CC BY
22
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЁМА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ ПРИ НЕДОСТАТКЕ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Д.А. Семанов, канд. хим. наук, науч. сотр. лаборатории гидрологии О.Н. Урбанова, ст. науч. сотр. лаборатории гидрологии А.Т. Горшкова, канд. геогр. наук, заведующая лаборатории гидрологии Институт проблем экологии и недропользования АН РТ (Россия, г. Казань)
DOI: 10.24411/2500-1000-2020-10555
Аннотация. Во время весеннего половодья по рекам республики проходит значительная часть речного стока, для безаварийного пропуска которого необходимо заблаговременно определить объём возможного поступления талой воды в русла водотоков. Решить проблему поможет информация об осадках холодного периода, формирующих запасы воды в снежном покрове водосборов, полученная с открытых к доступу сайтов интернета. Корреляционный анализ гидро- и метеоинформации для бассейна р. Малый Че-ремшан подтвердил пропорциональность среднего расхода воды за период весеннего половодья суммарному количеству осадков за зиму.
Ключевые слова: весеннее половодье, расход воды, объём стока, корреляционный анализ.
Характерной особенностью водного режима рек Республики Татарстан (РТ) является весеннее половодье, отличающееся большой изменчивостью как по срокам наступления и продолжительности, так и по ежегодному объёму, величина которого зависит от снегозапасов на конец зимы и сочетания природных условий водосбора, определяющих особенности снегонакопления и ход снеготаяния. При «дружных вёснах» (весна, наступающая стремительно, «вдруг», когда раз - и все растаяло) обычно формируются однопи-ковые высокие половодья. В недружные весны при возврате холодов или при неодновременном поступлении талых вод с разных участков водосбора формируются двух-трехпиковые, растянутые по времени половодья. На большинстве рек РТ весеннее половодье обычно бывает средним по объёму и продолжительности, но в отдельные годы отмечаются как аномально низкие, так и аномально высокие половодья, что было зафиксировано весной 1979 г., когда объём половодья был обеспечен значительными запасами воды в снеге. Но не только снегозапасы, но и метеорологическая обстановка способствовали тому, что половодье 1979 г. было стремительным и по срокам своего насту-
пления. Минимальные температуры воздуха зимой 1978-1979 гг. достигали минус 51°С, что обусловило промерзание почвы более чем на метр. В конце апреля температура воздуха резко повысилась до +25°С, что привело к эффекту «дружной весны». Быстрое таяние снежного покрова и высвобождение больших запасов воды при промерзшей почве привело к резкому их поступлению в водные объекты.
С экологической точки зрения весеннее половодье несет пользу речным системам, увеличивая их водность и очищая русла от скопившихся за зиму наносов. Но очень часто при его прохождении возникают критические ситуации, источником которых является так называемый антропогенный фактор. Самовольная застройка пойменных и прибрежных территорий, отсутствие должного контроля эксплуатации гидротехнических сооружений, замусо-ренность русел являются причиной заторов, повышения уровня воды а, как правило, и подтопления прилегающих населенных пунктов и социально-значимых объектов. Поэтому, важность прогнозирования объёмов возможного притока воды в русла рек не вызывает сомнения. Особенно это важно для сохранности прудов в огромном количестве построенных на ма-
лых реках РТ еще в 1970-е гг. прошлого столетия и получивших к настоящему времени значительные разрушения плотин (многие из которых были полностью снесены) в период чрезвычайно высокого весеннего половодья 1979 г.
С этого периода казанскими гидрологами стали ежегодно производиться расчеты объёмов возможного притока в пруды, которые основывались на фактических данных снегосъемок, проводившихся ФГБУ «УГМС Республики Татарстан» по пятидневкам. В последствие процесс расчета был автоматизирован с помощью разработанной авторами данной статьи программы «Прогнозирование паводкоопасной ситуации на водосборах прудов», которую можно использовать не только для бассейнов рек РТ, но и для любых территорий со сходными природными условиями. Программа позволяет выбрать из ряда наблюдений год, аналогичный по гидрометеорологической обстановке текущему и провести расчет объёма возможного притока непосредственно в пруд. Первая часть программы - «Выбор года-аналога» - дает общее представление о ходе развертывания весенних процессов в текущем году. Её основой является Банк Данных, содержащий файлы с информацией об осадках холодного периода, максимальной высоте и запасах воды в снежном покрове, осеннем и предпаводочном увлажнении почвы, максимальной глубине промерзания почвы, слое весеннего стока, максимальном расходе и продолжительности половодья, датам перехода температуры воздуха через 0°С и + 5°С. Вторая часть программы позволяет рассчитать по величине превышения объёмов воды в снежном покрове водосбора конкретного пруда над объёмом самого пруда необходимые объёмы попуска талой воды (в случае больших превышений), либо добавочного объёма для заполнения пруда (при недостаточных превышениях) [1, 2]. Программа позволяет прогнозировать ход развертывания весенних процессов и на водосборах рек, определив не только даты наступления основных фаз половодья, но и величину максимального суточного прироста расходов, которая отражает возможность быстрого
подтопления населенных пунктов, расположенных вдоль рек, особенно в случае прорыва гидротехнических сооружений. К сожалению, в силу различных причин, произошедших в последние годы, работа по ежегодному прогнозированию павод-коопасной ситуации была приостановлена. Связано это, в первую очередь, с невозможностью получения данных современной метеорологической информации, особенно по запасам воды в снеге, традиционно получаемым на основе маршрутных снегомерных наблюдений. Конечно, получать информацию о состоянии характеристик снежного покрова можно с помощью искусственных спутников Земли и методов их интерпретации, но при этом точность оценок запаса воды в снежном покрове будет занижена по сравнению с данными маршрутных снегомерных наблюдений.
Определить объём поступления талой воды в водные объекты при недостатке данных фактических наблюдений все же возможно на основе получения информации об осадках зимнего периода из расчётных источников, что и явилось целью данного исследования. В ходе работ по уточнению наступления основных фаз и численных значений составляющих весеннее половодье в бассейне р. Малый Че-ремшан, был проведён анализ между его определяющими элементами. Математической мерой анализа явился коэффициент линейной корреляции Пирсона, показавший, что средний расход воды за период половодья всегда пропорционален суммарному объёму осадков холодного периода (г=0.81, п=30). Максимальный расход воды зависит от величины объёма стока половодья (г=0.78), который достаточно достоверно связан с его продолжительностью (г=0.58) и официальными данными по осадкам холодного периода (г=0.55, п=30) [3].
Материалы и методы исследования.
Зависимость объёма весеннего половодья от количества осадков холодного периода, формирующих запасы воды в снежном покрове водосборов, была проанализирована на части бассейна р. Малый Черемшан, замыкаемой пунктом гидрологических наблюдений, расположенным у
с. Абалдуевка (код поста 77217). Выбор бассейна определен рядом причин:
а) по посту Абалдуевка имеется достаточно длинный репрезентативный ряд гидрологических наблюдений, результаты которых опубликованы в официальных документах государственного комитета по гидрометеорологии;
б) по данным имеющегося ряда были построены и проанализированы гидрографы стока весеннего половодья, позволившие уточнить основные фазы его развития, характеристики элементов весеннего периода, численные значения предельно высоких расходов воды;
в) расчетные значения гидрологических характеристик получены по кривым обеспеченности, сглаживание и экстраполяция которых осуществлялась логарифмически-нормальным распределением для кубического корня из исходных значений с допустимыми значениями асимметрии и эксцесса, показавшим не худшую предсказательную способность по сравнению с трехпараметрическим гамма-распределением;
г) в верхней части бассейна р. Малый Черемшан расположена метеорологическая станция «Чистополь», метеоданные по которой находятся в свободном доступе.
Для анализа зависимости объёма весеннего половодья от количества осадков холодного периода (октябрь-апрель) использована метеоинформация, включающая два интервала - 1956-1985 гг. и 20082016 гг. За первый период наблюдений данные получены с открытого к доступу сайта http//thermo.karelia.ru, а за второй период - сайта https//rp5.ru. Взятые из этих источников данные проверялись на совместимость непараметрическим тестом Манна-Уитни. Тест показал значение статистики 108, при p=0.39. По проведенному однопараметрическому дисперсионному анализу (one-way ANOVA) значение статистики составляли: F=0.05687, p=0.813. Сделанные тесты отразили совместимость метеорологических данных, полученных из разных источников и возможность их дальнейшее применения.
Результаты исследования. Для характеристики весеннего половодья р. Малый Черемшан в створе гидрологических наблюдений у с. Абалдуевка были использованы данные ежедневных (суточных) расходов воды, характеризующих максимальный сток с площади в 1230 км2, и представляющую собой довольно однородную местность со слабым эрозионным врезом. Для выяснения постоянства местных климатических особенностей бассейна был проанализирован ход весеннего половодья и сделан расчёт расхода воды для средних условий периода 1956-1991 гг., 20082016 гг.
Возможность быстрого подтопления населенных пунктов, расположенных вдоль рек, определяемая величиной максимального суточного прироста расходов воды, для р. Малый Черемшан была определена по производной кривой ежедневных расходов, расчёт которой для каждого года производился методом Савицкого-Галлая полиномом 3 порядка по 9 значениям расходов для того, чтобы исключить случайные скачки производной. Такой способ работает достаточно надёжно в большинстве случаев, за исключением тех лет, когда наблюдались теплые солнечные дни с морозными ночами в первые дни марта. Прирост расходов в этом случае был более чем трехкратный, однако он не был значительным. Максимальный суточный прирост расходов составил в среднем 41,1 м3 за сутки. В очень редких случаях максимальный суточный прирост расходов воды был менее 20,0 м3 и более 115,0 м3 [4].
Скорость и продолжительность нарастания суточного прироста расходов воды зависит не только от складывающейся метеорологической обстановки, но и от объема сне-гозапасов на водосборе, которые напрямую связаны с осадками холодного периода. Для подтверждения такой связи была построена корреляционная зависимость между кубическим корнем из суммы ежедневных расходов воды за период весеннего половодья и суммарным количеством зимних осадков, полученных с открытых источников и представленная на рисунке.
Рисунок. Зависимость объема половодья от количества осадков холодного периода
Коэффициент корреляции Пирсона, отражающий эту зависимость (г=0.461, p=0.0020, п=37), показал тесную связь объёма стока (суммы ежедневных расходов) за период половодья от количества осадков зимнего периода. Коэффициент корреляции Пирсона для среднего расхода и осадков холодного периода, полученных из открытых источников также достаточно высок - г=0.390, p=0.0086 для п=37. Это позволило рассчитать объём стока весеннего половодья по осадкам до марта включительно в 93 млн.мЗ, который ниже среднего (104 млн.мЗ), но не является аномально низким. По данным гидрологических наблюдений на посту Абалдуевка наибольший объем стока за половодье был 253 млн.мЗ (1957 г.), а наименьший -39,4 млн.мЗ [5].
Заключение. Основным элементов в прогнозе весеннего половодья является объём поступления талой воды в водные объекты. Зависимость объёма весеннего половодья от количества зимних осадков, формирующих запасы воды в снежном покрове водосбора, проанализирована для гидрологического поста Абалдуевка (код поста 77217), расположенного в верхней части бассейна р. Малый Черемшан.
Проведённый корреляционный анализ показал, что средний расход воды за период половодья пропорционален суммарному количеству осадков за зиму. Информация об осадках, полученная с сайтов интернета, была проверена на совместимость непараметрическим тестом Манна-Уитни и однопараметрическим дисперсионным анализом (one-way ANOVA). Сделанные тесты отразили совместимость метеорологических данных полученных из разных источников и возможность их дальнейшее использование.
Таким образом, использование доступной информации о количестве осадков (с сайтов интернета) в сочетании с данными о ходе развертывания весенних процессов на водосборах позволит оценить предположительный объём половодья и сделать выводы о необходимых объёмах пропуска воды через плотины или сохранить её запасы в прудах на меженный период. Поскольку объём весеннего половодья является определяющим для максимальных расходов данного периода, полученные предварительные оценки позволят оценить возможность наступления опасных гидрологических явлений.
Библиографический список
1. Урбанова О.Н., Семанов Д.А. Сохранность прудов в период весеннего половодья (опыт прогнозирования паводкоопасной ситуации на водосборах) // Природные, социально-экономические и этнокультурные процессы в России. Часть I. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 120-летию образования кафедры физической географии и этнографии в казанском университете. - Казань: Изд-во «Алма-Лит», 2008. - С. 91-94.
2. Урбанова О.Н., Семанов Д.А. Прогноз наполнения прудов при безопасном пропуске весеннего половодья / Журнал «География и природные ресурсы». - 2010. - №4. - С. 144148.
3. Семанов Д.А., Урбанова О.Н. Региональный подход к определению элементов весеннего половодья на реке Малый Черемшан // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2019. - №5-2. - С. 9-14.
4. Семанов Д.А., Урбанова О.Н. Статистическая оценка параметров стока реки Малый Черемшан // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2019. - № 7-2. - С. 23-29.
5. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Том. 1. РСФСР. Выпуск 24. Бассейны рек Волги (среднее и нижнее течение) и Урала. - Л.: Гидрометеоиз-дат. 1985. - 518 с.
METHOD FOR DETERMINING VOLUME OF SPRING WATERFLOW WITH LACK
OF OBSERVATION DATA
D.A. Semanov, Candidate Chemical Sciences, Researcher, Laboratory of Hydrology O.N. Urbanova, Senior Researcher, Hydrology Laboratory
A.T. Gorshkova, Candidate of Geographical Sciences, Head of the Laboratory of Hydrology Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use (Russia, Kazan)
Abstract. During the spring flood, a significant part of the river runoffpasses through the rivers of the Republic, for accident-free passage of which it is necessary to determine in advance the volume of possible receipt of meltwater in the watercourses. Information about cold period precipitation that forms water reserves in the snow cover of catchments, obtained from Internet sites that are open to access, will help solve the problem. Correlation analysis of hydro-and meteorological information for the Maly Cheremshan river basin confirmed the proportionality of the average water consumption during the spring flood to the total amount ofprecipitation over the winter.
Keywords: spring flood, water consumption, runoff volume, correlation analysis.
