Разработка методики гидрологического прогноза уровней воды Р. Енисей - С. Ворогово Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 556013

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО ПРОГНОЗА УРОВНЕЙ ВОДЫ Р. ЕНИСЕЙ - С. ВОРОГОВО

Иванова Ольга Игоревна

к.г.н. кафедра Природообустройства Красноярский Государственный Аграрный Университет Россия, город Красноярск

Аннотация: Гидрологические прогнозы - это предсказания возникновения и развития того или иного гидрологического явления. Гидрологические прогнозы выпускаются для многих целей, начиная от предсказаний кратковременных событий, до оценок сезонных водных запасов для целей орошения, энергетики или судоходства. Для прогнозирования используются различные методы от простых эмпирических формул и корреляционных связей до сложных математических моделей, представляющих все фазы водного баланса речного бассейна.

Ключевые слова: гидрологические прогнозы; уровень воды; расход воды; критерий качества прогноза;, время добегания.

DEVELOPMENT OF A TECHNIQUE OF THE HYDROLOGICAL FORECAST OF WATER LEVELS OF THE YENISEI RIVER - THE

VILLAGE OF VOROGOVO

Ivanova Olga Igorevna

candidate of geographical sciences associate professor Prirodoobustroystva Krasnoyarsk State Agricultural University Russia, Krasnoyarsk

Summary: Hydrological forecasts are predictions of emergence and development of this or that hydrological phenomenon. Hydrological forecasts are issued for many purposes, beginning from predictions of short-term events, to estimates of seasonal water stocks for an irrigation, power or navigation. For forecasting various methods from simple empirical formulas and correlation communications to the difficult mathematical models representing all phases of water balance of the river basin are used.

Keywords: hydrological forecasts; water level; water consumption; criterion of quality of the forecast; dobeganiye time.

Река Енисей протекает в пределах Восточной Сибири, по площади бассейна занимает седьмое место в мире и второе в стране после бассейна р. Оби, и составляет - 2 580 ООО кв. км. Длина р. Енисей - 3 490 км. уступает рекам Обь и Лена, по водности занимает первое место среди рек России, имеет среднегодовой расход 19870м3/с и среднемноголетний годовой сток 630 км3. Бассейн р. Енисей принято делить на части: верхнюю, среднюю и нижнюю (от устья р. Большой Пит) [4,5].

Рассмотрим участок р. Енисей от устья р. Ангары до устья р. Подкаменная Тунгуска. Левый берег участка преимущественно низменный, а вдоль правого до самого устья Подкаменной Тунгуски тянется Енисейский кряж, но встречаются участки, когда гнейсовые утесы сжимают реку с обеих сторон. Главные притоки р. Енисея на этом отрезке: справа - Большой Пит, слева - р. Сым,

537

р. Дубчес, р.Кас[4].

На расстоянии пятидесяти километров от села Ворогово, начинается самый трудный для судоходства участок на Нижнем Енисее - Осиновый порог. Верхнее - и Нижнее - Стародубовские острова, разделяют основное русло Енисея на протоки, правобережная протока мелкая, в межень не судоходна. В основном русле расположен Осиновский порог, образованный двумя каменистыми грядами. Ежегодно в зимний период, здесь ведутся взрывные дноуглубительные работы, летом они ведутся драгами.

Климат данного участка бассейна реки отличается резкой континентальностью, что приводит к большим контрастам температуры воздуха. Осень, как правило, начинается в первой декаде сентября, в конце августа на севере. Установление снежного покрова происходит в среднем с 8 по 30 октября. В конце третьей декады октября, на севере - в конце второй декады, наступает зима. Зима холодная, продолжается около 5,5 месяцев, в северной части территории - около 6,5 месяцев. Самый холодный месяц года - январь. Средние температуры января на юге территории около минус 20-22°С, на севере минус 23-27°С. В особенно суровые зимы повсеместно на данной территории отмечаются периоды с минимальными температурами ниже минус 50°С, в северной части такие температуры наблюдаются практически ежегодно. Снеготаяние начинается в начале апреля при положительных дневных температурах. Во второй половине апреля, а на севере в начале мая, начинается весна, которая продолжается немногим более месяца. Лето наступает в конце мая, на севере - в начале июня. Самый теплый месяц года, - июль, средние температуры этого месяца в пределах 16,5-18,9°С. Абсолютный максимум температуры воздуха колеблется от 34 до 38°С. Территорию можно отнести к умеренно увлажненной, годовое количество осадков колеблется в пределах от 450 до 630 мм в год [2].

Основное питание реки Енисей на этом участке за счет таяния снежного покрова, оно составляет до 50 %.

Енисей на данном участке замерзает к началу ноября. Весеннее половодье обычно начинается в середине мая, длится 2,5 - 3,5 месяца, скрытие реки проходит в конце мая - начале июня, ледостав длится до 180- 200 дней. Весенний ледоход часто сопровождается заторами льда, при этом уровни воды могут повышаться на 15-20 м, что приводит к катастрофическим наводнениям [4].

Под влиянием Красноярской ГЭС замерзание Енисея в нижнем течении происходит посредством образования ледяных перемычек, повышения уровня воды, уменьшения уклонов на кромке льда и как следствие смерзания поступающего с верхних участков реки ледяного материала (шуги).

Скорость наступления кромки ледостава зависит от температуры воздуха, и от расходов воды в период замерзания.

Ледяная перемычка практически ежегодно образуется у Осиновского Порога, от нее идет продвижение кромки льда вниз по реке.

При установлении ледостава на Енисее движение кромки ледяного покрова продолжается до тех пор, пока достаточное количество ледяного материала поступает с верхних участков. При сокращении длины шугообразующего участка наступает равновесие и местоположение кромки льда стабилизируется. Колебания температуры воды приводят к неоднократному срыву кромки льда, поступлению ледяного материала под ледяной покров, увеличению стеснения русла и как следствие - к значительным подъемам уровней воды, которые, в зарегулированных условиях при установлении ледостава возросли в 2-3 раза.

Разработка методики прогноза уровней воды р. Енисей - с. Ворогово.

Сбор исходных данных

В качестве потенциальных предикторов уравнения регрессии для прогноза уровней воды р. Енисей - с. Ворогово была использована база гидрологических данных за 9 лет, период с 2006 по 2014 гг. количество членов в каждом ряду составило 1382 :

Уровни воды, расходы по р. Енисей -г. Енисейск с 15.05-20.10

Уровни воды по р. Енисей - с. Ворогово с 15.05-20.10

Уровни, расходы воды по р. Большой Пит - база. Брянка с 15.05-20.10

Уровни, расходы воды по р. Кас - п. Александровский шлюз с 15.05-20.10

Уровни, расходы воды по р. Сым - с. Сым с 15.05-20.10

Для разработки прогноза уровней воды р. Енисей - с. Ворогово получены уравнения при помощи пошаговой множественной регрессии. Расчеты выполнялись с помощью пакета Statistiсa. Тесноту связи между предикторами в уравнении регрессии характеризует коэффициент корреляции R, в полученных уравнениях коэффициент R > 0.9, связь считается хорошей и приемлемой для практических расчетов. [1].

В результате расчетов было получено 5 моделей прогноза.

1) Первая модель для времени добегания (т) 3 суток, от г. Енисейска до с. Ворогово (табл.1)

2) Вторая модель выбор уравнения для прогноза по времени добегания от г. Енисейска до с. Ворогово:

• время добегания (т =2 сут.) при уровне воды р. Енисей - г. Енисейск > 350 см;

• время добегания (т =3 сут.) при уровне воды р. Енисей - г. Енисейск < 350 см. (табл. 2).

3) Третья модель выбор уравнения для прогноза по времени добегания от г. Енисейска до с. Ворогово и боковыми притоками р. Енисей - р. Большой Пит (т =3 сут), р.Кас (т =4 сут);

• время добегания (т =2 сут.) при уровне воды р. Енисей - г. Енисейск > 350 см;

• время добегания (т =3 сут.) при уровне воды р. Енисей - г. Енисейск < 350 см. (табл. 3).

4) Четвертая модель для времени добегания (т) 3 суток, от г. Енисейска до с. Ворогово с расходами воды по г. Енисейск (табл. 4)

5) Пятая модель выбор уравнения для прогноза по времени добегания от г. Енисейска до с. Ворогово с расходами воды по г. Енисейск:

• время добегания (т =3 сут.) (т =2 сут.) при расходе воды р. Енисей - г. Енисейск> 10000 м3/с;

• время добегания (т =3 сут.) (т =3 сут.) при расходе р. Енисей - г. Енисейск <10000 м3/с (табл. 5).

Таблица 1

равнение для прогноза у ровней воды р. Енисей - п. Ворогово

Время добегания (т) от исейск до п. Ворогово ок. Н Вор = Н(Ен т -3) *0.176 +Н(Вор т -3)*0.711+13.58 Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово; Н(Вор т -3) - урове (ы по р. Енисей - с. Ворогово т =3 сут; Н(Ен т -3) - уровень воды пс исей - г. Енисейск т =3 сут.

количество членов ряда 1382

R 0.976

0.765

Таблица 2

Выбор уравнение для прогноза уровней воды р. Енисей - п. Ворогово, с переменным временем добегания

1 Уравнение

при уровне воды р. Енисей - г.Енисейск если Уровень воды р. Енисей - г.Енисейск >350 то

>350, время Н Вор = Н(Ен >350 т -2) *0.136 +Н(Вор т -2)*0.803+3.08

добегания (т) от Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово;

створа г. Енисейск до Н(Вор т -2)- уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово т =2 сут; Н(Ен

п. Ворогово >350 т -2) - уровень воды по р. Енисей - г. Енисейск больше 350 т

2 суток =2 сут.

Я 0.96

2 Уравнение

при уровне воды в если Уровень воды р. Енисей - г.Енисейска < 350 то

створе р. Енисей - Н Вор = Н(Ен <350 т -3) *0.238 + Н(Вор т -з)*0.683+3.06

г.Енисейск <350, Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово;

время добегания (т) от Н(Вор т -3)- уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово т =3 сут Н(Ен

створа г. Енисейск до <350 т -3) - уровень воды по р. Енисей - г. Енисейск меньше 350 т

п. Ворогово 3 суток =3 сут.

Я 0.97

S/б= 0.577

количество членов

ряда 1382

Таблица 3

Выбор уравнение для прогноза уровней воды р. Енисей - п. Ворогово, с переменным временем добегания и боковыми притоками_

1 Уравнение при уровне воды р. Енисей - г.Енисейск >350, время добегания (т) от створа г. Енисейск до п. Ворогово 2 суток и боковыми притоками если Уровень воды р. Енисей - г.Енисейск >350 то Н Вор = Н(Ен >350 т -2) *0.196 + Н(Вор т -2)*0.652+Н(Пит т -3)*0.100+Н( Кас т -4)*0.035-1.47 Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово сегодня; Н(Ен >350 т -2) - уровень воды по р. Енисей - г. Енисейск больше 350 т =2 сут; Н(Вор т -2)- уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово т =2 сут; Н(Пит т -3) -уровень воды по р. Большой Пит т =3 сут; Н( Кас т -4) - уровень воды по р.Кас т =4 сут.

Я 0.98

2 Уравнение при уровне воды в створе р. Енисей -г.Енисейск <350, время добегания (т) от створа г. Енисейск до п. Ворогово 3 суток и боковыми притоками если Уровень воды р. Енисей - г.Енисейска < 350 то Н Вор = Н(Ен <350 т -3) *0.29 + Н(Вор т -3)*0,536+Н(Пит т -3)*0.048+ Н( Кас т -4)*0.106-13,2 Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово ; Н(Вор т -3)-уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово т =3 сут; Н(Ен <350 т -3) - уровень воды по р. Енисей - г. Енисейск меньше 350 т =3 сут; Н(Пит т -3) -уровень воды по р. Большой Пит т =3 сут; Н( Кас т -4) - уровень воды по р.Кас т =4 сут.

Я 0.97

S/б= 0.558

количество членов ряда 1382

Таблица 4

Уравнение для прогноза уровней воды р. Енисей - п. Ворогово с расходами воды по г. Енисейску._

Время добегания (т) от г. Енисейск до п. Ворогово 3 суток, с расходом воды по г. Енисейску. Н Вор = Q(Ен Т -3) *0.0073 +Н(Вор Т -3)*0.71+15.69 Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово сегодня; Н(Вор т -3) - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово т =3 сут; Q(Ен т -3) - расход воды по р. Енисей - г. Енисейск т =3 сут.

количество членов ряда 1382

R 0.98

S/б= 0.768

Таблица 5

Выбор уравнения для прогноза уровней воды с. Ворогово-г. Енисейск с переменным временем добегания, с расходами воды р. Енисей - г. Енисейска_

1 Уравнение при расходах воды р. Енисей - г.Енисейск >10000, время добегания (т) от створа г. Енисейск до п. Ворогово 2 суток если Расход воды р. Енисей - г.Енисейск >10000 то Н Вор = Q(Ен >10000 т -2) *0.0078 +Н(Вор т -2)*0.76-7.66 Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово; Н(Вор т -2)- уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово т =2 сут; Q(Ен >10000 т -2) - расход воды по р. Енисей - г. Енисейск больше 10000 т =2 сут.

R 0.95

2 Уравнение при расходах воды р. Енисей - г.Енисейск <10000, время добегания (т) от створа г. Енисейск до п. Ворогово 3 суток если Расход воды р. Енисей - г.Енисейска < 10000 то Н Вор = Q(Ен <10000 т -3) *0.0042 + Н(Вор т -3)*0.829+9,818 Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово; Н(Вор т -3)- уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово т =3 сут; Q(Ен <10000 т -3) - расход воды по р. Енисей - г. Енисейск меньше 10000 т =3 сут.

R 0.97

S/б= 0.663

количество членов ряда 1382

Применение любой модели краткосрочного или среднесрочного прогноза считается эффективным, если средняя квадратичная ошибка прогноза (S) меньше среднего квадратичного отклонения (g) предсказываемой величины за период заблаговременности прогноза [1,3]. Для оценки показателя точности методики прогноза используется критерий качества прогноза, равный отношению S/g. Средняя квадратичная ошибка прогноза определяется по формуле:

S =

É (H (t) p - H (t))2,

(1)

T -1 1 i0

где 10 - номер интервала, с которого начинается расчет; Т - номер интервала, которым расчет заканчивается; Н(^ - уровень (расход) воды, рассчитанный по уравнениям модели, Н(1) -наблюденный уровень (расход) воды. Среднее квадратичное изменение уровня (расхода) воды за период заблаговременности равно

t=t

£ [H (t) - h (t-t)]1 ^_, (2)

t -1 1 »0

где H(t) - H(t-t) - изменение фактических уровней (расходов) воды за период заблаговременности прогноза. Приемлемыми считаются методики прогноза, для которых соотношение S/g не превышает 0.8, причем при S/g <0.5 - качество методики «хорошее», при 0.5 -0.8 - «удовлетворительное». При S/g от 0.8 до 1.0 методика «не удовлетворительная».

Вывод:

После оценки показателя точности методики прогноза S/g приведенного для каждой модели в (табл. 4-5), качество методик «хорошее», и «удовлетворительное».

В результате выполненных нами расчетов все 5 моделей для прогноза уровней воды р. Енисей - с. Ворогово, можно использовать в практике.

Авторские испытания на примере 2015 года модели 2 приведены в (табл. 6), качество методик «удовлетворительное».

Таблица 6

Выбор уравнение для прогноза уровней воды р. Енисей - п. Ворогово, с переменным временем добегания

1 Уравнение при уровне воды р. Енисей - г.Енисейск >350, время добегания (т) от створа г. Енисейск до п. Ворогово 2 суток если Уровень воды р. Енисей - г.Енисейск >350 то Н Вор = Н(Ен >350 т -2) *0.136 +Н(Вор т -2)*0.803+3.08 Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово; Н(Вор т -2)- уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово т =2 сут; Н(Ен >350 т -2) - уровень воды по р. Енисей - г. Енисейск больше 350 т =2 сут.

2 Уравнение при уровне воды в створе р. Енисей -г.Енисейск <350, время добегания (т) от створа г. Енисейск до п. Ворогово 3 суток если Уровень воды р. Енисей - г.Енисейска < 350 то Н Вор = Н(Ен <350 т -3) *0.238 + Н(Вор т -3)*0.683+3.06 Н Вор - уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово; Н(Вор т -3)- уровень воды по р. Енисей - с. Ворогово т =3 сут Н(Ен <350 т -3) - уровень воды по р. Енисей - г. Енисейск меньше 350 т =3 сут.

S/б= 0.736

количество членов ряда 156

Список литературы:

1. Бураков Д.А., Иванова О.И. Анализ формирования и прогноз стока весеннего половодья в лесных и лесостепных бассейнах рек Сибири.- М.: Метеорология и гидрология, № 6, 2010. -с.87-100.

2. Климатические характеристики Красноярского края. - Красноярск: Красноярское УГМС, 2001. - 82 с.

3. Попов Е. Г. Основы гидрологических прогнозов - М.: Гидрометеоиздат, 1968. - 295 с.

4. Ресурсы поверхностных вод - М.: Гидрометеоиздат, 1973. - Т. 16., Енисей. - вып. 1. - 723 с.

5. Физико-географическое районирование Красноярского края и Республики Хакассии (Масштаб 1:7500000). Автор Калашников Е.Н. // Атлас Красноярского края и Республики Хакасии. - Новосибирск: Роскартография, 1994. - с.42-43.