 1,89 1,96 0,07
годовые расчетные интервалы (месяцы, декады, сутки) ресурсами влаги являются не атмосферные осадки этих расчетных интервалов, а суммарное увлажнение Н, равное сумме атмосферных осадков Х (точнее, общего увлажнения КХ) и изменений ресурсов почвенной влаги (Ш1—Ш2). Это и осложняет решение задачи, поскольку требует решения замкнутой цепи систем уравнений с четырьмя неизвестными (Ш1, Ш2 , Ъ и У). Выше записаны лишь два уравнения (1) и (4).
Еще два недостающих уравнения получим, связав среднюю влажность почвы Ш ср с начальным и конечным значениями влажности Ш1 и Ш2, в виде
Шср=0,5(Ш1-Ш2), (5)
а также связав среднюю относительную (выраженную в долях наименьшей влагоемкости Ш нв) влажность Уср = Шср/Шнв с коэффициентом увлажнения Рн = Н/Ът [1, 5]:
(Уср)г=Рн = Ш/Т2. (6)
В формуле (6) величина г — параметр, зависящий от влажности разрыва капиллярных связей в почве и характеризующий ее способность подводить влагу к испаряющей поверхности.
Система уравнений (1), (4), (5) и (6) решается методом конечных разностей за сотни последовательных расчетных интервалов, в результате чего получают численные значения испарения Ъ, стока У, суммарного увлажнения Н и влажности почвогрунтов У. В первой пробной версии программы ГКРсут, написанной с.н.с. Института математики СОРАН канд. ф.-м. наук С. А. Хрущевым в 2010 г., для простоты предполагается, что все твердые осадки (с ноября по март включительно) тают в первой половине апреля. Безусловно, в дальнейшем начало теплого периода в каждом году будет определяться точно — в результате анализа хода температур — так же как и вклад талых вод в ежесуточное увлажнение периода снеготаяния. В табл. 1 представлен фрагмент первых расчетов элементов водного баланса по суточным интервалам.
Для оценки корректности расчетных суточных значений стока следовало бы сравнить их с результа-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
227
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011
тами точных измерений на стоковых площадках, например полученных в Валдайской гидрологической лаборатории ГГИ, однако, необходимые массивы исходных метеорологических и гидрометрических данных в настоящее время в нашем распоряжении отсутствуют. Поэтому приходится ограничиться материалами Западной Сибири, опубликованными в работах 1969 — 2008 гг. [2, 3, 4, 9], где приведены многочисленные таблицы и графики сравнения измеренного и рассчитанного стока для месячных и декадных расчетных интервалов.
Работа по оценке корректности расчетов стока всегда осложняется недостатком гидрометрических данных, относящихся к небольшому водосбору, расположенному близ метеостанции, с одной стороны, и полной непригодности вычисленных значений слоя месячного и ежегодного стока в зоне недостаточного увлажнения — по причинам, описанным выше, — с другой. Кроме того, при расчетах исправления осадков, особенно твердых, измеренных на метеостанции, большие погрешности вносятся из-за того, что поправочные коэффициенты, приведенные в Справочнике по климату СССР для среднего года, приходится вводить для конкретных зим. В последних версиях программы ГКРсут к суммам твердых осадков малоснежных и средних по снежности зим вводились номинальные, опубликованные в Справочнике по климату СССР, поправочные множители; в многоснежные зимы эти коэффициенты редуцировались таким образом, что в самую многоснежную за все годы зиму поправочный коэффициент получался равным 1,0.
В принципе, рассчитанные для точки и измеренные на водосборе значения стока сравнивать неправомерно из-за того, что элементарный сток безынерционен во времени, тогда как гидрометрический связан с процессами добегания потоков до гидрометрического створа. Чем больше площадь водосбора, тем существеннее влияние на значение измеренного стока времени добегания воды до створа.
Специально для целей сравнения рассчитанного стока с измеренным в Омске в 1960 — 1970-х гг. были построены вручную (без использования ГИС-техно-логий) 166 карт гидрометрического слоя месячного и годового стока центральной части Западно-Сибирской равнины площадью около 1 млн кв. км [10]. Для построения карт использовались режимные измерения Гидрометслужбы в 180 створах рек исследованной территории с площадями водосборов от 200 кв. км до 30 000 кв. км. Карты ежегодного годового слоя стока в мм/год были построены в пределах интервала от 1950 г. до 1971 г., карты ежемесячного слоя стока в мм/мес. были построены для каждого из годовых интервалов с 1964 г. до 1975 г.
Сравнение рассчитанного стока с измеренным удается выполнить лишь для юга лесной зоны Западной Сибири, где имеется довольно густая сеть гидро-постов на реках. Здесь, в условиях чрезвычайной равнинности территории слой стока рек не зависит от площади водосбора [11]. Южнее, в зоне недостаточного увлажнения, слой стока с больших водосборов оказывается, как известно, намного меньшим, чем с малых, на малых же водосборах измерений практически нет. Стоковые гидрометрические площадки в Западной Сибири отсутствуют.
Слой измеренного стока определялся по картам [10] для пуансонов метеостанций, или вычислялся по материалам измерений расходов воды в реке (р. Арем-зянка — д. Чукманка, Б = 478 км2, р. Демьянка — юрты Лымкоевские, Б = 30 600 км2, р. Тара —
с. Муромцево, Б=16 400 км2 , р. Васюган — с. Средний Васюган, Б = 31 700 км2 , р. Туртас — с. Мостовое, Б = 9850 км2). Несмотря на то, что площади водосборов рек превышают площадь приемного отверстия осадкомера в триллион раз, во многих случаях (конкретные годы и месяцы) значения расчетного стока отличаются от измеренных не более чем на 10-20 %!
В те годы и месяцы, когда значения слоя стока — рассчитанного и измеренного — значительно отличаются друг от друга, очевидно, имело место несоответствие измеренных на метеостанции осадков среднему увлажнению водосбора — чаще всего это вызвано ливнями, выпавшими над прибором. Изучение этой серьезной проблемы ждет своих исследователей. Во время снеготаяния весьма существенную роль в генезисе стока играют такие факторы подстилающей поверхности, как состояние почвогрунтов под снегом, перераспределение влаги в понижениях рельефа и другие факторы, не учитываемые описанной выше математической моделью. Учет этих влияний на сток можно будет производить в среде ГКР путем введения соответствующих коэффициентов к зимним осадкам или варьированием значений параметра п для конкретной метеостанции и для конкретных лет.
Первые результаты генетического построения гидрографов стока с суточным разрешением по данным метеостанций весьма обнадеживают. На рис. 1 представлен фрагмент непрерывной цепи гидрографов стока, полученной при массовых расчетах по системе уравнений ГКР, использующих ежесуточные данные измерений атмосферных осадков и температур воздуха на метеорологической станции Тара (1945- 1975 гг.). В табл. 2 и 3 приведены месячные и годовые суммы значений слоя элементарного климатического стока и измеренного слоя стока в районе станции Тара, а на рис. 2 представлены графически данные табл. 3. Слой гидрометрического стока в разные годы колеблется от 20 до 130 мм, расчетные значения слоя годового стока — от 13 до 215 мм/год. В табл. 4 и на рис. 3-5 показаны результаты сравнения стока, рассчитанного по суточным интервалам по материалам станции Тобольск, с измеренным на соседних водосборах [10]. На рис. 6 представлены результаты массовых расчетов гидрографов стока по данным метеостанции Тобольск.
Сравнение расчетного стока с измеренным показывает, что рассчитанный сток близок к измеренному не только в целом за год, но и во внутригодовом ходе; это позволяет надеяться, что и суточные значения расчетного стока — не случайные числа. Следовательно, модель преобразований влаги на поверхности водосборов, используемая для расчетов стока, представляет собой работоспособную схему, дающую уже сегодня весьма удовлетворительные результаты. После усовершенствования же расчетной схемы и проверки ее на стоковых площадках можно будет использовать расчетные гидрографы для массового исследования закономерностей географического распределения элементарного климатического стока на территориях, где гидрометрическая сеть крайне редка или отсутствует.
В теплых странах и в теплое время года в холодных странах элементарный сток образуется лишь в часы выпадения осадков и не зависит от тепловых ресурсов, а значение параметра п является константой, определяемой водопроницаемостью почвогрун-тов и уклонами земной поверхности. В холодных
Тара. 1967. Ежесуточный слой стока в мм
0,35
0,3 0,25 -0,2 -0,15 0,1 0,05 0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58
Номера расчетных суточных интервалов с 15.04 до 15.06
Рис. 1. Расчетный гидрограф элементарного стока, полученный по исходным метеоданным ст. Тара для маловодного 1967 г. Ось ординат — суточные слои стока в мм
Рис. 2. Рассчитанный и измеренный (определенный по картам Атласа гидрометрического стока) слой годового стока (в
мм/год) в районе метеостанции Тара
Рис. 3. Контроль рассчитанных значений суточного стока — ежегодные суммы слоя стока по данным метеостанции Тобольск. Коэффициент корреляции г =0,637, г2 = 0,40
Рис. 4. Сравнение рассчитанного по данным метеостанции Тобольск слоя годового стока с измеренным
Рис. 5. Сравнение рассчитанного по суточным интервалам слоя стока
с апреля по октябрь в Тобольске в 1964-1975 гг. со значениями измеренного слоя стока[10]. Коэффициент корреляции г = 0,70.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011
%
Расчетные гидрографы стока в Тобольске за 12 лет
Рис. 6. Метеостанция Тобольск. Цепь расчетных гидрографов стока с суточным разрешением, полученная по метеорологическим данным
Таблица 3
Таблица 2 Сравнение рассчитанных и измеренных значений
Месячные суммы слоя стока слоя годового стока (в мм)
в районе метеостанции Тара в 1967 г. в районе метеостанции Тара
Месяц Усут, мм/мес Уизм, мм/мес
4 3 2
5 2 1
6 1 0,5
7 1 0,5
Сумма 7 4
Год Урасч Уизм Год Урасч Уизм
1950 57 80 1961 105 100
1951 31 60 1962 65 50
1952 10 30 1963 45 70
1953 31 50 1964 52 100
1954 23 30 1965 39 50
1955 36 45 1966 50 75
1956 46 70 1967 13 20
1957 83 100 1968 57 25
1958 40 40 1969 78 100
1959 28 50 1970 215 110
1960 82 150 1971 98 130
Таблица 4
Рассчитанный и измеренный слой годового стока в мм. Метеостанция Тобольск
Год Урасч Уизм Год Урасч Уизм
1964 27 60 1969 55 60
1965 44 70 1970 116 182
1966 69 69 1971 117 130
1967 64 24 1972 79 58
1968 77 26 1973 108 75
странах ежегодно самым сложным для аналитического описания расчетным периодом является период снеготаяния, однако благодаря быстродействию современных вычислительных машин и безграничным возможностям программирования исследователь получил возможность улучшать результаты, вводя в расчет в любом месте с помощью условных переходов характеристики, учитывающие конкретные влияния многих факторов стока. Например, если в дни снеготаяния наблюдается понижение
температуры до отрицательной (возврат холодов), то элементарный сток прекращается.
Расчет стока с суточным разрешением по данным метеостанций о температурах воздуха и об атмосферных осадках — весьма перспективное направление исследования географических и гидрологических закономерностей стоковых процессов, с одной стороны, и единственный из известных на сегодня перспективных методов изучения водных ресурсов миллионов неизученных водосборов на всех континентах.
Выводы
1. Метод расчета местного климатического стока, основанный на совместном решении уравнений водного и теплового балансов (метод Мезенцева), позволяет строить гидрографы с суточным разрешением по массовым данным метеостанций с точностью, вполне приемлемой для целей изучения стока при отсутствии гидрометрических данных. Развитие единственного существующего уже полвека генетического метода описания стока потребует, безусловно, немало усилий в области компьютерного экспериментирования. Например, предполагается построить для хорошо освещенной метеорологическими и стоковыми данными определенной территории тысячи ежедневных карт осадков и отбраковывать данные тех станций, где вырисовываются бычьи глаза, обусловленные ливнями. Затем следует обновить базу данных территории и производить расчеты стока по обновленным данным метеостанций — все это лишь для оценки корректности рассчитанных значений стока, испарения и влажности почвы.
2. Совершенствование метода путем варьирования значений параметров уравнения связи, особенно в период снеготаяния, позволит увеличить точность расчета. Для контроля точности расчетов на нескольких метеостанциях 1-го класса необходимо построить стоковые площадки и установить самописцы уровня (и расхода) воды. Строить стоковые площадки отдельно от метеостанции намного дороже, особенно если учесть эксплуатационные расходы и затраты на охрану приборов. Персонал же метеорологов, привыкший к дисциплине, легко освоит обслуживание водомерных устройств.
3. В условиях сплошного регулирования стока водохранилищами, тотального перераспределения водных ресурсов каналами и водоводами, перераспределения, без которого в ближайшие столетия человечеству не обойтись, гидрографы стока, получаемые по метеоданным, будут характеризовать местный, а не зарегулированный сток, то есть местные водные ресурсы.
4. Развитие и внедрение в практику генетического метода описания стока с суточным разрешением — это новое направление исследований в тепловоднобалансовой гидрологии суши, новый, весьма перспективный раздел учения о генезисе стока.
Библиографический список
1. Мезенцев, В. С. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования ЗападноСибирской равнины по признакам увлажнения и теплообеспе-ченности / В. С. Мезенцев // Труды Омск. с.-х. ин-та. — Омск, 1957. - Т. 27. - 121 с.
2. Режимы влагообеспеченности и условия гидромелиорации Степного края / В. С. Мезенцев [и др.]. — М. : Колос, 1974. — 239 с.
3. Карнацевич, И. В. Расчеты стока в гидромелиоративных характеристик по данным метсостанций / И. В. Карнацевич // Гидрология и гидротехнические мелиорации. — Омск : Изд. Омск. с.-х. ин-та, 1982. — С. 23 — 28.
4. Карнацевич, И. В. Динамика тепла и влаги в районе Омска за 20 лет (1953—1974 гг.) / И. В. Карнацевич // Мелиоративные и гидролого-климатические расчеты и характеристики. — Омск : Изд. Омск. с.-х. ин-та, 1984. — С. 17—25.
5. Карнацевич, И. В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири. Ч. I : учеб. пособие / И. В. Карнацевич // Изд. Омск. с.-х. ин-та. — Омск, 1989. — С. 76.
6. Карнацевич, И. В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири. Ч. II : учеб. пособие / И. В. Карнацевич // Изд. Омск. с.-х. ин-та. — Омск, 1991.— С. 82.
7. Алибегова, Ж. Д. Пространственно-временная структура полей жидких осадков / Ж. Д. Алибегова. — Л. : Гидрометео-издат, 1985. — 230 с.
8. Литвинов, И. В. Осадки в атмосфере и на поверхности Земли / И. В. Литвинов. — Л. : Гидрометеоиздат, 1980. — 208 с.
9. Возобновляемые ресурсы тепловлагообеспеченности Западно-Сибирской равнины и динамика их характеристик : монография / И. В. Карнацевич [и др.] // Омск : Изд. ФГОУ ВПО Ом ГАУ, 2007. — 270 с.
10. Карнацевич, И. В. Метод реконструкции стока неизученных рек Западной Сибири с помощью атласа карт изолиний слоя стока за конкретные годы и месяцы : учеб. пособие / И. В. Карнацевич. — Омск : Изд. Омск. с.-х. ин-та, 1986. — 96 с.
11. Воскресенский, К. П. Норма и изменчивость годового стока рек Советского Союза / К. П. Воскресенский. — Л. : Гидрометеоиздат, 1962. — 546 с.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физической географии Омского государственного педагогического университета.
Адрес для переписки: e-mail: ikar.omsk@gmail.com БИКБУЛАТОВА Гульнара Гафуровна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры эффективных технологий и управления в АПК института повышения квалификации, доцент кафедры комплексного использования и охраны водных ресурсов Омского государственного аграрного университета. Адрес для переписки: e-mail: bikbul-g-g@mail.ru РЯПОЛОВ Константин Владимирович, аспирант кафедры комплексного использования и охраны водных ресурсов Омского государственного аграрного университета.
Статья поступила в редакцию 28.03.2011 г.
© И. В. Карнацевич, Г. Г. Бикбулатова, К. В. Ряполов
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (104) 2011 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
