CC BY
122
УДК 551.482 И. В. КАРНАЦЕВИЧ
В. С. АКИМОВА
Омский государственный педагогический университет
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
РАСЧЕТЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ ПО ДАННЫМ СТАНДАРТНЫХ МЕТЕОНАБЛЮДЕНИЙ__________________________________
В статье приводятся результаты массовых расчетов местного элементарного стока в суточном разрешении по данным метеостанций за тысячи последовательных суточных интервалов. Для компьютерных расчетов использовались: электронная БД meteo.ru, пакет программ, представляющий собой СУБД и модуль вычисления методом конечных разностей элементов текущих водных балансов из системы уравнений В. С. Мезенцева.
Ключевые слова: текущие водные балансы, элементарные водосборы, гидрографы местного стока.
В конце XIX века крупнейший российский климатолог А. И. Воейков сформулировал в поэтической форме мысль, высказанную Фалесом Милетским 2 000 лет назад: «Реки — продукт климата». Во втором десятилетии XXI века, благодаря созданию и публикации в Интернете электронных баз данных [1] и новой концепции тепловлагообмена на поверхности водосборов в холодных странах планеты [2, 3], стало возможным генерировать достаточно точные, как показывает контроль, значения местного элементарного стока с площадок метеорологических станций исключительно по ежесуточным данным стандартных метеорологических наблюдений.
Используя систему уравнений В. С. Мезенцева [4 — 6], задавая среднюю суточную температуру воздуха, характеризующую тепловые ресурсы и суточную сумму атмосферных осадков КХ, характеризующих поступление воды на поверхность водосбора, гидролог получает за каждый расчетный интервал методом конечных разностей следующие элементы водного баланса: конечную и среднюю за интервал влажности деятельного слоя почвогрунтов Ш2 и Шср, суммарное испарение Ъ и местный элементарный сток У. При этом ресурсами стока и испарения являются, по Мезенцеву, не атмосферные осадки, а суммарное увлажнение
Н = ИХ + Ш1 — Ш2 = Ъ + У. (1)
До 2011 г. гидрографы стока в суточном разрешении гидрологи строили лишь по материалам ежесуточных измерений уровней воды Н в постоянных створах больших рек, используя для определения расходов воды О кривую зависимости расходов от уровней О = ДН). Теперь же стало возможным строить многолетние цепи гидрографов стока, вычисленного генетическим методом [7] по суточным интервалам, задавая многолетние массивы температуры и осадков по ближайшей к исследуемому водосбору метеорологической станции (рис. 1—8).
Приведенные выше графики свидетельствуют о триумфе гидрометеорологии, которая в итоге двухсотлетнего параллельного развития метеорологии и гидрологии получила единую систему аналитического описания процессов преобразования воды на поверхности водосборов под влиянием гравитационного и теплового дренирования водосборов. Процессы эти описываются уравнениями водного баланса и теплоэнергетического баланса. У гидрологов появилась возможность начать разработку нового направления в глобальном изучении местного элементарного стока — направления, основанного на использовании детальных данных наблюдений метеорологических станций. Это особенно важно для практики расчетов стока неизученных областей суши, для определения водных ресурсов неизученных водосборов, число которых на планете исчисляется миллионами.
Созданная трудами тысяч безвестных работников Метеорологической службы дореволюционной России, Советского Союза и Российской Федерации база метеорологических данных ежесуточных измерений характеристик атмосферного увлажнения и тепло-обеспеченности позволяет вычислять с достаточной для многих инженерных целей точностью значения элементов водного баланса, то есть сугубо гидрологические характеристики. Задача ближайшего десятилетия — создать БД и Атлас карт элементов водных балансов всех континентов за каждые сутки, месяц, год всего интервала лет наблюдений каждой метеорологической станции.
Сравнение рассчитанного стока, влажности почвы, суммарного испарения с измеренными значениями за месячные и годовые интервалы цепей конкретных лет [8, 9] показывает, что рассчитанные значения суммарного испарения близки к измеренным не только в месячных суммах, но и во внутримесячном (подекадном) и суточном ходе. На некоторых станциях рассчитанные суммы испарения слабо коррелируют с измеренными значениями. Причина
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (128) 2014 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (128) 2014
Рис. 1. Владивосток. Ежесуточные значения водного эквивалента ТЭР (теплоэнергетических ресурсов) испарения 7ш, мм/сут, полученные по средним суточным температурам воздуха с середины апреля до середины августа 1974 г.
1^1- ^ : 1:і 11 Д:і РпЧ:і Д 11 І.ІІІ..І ь и -тй! 111=1 П Мім.м^іЛм^імиГДіі іи¥іі. мІ
оооооооооооооооооооооооооо
іґіоьлсіьпоьпсіьоотґаі^аігґаігґаітґаітґаіг’поог’ооо
Т—ІГ'ІГ'ІГООт—ІТ—ІГ'ІГ'ІГОООт—ІтНГ'ІГ^ООт—ІтНг^Г'іООт—ІТ-Н
Рис. 2. Владивосток. 1974 г. Суточные слои атмосферных осадков КХ, мм/сут с поправками на недоучет.
Твердые осадки зимнего периода перенесены на 15 апреля
Рис. 3. Владивосток. 1974 г. Рассчитанный по суточным интервалам гидрограф местного стока У (мм/сут) получен расчетом по исходным данным о максимально возможном испарении (7ш — рис. 1) и ежесуточных осадках (КХ — рис. 2)
Рис. 4. Цепь гидрографов рассчитанного по данным метеорологической станции Сочи элементарного стока У, мм/сут. 1460 суток подряд в 2000-2003 гг.
Рис. 5. Цепь ежедекадных рассчитанных по суточным интервалам значений слоя стока (мм/декаду) за 16 лет — с 1945 по 1960 гг. Метеостанция Сочи
Рис. 6. Рассчитанные по данным о средних суточных температурах воздуха и суточным суммам атмосферных осадков метеостанции Астрахань за 31 год (6200 расчетных интервалов) значения годового слоя местного стока с элементарных площадок (мм/год)
этого заключается не в недостатках расчетной модели, а в известных гидрологам и метеорологам несоответствиях в площадном распределении влаги, а также, безусловно, в ошибках измерений, которые контрольным органам гидрометеорологической службы не удавалось до сих пор обнаруживать. Если бы метод расчета был некорректным, тесных коррелятивных связей не наблюдалось бы ни в одном случае.
В теплых странах и в теплое время года в области сезонномерзлых почвогрунтов элементарный сток образуется лишь в часы выпадения осадков и мало зависит от тепловых ресурсов, а значение параметра п является местной константой, определяемой водопроницаемостью почвогрунтов и уклонами земной поверхности. В холодных странах ежегодно самым сложным для аналитического описания рас-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (128) 2014 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (128) 2014
%
Рис. 7. Ежедекадные значения рассчитанного слоя стока в 1974 г. по ежесуточным данным метеорологических наблюдений станции Петропавловск-Камчатский
Рис. 8. Ежесуточные значения рассчитанного слоя стока в 1974 г. по ежесуточным данным метеорологических наблюдений станции Петропавловск-Камчатский
0 20 40 60 80
Рис. 9. Сравнение годового слоя стока (мм/год) за 1967-1972 гг. Метеостанция Туруханск — река Турухан - Янов Стан (Р=10100 кв. км).
По оси абсцисс отложены данные гидрометрических измерений. Коэффициент корреляции г=0,956
четным периодом является период снеготаяния, однако, благодаря быстродействию современных вычислительных машин и большим возможностям численного экспериментирования, исследователь имеет возможность улучшать результаты, вводя в расчет — в любом месте программы с помощью условных переходов — команды, позволяющие ме-
Рис. 10. Корреляция рассчитанных по суточным интервалам ежегодных сумм слоя стока в районе метеостанции Верхоянск и значений слоя годового стока по ежесуточным замерам уровней воды в реке Турагас с площадью водосбора 98,0 кв. км до створа 1,2 км от устья за 1971-1975 гг.
Коэффициент корреляции связи г=0,910
нять параметры системы уравнений в течение нескольких расчетных интервалов. Безусловно, найденные решения должны быть универсальными для всех метеостанций куста.
В монографии [9] выполнена проверка результатов расчета путем сравнения стока и испарения с опубликованными данными измерений Гидромет-
350 300 250 200 150 100 50 0
0 100 200 300 400
Рис. 11. Корреляция рассчитанных по суточным интервалам ежегодных слоев стока в районе Владивостока (в мм/год) за 1967 - 1972 гг. с данными измерений в реке Суйфун с площадью водосбора до гидрометрического створа Тереховка, равной 15 500 кв. км (r=0,88)
Рис. 12. Совмещенные графики стока летом 1982 г. Свердловск — река Черная. Расчетные данные — пунктирная линия
А СПП
А ППП
4;UUU Q е;пп
3 ППП 1::
J/UUU о цпп lyu А
/рии О ППП :\7і
Zj.UUU 1 цпп / м , л
хрии 1 ППП і V vc**:*: : :* ' v* t J v A /
П ЕГПП ■ д t і •. ... : л*. |\Л 1 *\/ *: /\Д . : ; *, : *-; ** 1 V ; т Ї f V v ч-Л *•*., , ; v . - 1 ,-■*.**,* *ж
Uj-эии П ППП Ї V * * —
и,иии 15.0 А 1 1 1 1 1 .1983 15.05.1983 15.06.1983 15.07.1983 15.08.1983 15.09.1983
Рис. 13. Совмещенные графики стока с апреля до сентября 1983 г. Свердловск — река Черная
службы, причем проверка массовая (подряд несколько лет по месяцам) и относящаяся ко всем природным зонам. Значения коэффициентов корреляции, часто превышающие 0,90, свидетельствуют о том, что расчетный метод вычисления элементов водного баланса по данным стандартных наблюдений метеостанций позволяет достаточно точно описывать расходные статьи водного баланса — суммарное испарение и сток.
Для развития гидрологии неизученных областей суши следует создавать, в первую очередь, метео-
рологические посты, а также стоковые площадки с самописцами на действующих метеорологических станциях, предусматривать создание стоковых площадок на новых метеостанциях. Стандартные стоковые площадки могли бы успешно обслуживать и охранять метеорологи — люди в высшей степени дисциплинированные в силу знаний основ метрологии. Стоковые площадки нужны не только для измерения стока, но и для контроля рассчитанных значений стока и уточнения алгоритмов управления изменяемыми параметрами в системе уравнений ГКР
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (128) 2014 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (128) 2014
%
/
5 ООО
4- ООО
3 ООО 4 1
V"?: 1 \ ;
; :1 \л .*. 5 \л Л
1,000 у\.л7 ; у} V *..• * V.
0,000 г 0> і і і і і 1 ої* о-ї* ^ ^ ^ ^ <&' <&' * О6' С?>'
Рис. 14. Совмещенные графики стока в 1984 г. Свердловск — река Черная
Рис. 15. Совмещенные графики стока Свердловск — река Черная за 1985 г.
і 1
/І И г І 1 йй I \
і і ; П і У \Ц і к
і И М /І |ї¥\| Щг\
\ щ ыи \
у Щ1 у/ А /'Ц
— 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 г
ШгОО^^НЮ^НМіЛг^СіІ^МСІщгЛСІКпІСІК^ Н N (Л 'Н ГЧ ГЧ тЧтЧг^ н N Г<1 Н N N тЧтЧг^
Рис. 16. Рассчитанный местный сток по данным метеостанции Тобольск (пунктирная линия) и гидрометрический сток в р. Агитка - юрты Митькинские. 1985 г.
с целью получения в ближайшем будущем универсальной для всех областей суши единой аналитической модели текущих водных балансов.
Одним из важнейших разделов инженерной гидрологии является изучение дождевых паводков, которые образуются во всех природных зонах под влиянием ливней или обложных осадков. На рис. 3, 4, 8 представлены гидрографы стока, полученные расчетом по ежесуточным данным наблюдений трех приморских метеостанций. На рис. 9—11 приведены графики контрольного сравнения рассчитанных по
суточным интервалам и измеренных в ближайших к метеостанции реках суммарных годовых значений стока, а на рис. 12—17 произведено ежесуточное сравнение слоев рассчитанного по температурам и осадкам станции Свердловск (Екатеринбург) и измеренного стока в реке Черная в створе ж.-д. станции Сагра (северные предместья Екатеринбурга). Площадь водосбора реки до гидрометрического створа составляет 220 кв. км, а площадь приемного отверстия осадкомера Третьякова составляет 200 кв. см, т.е. в 11 млрд раз меньше. Несмотря на такую
Рис. 17. Корреляционная связь рассчитанных по станции Тобольск и измеренных значений ежесуточного слоя стока с водосбора реки Агитка. Июль-сентябрь 1985 г. г=0,60 воды в районе Тобольска и в 125 км к ЮВ на водосборе р. Агитка
л о
1 Рк
1,0 1 А !
-1-^+ 1 1 Ь
1 ; 1 / \
1 П Й 1 \ | " :: : **: : :
и,о П А 1 * " :;=/? \ *
и,О П А 1
П 1 :; / \\„ Л /УЦ
и, п т- 1
и г- 1 161 | от = т ММ11II11II1II11II11111111II11IIIII11II1II11II1 ими 1 N1111111IIIIIIIIIII ШИН IIIIIIIIИ М1Ш1Н ИIII ШИН N11IIIIIIIIII С0^|-и")<ч0г''000'>00нг\100^-|_л т—1 1 1 Т 1 Ч—1 1 1 1—1 1
Рис. 19. То же, что на рис. 17, но со сдвигом рассчитанного стока вперед по шкале времени на 7 суток.
По оси абсцисс число суток от начала (16 апреля)
Рис. 18. Зависимость коэффициента корреляции (ось ординат) от сдвига рассчитанных значений (в сутках)
Рис. 20. То же, что на рис. 17 при сдвиге на 7 суток. г=0,68
Таблица 1
Зависимость коэффициента корреляции от сдвига ординат элементарного стока вперед относительно ординат гидрометрического стока.
Тобольск — р. Агитка. 1985 г.
Сдвиг, сутки 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Коэффициент корреляции 0,60 0,62 0,63 0,65 0,66 0,67 0,68 0,68 0,68 0,67
разницу, результаты измерения атмосферных осадков на метеостанции оказываются репрезентативными для огромной площади водосбора.
Несоответствия рассчитанного элементарного стока и гидрометрического объясняются не только различиями в слое осадков — средних для водосбора и измеренных осадкомером на станции, но и эффектом добегания стока в реке до створа, где производят измерения уровней. Пик рассчитанного паводка приурочен к истинной дате, а пик паводка в водотоке представляет собой результат трансформирования потоков, приходящих к створу из разных частей площади через несколько суток после истинной даты элементарных пиков.
Для того, чтобы определить время добегания волн паводков до наблюдательного створа, были вычислены коэффициенты корреляции ежесуточных значений слоя стока — измеренного и рассчитанного — при последовательном сдвиге на одни сутки вперед данных метеорологического расчета стока. Значения коэффициента корреляции при сдвиге на 1—5 суток сначала увеличиваются, затем, после достижения максимума, начинают уменьшаться. Число суток от начала до максимума и есть время добегания пика волны трансформированного водосбором паводка.
На рис. 16 — 20 представлены результаты такого эксперимента, произведенного сравнением ежесуточного слоя стока, полученного расчетом по данным метеостанции Тобольск с 16 апреля до 20-х чисел сентября 1985 г., и ежесуточных слоев стока воды в реке Агитка, вычисленных по ежесуточным расходам воды, опубликованным в Гидрологическом ежегоднике [10] за те же 150 суток. Сдвиг местного элементарного стока вперед выполнен с 16 по 25 апреля. Водосбор реки Агитка находится в 125 км к ЮВ от метеостанции Тобольск, площадь водосбора до створа юрты Митькинские равняется 3430 кв. км.
Таким образом, теснота связи намного повысилась после сдвига рассчитанных ординат вперед на
6 — 7 суток. При дальнейшем сдвиге значения коэффициента корреляции начинают уменьшаться (табл. 1). Средняя скорость добегания паводочной волны за
7 суток (168 часов) до гидрометрического створа при длине реки 120 км составляет 0,20 м/с. Наибольшая интенсивность стока элементарного 1,6 мм/сут, гидрометрического трансформированного — 0,85 мм/сут.
Выводы.
1. Расчеты стока по данным метеорологических станций — новое и весьма перспективное направление в инженерной гидрологии. Его следует развивать,
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (128) 2014 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
НАУКИ О ЗЕМЛЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (128) 2014
произведя расчеты стока по многолетним данным всех метеостанций земного шара и составив по результатам расчетов кадастр местного стока всех континентов.
2. Для контроля результатов расчета необходимо сопоставить эти результаты с массовыми материалами измерений на стоковых площадках метеостанций, организацию которых следует начинать незамедлительно. Многолетние данные наблюдений за стоком на стоковых площадках позволят уточнить алгоритм расчетов и получить универсальный компьютерный комплекс для расчета паводков (наводнений) по стандартным метеоданным.
3. На необжитых территориях для изучения водных ресурсов миллионов неизученных водотоков и их динамики следует создавать не гидрометрические устройства, а метеорологические посты. Это намного дешевле и проще, чем гидрометрия.
4. Изучение элементарного стока не означает отказ от речной гидрометрии на крупных и средних водотоках, но станет самым рациональным путем в деле изучения гигантских пространств Сибири, Канады, Амазонии и других областей суши в отношении наводнений.
Библиографический список
1. Meteo.ru [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http:// www.meteo.ru (дата обращения 29.06.2013).
2. Карнацевич, И. В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. Теплоэнергетические ресурсы климата и климатических процессов / И. В. Карнацевич. — Омск, 1989. — 75 с.
3. Карнацевич, И. В. Расчеты тепловых и водных ресурсов малых речных водосборов на территории Сибири : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 2. Водный баланс и водные ресурсы / И. В. Кар-нацевич. — Омск, 1991. — 80 с.
4. Мезенцев, В. С. Метод гидролого-климатических расчетов и опыт его применения для районирования Западно-Си-
бирской равнины по признакам увлажнения и теплообеспе-ченности / В. С. Мезенцев // Труды / Омск. с.-х. ин-т. — Омск, 1957. - Т. 27. - 121 с.
5. Мезенцев, В. С. Увлажненность Западно-Сибирской равнины / В. С. Мезенцев, И. В. Карнацевич. — Л. : Гидро-метеоиздат, 1969. - 168 с.
6. Режимы влагообеспеченности и условия гидромелиораций Степного края / Под ред. В. С. Мезенцева. — М. : Колос, 1974. — 240 с.
7. Карнацевич, И. В. Перспективы генетического метода расчета элементарного стока по суточным интервалам / И. В. Карнацевич, Г. Г. Бикбулатова, К. В. Ряполов // Омский научный вестник. — 2011. — № 1 (104). — С. 224 — 231.
8. Карнацевич, И. В. Массовые расчеты ежесуточных сумм испарения с поверхности водосборов по данным наблюдений метеостанций / И. В. Карнацевич // Омский научный вестник. — 2013. — № 1 (118). — С. 241—246.
9. Карнацевич, И. В. Расчеты суммарного испарения по данным метеостанций / И. В. Карнацевич. — Saarbrb cken : Palmarium Academic Publishing, 2013. — 168 с. — ISBN 10-365998-697.
10. Государственный водный кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. 1985 г. — Т. 1. РСФСР. Вып. 11. Бассейн Иртыша. Обнинск : ВНИИГМИ-МТТД, 1987. — 382 с.
КАРНАЦЕВИЧ Игорь Владиславович, доктор географических наук, профессор кафедры физической географии Омского государственного педагогического университета.
Адрес для переписки: [email protected] АКИМОВА Виктория Станиславовна, старший преподаватель кафедры проектирования дорог Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 22.01.2014 г.
© И. В. Карнацевич, В. С. Акимова
Книжная полка
Russell, J. Гидрогеология / Jesse Russell. - М. : VSD, 2012. - 96 с. - ISBN 978-5-5100-1976-6.
Гидрогеология (от др.-греч. «водность» + геология) — наука, изучающая происхождение, условия залегания, состав и закономерности движений подземных вод. Также изучается взаимодействие подземных вод с горными породами, поверхностными водами и атмосферой.
Евдокименков, В. Н. Современные методы и алгоритмы обработки и анализа комплекса космической, геолого-геофизической и геохимической информации для прогноза углеводородного потенциала неизученных участков недр / В. Н. Евдокименков, Д. М. Трофимов, М. К. Шуваева. -М. : Физматлит, 2012. - 320 с. - ISBN 978-5-9221-1389-2.
Изложены основные направления применения методов комплексной обработки и анализа результатов многоспектральных космических съемок и анализа результатов многоспектральных космических съемок в сочетании с геолого-географическими и геохимическими данными в интересах прогноза перспектив нефтегазоносности поисковых объектов. Рассмотрены физические основы дистанционного зондирования Земли из космоса и возможность использования получаемых данных для целей прогноза нефтегазоносности поисковых объектов. Приводятся структура программно-математического обеспечения для комплексной обработки многоспектральных данных ДЗЗ в сочетании с геолого-геофизическими материалами и примеры его практического использования для оценки перспектив геологической изученности. Для специалистов в области нефтяной геологии, а также студентов и аспирантов высших учебных заведений, специализирующихся в области обработки данных ДЗЗ.
