CC BY
23
Bulletin AB RGS [Izvestiya AO RGO]. 2016. No3 (42)
Раздел 2 Section 2
ГИДРОЛОГИЯ. КЛИМАТ HYDROLOGY. CLIMATE
УДК 556.552
ПРОГНОЗ МАКСИМАЛЬНЫХ УРОВНЕЙ РЕКИ ЧАРЫШ В ПЕРИОД СНЕГОТАЯНИЯ
В.П. Галахов1-2, Е.С. Попов1, Е.В. Мардасова1, А.В. Плехова1
1 Алтайский государственный университет, Барнаул, E-mail: mardasova_ev@mail.ru 2Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: galahov@iwep.ru
На примере горного водосбора реки Чарыш рассмотрена методика расчета максимальных уровней в период снеготаяния. На основе простой кинематической модели движения воздушных масс через орографические препятствия рассчитана орографическая добавка к скорости вертикальных движений. Получена статистически значимая связь орографической добавки к скорости вертикальных движений и суммы осадков за зимний период на опорных метеостанциях. Максимальные уровни, формирующиеся вселедствие выпадения жидких осадков, не рассматриваются.
Ключевые слова: река Чарыш, половодье, максимальные уровни.
Дата поступления 11.07.2016
Бассейн реки Чарыш расположен в низкогорной и среднегорной северной-западной части Республики Алтай и юго-западной части Алтайского края. Площадь бассейна реки по замыкающему створу Чарыш - совхоз Чарышский -20,7 тыс. км2, средняя высота водосбора
верхней части Чарыша (створ с. Чарыш-ское с площадью водосбора 7,18 тыс. км2) - 1300 м, средний уклон реки - 8 %о. Лесистость бассейна составляет 40 % [1]. Для оценки максимальных уровней реки рассматривались два водомерных поста: с. Чарышское и свх. Чарышский (рис. 1).
Рис. 1. Внутригодовое распределение стока р. Чарыш на водомерном посту с. Чарышское:
ряд 1 - год, близкий к среднему (1976), ряд 2 - год, близкий к многоводному (1985), ряд 3 - год, близкий к маловодному (1968).
Наиболее продолжительные наблюдения за уровнями воды на водомерном посту свх. Чарышский начаты в 1934 г. [1]. Гидрологический режим характеризуется низкой зимней меженью, значительным весенним половодьем, довольно частыми и в некоторых случаях сопоставимыми с половодьем дождевыми паводками.
Бассейн реки Чарыш выбран в качестве модельного. Как правило, гидрологи при прогнозе объема половодья или максимальных уровней испытывают недостаток данных по метеорологическим наблюдениям. В бассейне Чарыша при прогнозе максимальных уровней мы использовали всего лишь три метеорологические станции: Усть-Кан, Чарыш-ское и Краснощеково. При площади бассейна в 20,7 тыс. км2 и значительной пестроте зимних осадков, с традиционной точки зрения, разработать схему прогноза максимальных уровней невозможно. Однако используя физические законы формирования осадков в облачной массе, такая попытка была сделана. Алгоритм расчета максимального подь-ема уровней за период снеготаяния заимствован из предыдущей работы: расчет объма стока в период половодья в бассейне реки Томи [2].
Алгоритм расчета максимальных уровней
Как известно величина твердых осадков зависит от скорости вертикальных движений во фронтальной зоне [3]. Расчитать эту скорость во фронтальной зоне на основе гидродинамических уравнений не возможно. Но во время пересечения орографических барьеров (горных хребтов) на основе относительно простой кинематической модели движения воздушных масс можно определить орографическую добавку к скорости вертикальных движений. Алгоритм этой модели опубликован [4]. На ее основе для бассейна Чарыша были рассчитаны орографические добавки к скорости вертикальных движений при
формировании снега (рис. 2). Расчеты проводились в АлтГУ.
Для оценки ежегодных снегозапасов в бассейне Чарыша были использованы суммы месячных осадков за холодный период: с 1 ноября предыдущего года по 31 марта расчетного года по ряду метеостанций Росгидромета (табл. 1), данные взяты с сайтов [5-6].
Рис. 2. Матрица орографической добавки к скорости вертикальных движений за счет орографии в бассейне реки Чарыш до устья
(орографическая добавка дана в условных единицах; показана гидрография и основные ГМС; выделен бассейн Чарыша до устья; шаг сетки - 25 км): 1 - от -0,001 до -0,0005; 2 - от -0,0005 до -0,0001; 3 - от -0,0001 до -0,00001; 4 - от -0,00001 до 0; 5 - от 0 до 0,00001; 6 - от 0,00001 до 0,0001; 7 - от 0,0001 до 0,0005; 8 - от 0,0005 до 0,001.
Таблица 1 Орографическая добавка к скорости вертикальных движений на метеорологических станциях (условные единицы)
Метеорологическая станция Орографическая добавка
Краснощеково 0,0003
Чарышское 0,00041
Кызыл-Озек 0,00052
Чемал 0,00027
Шебалино 0,0003
Усть-Кан -0,00003
Онгудай 0,0
Усть-Кокса 0,00003
Катанда -0,000005
На начальном этапе расчетов определялось уравнение регрессии ЕХ = ДУг). (рис. 3). На втором этапе по матрице орографической добавки к скорости вертикальных движений для бассейна Чарыша определялась средняя величина зимних осадков за конкретную зиму. Были просчитаны материалы за периоды для которых имеются метеорологические данные и величины максимальных уровней у свх. Чарыш-ский (табл. 2).
На основе таблицы 2 был построен график связи максимальных уровней от величины зимних осадков в бассейне р. Чарыш (рис. 4). Максимальные уровни выбирались именно за счет таяния снега. В случае больших осадков в июне или подьема уровней за счет заторов анализировался гидрограф стока (рис. 5), а также корректировалась дата и величина максимального подьема за
счет таяния снега. Как видно из хронологического хода уровней весной 1980 г. у свх. Чарышский наблюдался затор. За счет таяния снега максимальный уровень должен был подняться до 300 см. Однако за счет затора он был равен 19 апреля 527 см. Естественно, что заторные уровни на основе суммы зимних осадков спрогнозировать сложно. Аналогично заторные уровни у свх. Чарышский наблюдались в 1977 и 1979 гг. Поэтому в таблице 2 за эти годы приведены не наблюденные средние суточные максимальные уровни, а скорректированные по хронологическому ходу уровней, т.е. сделана «срезка» подьема уроня за счет заторных явлений. Кстати, довольно часто заторы наблюдаются и у с. Чарышское. Однако подъем уровней за их счет невелик: не более 50-60 см.
Зима Зимние осадки, Максимальный Зима Зимние осадки, Максимальный
мм уровень, см мм уровень, см
1967-1968 113,4 512 1974-1975 54,0 234
1968-1969 173,6 552 1975-1976 87,6 460
1969-1970 80,6 428 1976-1977 100,2 486
1970-1971 98,9 460 1977-1978 73,5 -
1971-1972 96,1 400 1978-1979 77,2 400
1972-1973 107,5 487 1979-1980 63,6 300
1973-1974 87,7 442 2005-2006 110,4 468
Рис. 3. Зависимость суммы зимних осадков (ноябрь-март) от орографической добавки к скорости вертикальных движений, 1979-1980 гг.
Таблица 2
Средние суммы зимних осадков в бассейне р. Чарыш, свх. Чарышский
В качестве исходной информации для прогноза подъема воды в период половодья весной 2016 г. использовались материалы по суммам зимних осадков за ноябрь-март, полученные из Алтайского гидрометеоцентра. В результате расчетов величина зимних осадков для бассейна Чарыш в зиму 2015-2016 гг. равна 91 мм. Используя рисунок 4, можно отметить, что максимальный уровень за счет таяния снега не должен превышать 440 см. Естественно, поскольку зависимость на рисунке 4 не функциональна, могут наблюдаться ошибки. Среднее квадратическое
отклонение (на основе полученных материалов) равно 28,5 см. Таким образом, с вероятностью 95 % можно говорить, что максимальный уровень весной 2016 г. будет равен 440 ± 30 см.
Для оценки реальных колебаний уровня воды у свх. Чарышский и сравнение его с прогнозным были использованы материалы Алтайского Гидрометео-центра [7], которые практически подтвердили наш прогноз: максимальный прогнозный уровень должен был составить 440 ± 30 см, или 410-470 см (рис. 6).
550
500 -
450 -
а 2 400 -
Л и 2 _
о о.
350 -
300 -
250 -
200
*
у = -0,0675х2 + 15,508х -404,15 Р12 = 0,9157
50 00 70 80 90 100 110 120
Сумма зимних осадков (ноябрь-март), мм
Рис. 4. Зависимость максимальных уровней от суммы зимних осадков в бассейне р. Чарыш, свх. Чарышский:
* - положение максимального уровня 2016 г.
Рис. 5. Хронологический ход средних суточных уровней весной 1980 г.:
ряд 1 - р. Чарыш у с. Чарышского, ряд 2 - р. Чарыш у свх. Чарышский; ряд 3 - р. Обь у с. Чарышская пристань.
Максимальный наблюденный уровень (7 июня) равен 409 см. Разница с прогнозным 1 см. Необходимо учесть, что максимальный подьем уровня зависит не только от количества твердых осадков, но и от дружности половодья: тает снег монотонно или наблюдаются возвраты холодов. В нашем случае в период с 29 марта (если исключить затор) по 18 апреля наблюдался монотонный подьем уровней. В период с 13 по 15 апреля отмечалось резкое похолодание (рис. 7) и, естественно, уровень упал на
60 см. Далее с 25 апреля начался вновь подьем уровня, который в начале мая сменился резким падением (почти на 1,5 м). Таким образом, можно отметить, что если бы не случилось похолодания 13-15 апреля, то реальный уровень, скорее всего, достиг бы прогнозируемого.
Для оценки подъема уровней на других водомерных постах в бассейне р. Чарыш сделана попытка увязать максимальные уровни свх. Чарышский и, например, у с. Чарышского (рис. 8).
Рис. 6. Хронологический ход средних суточных уровней воды р. Чарыш,
свх. Чарышский, 2016 г.:
В период с 1 по 3 марта ниже водомерного поста наблюдался затор льда [7]. Вверху показан прогнозный максимальный уровень- 440 см и заштриховано 410-470 см.
Рис. 7. Ход средних суточных температур на ГМС Краснощеково, 29 мая по 31 мая 2016 г. [7]
Рис. 8. Связь максимальных уровней р. Чарыш у свх. Чарышский и с. Чарышское
Как видно из рисунка связь получи- ски отсутствует). Очевидно имея про-
лась однозначной и достаточно «тес- гноз подъема максимальных уровней у
ной». Просто она разбивается на две за- свх. Чарышский можно с определенной
висимости: менее 430 см по свх. Ча- степенью уверенности говорить о мак-
рышскому и более 430 см (когда у симальных уровнях и в других населен-
свх. Чарышский вода выходит на пой- ных пунктах в бассейне реки Чарыш.
му, у с. Чарышское - пойма практиче-
Список литературы
1. Ресурсы поверхностных вод СССР. Основные гидрологические характеристики (за 1963-1970 гг. и весь период наблюдений). Том 15. Выпуск 1. Верхняя и Средняя Обь. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 544 с.
2. Галахов В.П. Условия формирования поверхностного стока половодья Кузнецкой котловины. - Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2016 (в печати).
3. Роджерс Р.Р. Краткий курс физики облаков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 232 с.
4. Галахов В.П. Условия формирования и расчет максимальных снегозапасов в горах. - Новосибирск: Наука, 2003. - 104 с.
5. https://www.gismeteo.ru/.
6. http://rp5.ru.
7. Бюллетень о состоянии водных объектов.
References
1. Resursy poverkhnostnykh vod SSSR. Osnovnye gidrologicheskiye kharakteristiki (za 1963-1970 gg. i ves period nablyudeny). Tom 15. Vypusk 1. Verkhnyaya i Srednyaya Ob. -L.: Gidrometeoizdat, 1975. - 544 s.
2. Galakhov V.P. Usloviya formirovaniya poverkhnostnogo stoka polovodya Kuznetskoy kotloviny. - Barnaul: Izd-vo AltGU, 2016 (v pechati).
3. Rodzhers R.R. Kratky kurs fiziki oblakov. - L.: Gidrometeoizdat, 1979. - 232 s.
4. Galakhov V.P. Usloviya formirovaniya i raschet maksimalnykh snegozapasov v go-rakh. - Novosibirsk: Nauka, 2003. - 104 s.
5. https://www.gismeteo.ru/.
6. http://rp5.ru.
7. Byulleten o sostoyanii vodnykh obyektov.
Bulletin AB RGS [Izvestiya AO RGO]. 2016. No3 (42)
FORECAST OF MAXIMUM WATER LEVELS IN RIVER CHARYSH
DURING SNOWMELTING V.P. Galakhov1-2, E S. Popov1, E.V. Mardasova1, A.V. Plekhova1
1Altai State University, Barnaul, E-mail: mardasova_ev@mail.ru institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul, E-mail: galahov@iwep.ru
The method for calculating of maximum water levels during the snowmelt period is discussed by the example of the mountain catchment of river Charysh. Using a simple kinematic model of air mass movement through orographic obstacles, the orographic additive to the velocity of vertical movements is calculated. A statistically significant correlation between the orographic additive to the velocity of vertical movement and the total precipitation during the cold period at the reference weather stations is obtained. Maximum levels formed by precipitation are not considered.
Key words: river Charysh, flood, maximum levels.
Received July 11, 2016
