CC BY
33
УДК 551.16
ПРОГНОЗЫ УРОВНЕЙ ВОДЫ РЕКИ ОБЬ У ГОРОДА БАРНАУЛА ДЛЯ ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ 2019 ГОДА
Е.Д. Кошелева1-2
1 Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: edk@iwep.ru
2Алтайский государственный аграрный университет, Барнаул, E-mail: kosheleva.asau@yandex.ru
Приведены сведения о последствиях наиболее сильных паводков и половодий за последние 5 лет в регионах Сибири. Для осуществления прогнозов в ситуации паводков и половодий в исследовании применен метод краткосрочного прогнозирования уровня воды по соответственным уровням вышерасположенных створов. Приведены результаты прогнозирования уровней воды р. Обь во время половодья 2019 г. на гидрологическом посту с. Усть-Чарышская пристань с заблаговременностью 1 сутки и у г. Барнаула с заблаговременностью 1-3 суток. Оценены ошибки и точность полученных прогнозов.
Ключевые слова: половодье, наводнение, подтопление, наблюдения, уровень воды, гидрологический пост, р. Обь, г. Барнаул, краткосрочные прогнозы.
DOI: 10.24411/2410-1192-2019-15406 Дата поступления 1.09.2019
В 2014 г. регионы Сибири пострадали от наводнений, повлекших за собой огромный ущерб. Например, на юге Западной Сибири в Республике Алтай ущерб оценивался в 6,5 млрд руб., пострадали более 43,5 тыс. чел., более 200 км дорог и 235 мостов были разрушены. В Алтайском крае дождевой паводок в период половодья нанес общий ущерб в 5 млрд руб. и коснулся 125 населенных пунктов с населением около 47 тыс. чел. [1].
В конце июня 2019 г. сильные дожди в Иркутской области привели к подъему уровня воды в реках, который намного превысил критические отметки [2]. Первая волна паводка в июне вызвала наводнения в 10 районах Иркутской области: было подтоплено 109 населенных пунктов. В конце июля вторая волна паводка привела к подтоплению 58 населенных пунктов, в т.ч. городов Тулун, Нижнеудинск и Байкальск. За время паводка всего подтоплению подверглись 10890 жилых домов, из них более 5,4 тыс. были снесены или не подлежат восстановлению [3], погибло 26 человек [4].
В 2019 г. во время половодья на реках Верхней Оби велся непрерывный анализ наблюдений за ходом уровней. В бюллетенях Алтайского ЦГМС отслеживалась ситуация по 11 рекам Верхней Оби: Алей, Ануй, Бия, Бурла, Катунь, Кокса, Обь, Песчаная, Тогул, Чарыш, Чумыш.
На реках Алтайского края критические отметки уровня воды весной 2019 г. не были достигнуты. Подтопление носило непродолжительный и незначительный характер. Уровни воды р. Обь у г. Барнаула не дошли до отметок затопления территории. Отметки подтопления были превышены на четырех гидрологических постах - на реках Алей (города Рубцовск и Алейск) и Чарыш (свх. Чарышское и с. Карпово-2). Наблюдаемые уровни воды превышали отметку подтопления в течение одних суток: на 10 см - у г. Рубцовска (3 апреля), на 60 см - у с. Чарышское (22 мая), на 5 см - у с. Карпово-2 (24 мая). У г. Алейска подтопление территорий длилось 10 дней (7-16 апреля), максимальное превышение составило 40 см. Превышения уровней подтопления тер-
риторий на р. Алей в начале половодья были вызваны ледовыми заторами, а затем - особенностями прохождения половодья от верховьев рек к их среднему и нижнему течению. На р. Чарыш фаза второй волны половодья наложи-лась на волну паводка, которую сформировали в верховье дожди ливневого характера.
Создание и апробация методик краткосрочного прогнозирования уровня воды р. Обь в верхнем ее течении является важной научной задачей, результаты решения которой востребованы региональными службами МЧС для мониторинга развития ситуации во время половодья и дождевых паводков. В 2018 г. автором был применен метод краткосрочного прогнозирования уровней воды во время половодья на р. Обь в районе г. Барнаула по соответственным уровням вышерасположенных створов, который дал хороший прогностический результат [5].
Объекты и методы исследования
Данная работа продолжает исследования в области краткосрочных прогнозов уровней воды [5], основывающихся на использовании соответственных уровней гидрологических постов, расположенных выше по течению. В основу метода положена аналитическая связь между уровнями на верхнем и нижнем постах с учетом времени добе-гания волны половодья. Были использованы данные года прогноза, а не кривая связи, построенная по многолетним данным на двух последовательно расположенных створах реки, согласно методике Ю.М. Георгиевского [6].
Объектом исследования являлся режим уровней на р. Обь у г. Барнаула во время половодья 2019 г. и его зависимость от уровней воды, наблюдаемых на водомерных постах выше по течению: с. Усть-Чарышская Пристань и с. Фоминское.
Для половодья р. Обь у г. Барнаула характерны большая продолжитель-
ность с апреля по август и наличие двух-трех подъемов уровней воды. В период весеннего снеготаяния уровень обычно поднимается на 4-5 м, в многоводные годы - на 6-7 м. Максимальный уровень 763 см относительно нуля водомерного поста (135,52 м БС) на гидрологическом посту (г/п) г. Барнаула регистрировался 16 мая 1937 г. [7]. Для г/п г. Барнаул затопление территории начинается с отметки 520 см (133,09 м БС), опасным уровнем считается 615 см (134,04 м БС) [8].
Целью исследования был краткосрочный прогноз уровня воды р. Оби у г. Барнаула с заблаговременностью 1, 2 и 3 дня. Источниками данных для прогноза уровней служили ежедневные бюллетени МРГ ИВЭП СО РАН и Алтайского ЦГМС.
Используемая математическая модель изложена подробно в работе [5]. Для 2019 г. при прогнозировании использовалась схема речной сети из четырех створов р. Оби на участке от с. Фоминское до г. Барнаула, но для расчета створ р. Чарыш - свх. Ча-рышский не использовался (2-й створ).
Таким образом, была реализована расчетная схема из трех постов р. Оби: с. Фоминское (1-й створ), с. Усть-Чарышская Пристань (3-й створ) и г. Барнаул (4-й створ), в которой уровни воды связаны между собой следующими зависимостями:
Хз( 0 = Л^! з( О t - т ! з );
0 = Л х з 4( 0 + Хз( t - тх з ); где t - время, сут.; х х( 0 - уровень воды на створе 1 - с. Фоминское, см; ( ) -уровень воды на створе 3 - с. Усть-Чарышская Пристань, см; ( ) - уровень воды на створе 4 - г. Барнаул, см;
- время добегания воды от поста с. Фоминское до поста с. Усть-Чарышс-кая Пристань, сут.; т з 4 - время добега-ния воды от поста с. Усть-Чарышская Пристань до поста г. Барнаул, сут.; Л х 1 з( - разность уровней воды на водомерном посту с. Усть-Чарышская Пристань в момент времени t и на посту
с. Фоминское, в момент времени t со сдвигом на величину времени добегания воды т 1 з, см; Д z 3 4( t) - разность уровней воды на водомерном посту г. Барнаул в момент времени t и на посту с. Усть-Чарышская Пристань, в момент времени t со сдвигом на величину времени добе-гания воды , см.
Значения г13 и г34. были получены при выполнении корреляционного анализа связи уровней воды на двух последовательно расположенных по руслу реки постах [5]. Время добегания волны половодья от с. Фоминское до с. Усть-Чарышская Пристань было принято в расчете равным одни сутки, а от с. Усть-Чарышская пристань до г. Барнаула -двое суток. За разницу уровней дня прогноза принималась разница значений уровней текущего дня. В таблице 1 представлены формулы указанных характеристик и прогнозных значения уровня.
В случае измерения уровня воды два раза в сутки с интервалом в 12 часов, количество прогнозных кривых удваивается, прогнозный шаг становится равным половине суток.
Для оценки ошибок прогнозирования временного ряда применялись следующие показатели: ошибка прогнозирования e (t), см, средняя абсолютная ошибка в процентах MAPE, %; средняя абсолютная ошибка MAE, см; среднеквадратичная ошибка MSE; см2; квадратный корень из среднеквадратичной ошибки RMSE, см; средняя ошибка ME,
см. Расчетные формулы для нахождения ошибок приведены в работе [5].
Результаты и обсуждение
В 2019 г. из-за водности года, близкой к средним значениям, в момент начала половодья на р. Обь была поставлена задача прогнозирования уровней воды до момента прохождения максимальных расходов второй волны половодья - по 18 июня. Прогнозирование выполнялось с шагом по времени 0,5 суток, что обеспечивалось ежедневными данными уровней, измеренными в 8-00 и 20-00 (табл. 2, рис. 1). В таблице количество сделанных прогнозов за указанный срок обозначено буквой N. Средние абсолютные ошибки прогноза MAE оказались в интервале 7-19 см.
Краткосрочные прогнозы, выполненные для мая, были лучшими по средней абсолютной ошибке. Для гидрологического поста р. Обь - г. Барнаул при 0,5 суточном прогнозировании средняя абсолютная ошибка прогноза в мае получилась равной 8 см. Далее ошибка прогноза увеличивалась на 4-2 см при увеличении срока прогноза на 0,5 суток. Средняя абсолютная ошибка для 3-х суточных прогнозов достигла 21 см.
Для гидрологического поста р. Обь - с. Усть-Чарышская Пристань при прогнозировании на половину суток вперед средняя абсолютная ошибка мая получилась равной 4 см, при одно-суточном прогнозировании - 7 см.
Таблица 1
Характеристики модели краткосрочных прогнозов уровня воды р. Оби на водомерных постах с. Усть-Чарышская Пристань и г. Барнаул
Характеристики Усть-Чарышская Пристань Барнаул
Время добегания воды, сут. Заблаговременность прогноза, сут. Прогнозная разница уровней, см Прогнозные значения уровней, см ^13= 1 At = 1 Д zH( t + A t) = Дz1 з( t) z3np( t + At) = Д zH( t + Д t) + +zi( t + A t -Ti з ) Г34 = 2 At = 1...3 Д z3P( t + A t) = Дzз 4 ( t) z43p( t + At) = Д z3P( t + A t) + +Z3( t + A t-тз 4 )
Таблица 2
Ошибки и точность краткосрочных прогнозов уровня воды р. Оби на водомерных постах с. Усть-Чарышская Пристань и г. Барнаул в период половодья 2019 г.
Временной прогнозный интервал N МАРЕ, % МАЕ, см МБЕ, см2 ЯМБЕ, см МЕ, см Точность прогноза, %
Обь - с. Усть - Чарышская Пристань
прогноз уровней с заблаговременностью 0,5 суток
1.04 - 30.04 60 3 11 275 17 0 97
1.05 - 31.05 62 1 4 74 9 -1 99
16.03 - 18.06 189 2 6 117 11 0 98
прогноз уровней с заблаговременностью 1 сутки
1.04 - 30.04 60 5 18 608 25 -1 95
1.05 - 31.05 62 2 7 152 12 -1 98
16.03 - 18.06 188 3 10 258 16 0 97
Об ь - г. Барнаул
прогноз уровней с заблаговременностью 0,5 суток
1.04 - 30.04 60 5 10 201 14 +2 95
1.05 - 31.05 62 3 8 266 16 +2 97
17.03 -18.06 187 6 7 157 13 +1 94
прогноз уровней с заблаговременностью 1 сутки
1.04 - 30.04 60 8 16 402 20 +4 92
1.05 - 31.05 62 4 12 555 24 +4 96
17.03 -18.06 186 10 10 324 18 +2 90
прогноз уровней с заблаговременностью 1,5 суток
1.04 - 30.04 60 10 19 562 24 +6 90
1.05 - 31.05 62 5 16 792 28 +6 95
18.03 - 18.06 185 12 13 462 22 +3 88
прогноз уровней с заблаговременностью 2 суток
1.04 - 30.04 60 11 21 663 26 +8 89
1.05 - 31.05 62 6 18 963 31 +7 94
18.03 -18.06 184 15 15 559 24 +4 85
прогноз с заблаговременностью 2,5 суток
1.04 - 30.04 60 13 24 926 30 +10 87
1.05 - 31.05 62 7 20 985 31 +8 93
19.03 -18.06 183 14 17 675 26 +6 86
прогноз с заблаговременностью 3 суток
1.04 - 30.04 60 15 28 1290 36 +11 85
1.05 - 31.05 62 7 21 1053 32 +9 93
19.03 -18.06 182 16 19 838 29 +7 84
В процентном выражении точность прогноза уровня воды р. Обь на г/п г. Барнаул, выполненного с середины марта по середину июня 2019 г., составила от 94 до 84 %, уменьшаясь одновременно с увеличением срока заблаго-временности прогноза.
В 2018 г. точность прогнозов на этих же гидрологических постах р. Оби за пятимесячный период варьировалась
от 95 до 98 %. Увеличение заблаговре-менности выполнения прогноза на 1 день приводило к увеличению ошибки прогноза на 1-2 %.
В 2019 г. точность прогнозов, выполненных за 3 месячный период, менялась от 84 до 98 %. Увеличение заблаго-временности выполнения прогноза половину суток увеличивало ошибку прогноза на 2-4 %.
Рис. 1. Уровни воды (УВ) р. Обь на гидрологических постах с. Усть-Чарышская Пристань и г. Барнаул и их краткосрочные прогнозы, март-июнь 2019 г.
хорошей точностью прогнозировать ход уровня воды при прохождении волн половодья у Барнаула. Средние абсолютные ошибки прогноза половодья на р. Обь у Барнаула за 3 месячный период варьировались от 7 до 19 см в зависимости от срока заблаговременности прогноза.
Выводы
В 2019 г. применение метода краткосрочного прогноза уровня воды реки Оби на Барнаульском гидрологическом посту по соответствующим уровням выше расположенных гидрологических постов в с. Усть-Чарышская Пристань и с. Фоминское позволило с достаточно
Исследование выполнялось в рамках проекта № 0383-2016-0002 «Изучение гидрологических и гидрофизических процессов в водных объектах и на водосборах Сибири и их математическое моделирование для стратегии водопользования и охраны водных ресурсов».
Список литературы
1. В регионах Сибири прогнозируют слабый паводок, но готовятся к худшему 23 марта 2018 г. Москва. ТАСС [Электронный ресурс]. - URL: https://news.rambler.ru/weather /39433703-v-regionah-sibiri-prognoziruyut-slabyy-pavodok-no-gotovyatsya-k-hudshemu/.
2. Ученые назвали причину наводнения в Иркутской области [Электронный ресурс] // РИА Новости, 02.07.2019 14:15. - URL: https://ria.ru/20190702/1556118244.html.
3. Власти Иркутской области подвели итоги наводнений // Вести [Электронный ресурс] - URL: https://www.vesti.ru/doc.html?id=3179724.
4. Карпова Е. Паводок в Иркутской области погибли 26 человек // Документы и факты [Электронный ресурс]. - URL: http://dofa.news/pavodok-v-irkutskoj-oblasti-pogibli-26-chelovek/.
5. Кошелева Е.Д. Краткосрочное прогнозирование уровней воды реки Обь у города Барнаула во время половодья 2018 г. // Изв. Алт. отд-я РГО. - 2018. - № 3(50) - С. 27-37.
6. Георгиевский Ю.М. Краткосрочные гидрологические прогнозы: учеб. пособие. -М.: Изд-во ЛПИ, 1982. - 100 с.
7. Зиновьев А.Т., Кошелев К.Б. Моделирование процесса затопления пойменных территорий для участков крупных рек со сложной морфометрией русла и поймы // Водное хозяйство России. - 2013. - № 6. - С. 17-31.
8. Информационная система по водным ресурсам и водному хозяйству рек России // Центр регистра и кадастра [Электронный ресурс]. - URL: http://gis.vodinfo.ru/.
References
1. V regionakh Sibiri prognoziruyut slaby pavodok, no gotovyatsya k khudshemu 23 marta 2018 g. Moskva. TASS [Elektronny resurs]. - URL: https://news.rambler.ru/weather/39433703-v-regionah-sibiri-prognoziruyut-slabyy-pavodok-no-gotovyatsya-k-hudshemu/.
2. Uchenye nazvali prichinu navodneniya v Irkutskoy oblasti [Elektronny resurs] // RIA Novosti, 02.07.2019 14:15. - URL: https://ria.ru/20190702/1556118244.html.
3. Vlasti Irkutskoy oblasti podveli itogi navodneny // Vesti [Elektronny resurs] - URL: https://www.vesti.ru/doc.html?id=3179724.
4. Karpova Ye. Pavodok v Irkutskoy oblasti pogibli 26 chelovek // Dokumenty i fakty [Elektronny resurs]. - URL: http://dofa.news/pavodok-v-irkutskoj-oblasti-pogibli-26-chelovek/.
5. Kosheleva Ye.D. Kratkosrochnoye prognozirovaniye urovney vody reki Ob u goroda Barnaula vo vremya polovodya 2018 g. // Izv. Alt. otd-ya RGO. - 2018. - № 3(50) - S. 27-37.
6. Georgiyevsky Yu.M. Kratkosrochnye gidrologicheskiye prognozy: ucheb. posobiye. -M.: Izd-vo LPI, 1982. - 100 s.
7. Zinovyev A.T., Koshelev K.B. Modelirovaniye protsessa zatopleniya poymennykh territory dlya uchastkov krupnykh rek so slozhnoy morfometriyey rusla i poymy // Vodnoye khozyaystvo Rossii. - 2013. - № 6. - S. 17-31.
8. Informatsionnaya sistema po vodnym resursam i vodnomu khozyaystvu rek Rossii // Tsentr registra i kadastra [Elektronny resurs]. - URL: http://gis.vodinfo.ru/.
FORECAST OF OB RIVER WATER LEVEL NEAR BARNAUL CITY FOR THE SPRING DURING FLOOD OF 2019
E.D. Kosheleva1-2
institute for Water and Environmental Problems SB RAN, Barnaul, E-mail: edk@iwep.ru 2Altai State Agrarian University, Barnaul, E-mail: kosheleva.asau@yandex.ru
The article provides an overview of the consequences of the most severe floods in the last 5 years in the regions of Siberia. To implement forecasts in the situation of floods in the study, the method of short-term forecasting of the water level at the corresponding levels above the located gates was applied. The results of short-term forecasting of water levels of the Ob river during the flood of 2019 at the hydrological station of Ust' -Charyshskaya Pristan' village of short-term 1 days-in-advance forecast and at Barnaul of short-term 1-3 days-in-advance forecast are presented. The errors and the forecast accuracy are estimated.
Keywords: flood, flooding, observations, water level, gauging station, Ob river, Barnaul city, short-term forecast.
Received September 1, 2019
