Уточнение параметров экстремальных летних осадков для проектирования и эксплуатации ГТС на малых водосборах Центрально-Черноземного района России Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Оригинальная статья УДК 556.12:626.82

DOI: 10.26897/1997-6011-2023-4-98-102 l^-^J

уточнение параметров экстремальных летних осадков для проектирования и эксплуатации гтс на малых водосборах центрально-черноземного района россии

Наумова Анна Анатольевна, старший преподаватель;

WoSResearcherlD: HSG-1851-2023, SPIN-код: 9108-7416; AuthorlD: 1010469; orcid: 0000-0002-0373-8655; koshevaya81@mail.ru Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева; 127434, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49, Россия

Аннотация. Основная цель исследований заключается в уточнении параметров экстремальных летних осадков для проектирования и эксплуатации гидротехнических сооружений на малых водосборах. Имея данные по 12 метеостанциям Центрально-Черноземной зоны России, для оценки степени изменчивости экстремальных осадков выбирали наблюдения по фазово-однородным величинам, которые имели генетически однородное происхождение. Использовались статистические методы как при наличии, так и при недостаточности данных наблюдений. В условиях изменяющихся климатических факторов и отсутствия достаточно точных методов определения коэффициента асимметрии были предложены подходы к его определению с помощью метода годопунктов для территории Центрально-Черноземной зоны РФ. Имеющиеся нормативные документы, в которых экстремальные осадки являются основой для определения максимальных расходов, утрачивают изначальную надежность и имеют недостатки в методах определения гидрометеорологических характеристик. Соответственно обоснована необходимость актуализации действующих нормативных документов в связи с тенденцией увеличения значений летних экстремальных осадков относительно рассматриваемого региона.

Ключевые слова: экстремальные осадки, метод годопунктов, однородность, изменение климата, гидротехнические сооружения

Формат цитирования: Наумова А.А. Уточнение параметров экстремальных летних осадков для проектирования и эксплуатации ГТС на малых водосборах Центрально-Черноземного района России // Природообустройство. 2023. № 4. С. 98-102. DOI: 10.26897/1997-6011-2023-4-98-102.

© Наумова А.А, 2023

Original article

specification of parameters of extreme

summer precipitation for the design and operation

of hydraulic structures in small catchments

of the central chernozem (black earth) zone of russia

Naumova Anna Anatolyevna, senior lecturer,

Whos Researcher ID: HSG-1851-2023, SPIN code: 9108-7416; Author ID: 10469; orcid: 0000-0002-0373-8655; koshevaya81@mail.ru

Russian State Agrarian University — Moscow Agricultural Academy named after C.A. Timiryazev; 127434, Moscow, Timiryazevskaya str., 49, Russia

Annotation. The main goal of the research is to clarify the parameters of extreme summer precipitation for the design and operation of hydraulic structures in small catchments. Having data on 12 meteorological stations of the Central Black Earth Zone of Russia, observations of phase-homogeneous values that were of genetically homogeneous origin were selected to assess the degree of variability of extreme precipitation. Statistical methods were used both in the presence and insufficiency of observational data. In the conditions of changing climatic factors and the lack of sufficiently accurate methods for determining the asymmetry coefficient, approaches to its determination using the method of year-points for the territory of the Central Black Earth Zone of the Russian Federation were proposed. Existing regulations, in which extreme precipitation is the basis for determining maximum discharges, lose their initial reliability and have shortcomings in the methods for determining hydrometeorological characteristics. Accordingly, the need to update the existing regulatory documents in connection with the trend of increasing the values of summer extreme precipitation relative to the region under consideration is substantiated.

Keywords: extreme precipitation, method of year-points, homogeneity, climate change, hydraulic structures

Format of citation: Naumova À.À. Specification of parameters of extreme summer precipitation for the design and operation of hydraulic structures in small catchments of the Central Chernozem (Black Earth) zone of Russia // Prirodoobustrojstvo. 2023. № 4. P. 98-102. DOI: 10.26897/1997-6011-2023-4-98-102.

Введение. Вероятностное прогнозирование экстремальных величин гидрологических значений требует постоянного совершенствования. Оценки экстремальных осадков имеют решающее значение для планированияи проектирования важной инфраструктурыотдельных регионов.

Черноземная зона Европейской части России имеет большое количество малых рек и балок. На многих из них стоят малые гидротехнические сооружения, и максимальные суточные осадки являются основой для определения максимальных расходов как в нормативных документах [1-3], так и в моделях «Осад-ки-сток» (Modeling System HEC-HMS) [4], без чего невозможна их безопасная эксплуатация. Гипотеза об увеличении максимальных суточных осадков по многолетним данным сетевых метеостанций Центрально-Черноземного района России проверялась в работах [5, 6] и получила ряд подтверждений, что ставит вопрос о реальной величине максимальных безопасных расходах гидротехнических объектов.

Выдающиеся величины, их вероятностная оценка по ранжированному ряду, надежность расчетных параметров, однородность рядов многолетних наблюдений - все перечисленные и ряд других характеристик экстремальных величин еще требуют совершенствав связи как с проявлением новых расчетных возможностей, так и с проявившимися климатическими тенденциями.

Достоверность определения экстремальных характеристик напрямую связана с совершенство-ваниемметодик вероятностного прогнозирования стихийных явлений: наводнений, ливней и других проявлений экстремальных гидрометеорологических явлений, которые затрагивают общественные интересы, проблему безопасности людей, сохранности материальных ценностей [7, 8].

Цель исследований: уточнение параметров экстремальных летних осадков для проектирования и эксплуатации гидротехнических сооружений на малых водосборах.

Задачами достижения цели стали: оценка статистических параметров экстремальных летних осадков и их погрешностей по имеющимся рядам наблюдений; расчет статистических параметров методом годопунктов для Центрально-Черноземного региона РФ; обобщение численных значений статистических параметров

экстремальных осадков при отсутствии данных наблюдений.

Материалы и методы исследований.

На малых водосборах площадью менее 200 км2, следуя инструкции СП 33-101-2003 определения основных расчетных гидрологических характеристик, используют формулу «предельной интенсивности» [1]. Противоэрозионные сооружения также рассчитываются по ее аналогии. Максимальный суточный слой осадков являет-сяосновополагающим параметром в формулах обеспеченностью 1% - Н1%. Учет этой характеристики должен отражать изменения климата, а соответствующий документ должен постоянно актуализироваться.

Одной из оценок степени стационарности режима экстремальных осадковмогут считаться показатели однородности рядов наблюдений [9]. Критерии однородности Стьюдента и Фишера являются традиционнымидля оценки однородности рядов. Эти критерии опираются на характеристики генеральной выборки (среднее, дисперсия). В коротких рядах наблюдений появление экстремального значения создает кажущуюся неоднородность, и есть стремление это экстремальное значение исключитькак внесенную ошибку. Однако если продлить ряд до 300 лет и далее, то в эту численную последовательность попадут и экстремальные значения, и ряд уже не будет считаться неоднородным.

Оценка критериев рядов экстремальных суточных осадков показала достаточно представительное свидетельство о неоднородности этих рядов наблюдений. Поэтому когда натурных измерений в рассматриваемом регионе недостаточно и необходима дополнительная проверка, то возможно применение следующих методов:

- наблюдения по нескольким пунктам объединяются в один годопункт;

- привлекаются аналоги с наличием длительного ряда наблюдений, который обязательно имеет выдающиеся экстремальные значения;

- устанавливается генетическая связь рассматриваемого параметра с обусловливающими факторами, композиционный метод.

В наших исследованиях был применен метод годопунктов по 12 метеостанциям [10]. Для расчетов использовались метеостанции Центрально-Черноземного района России,

Naumova А.А. Specification of parameters of extreme summer precipitation for the design and operation of hydraulic structures in small catchments of the Central Chernozem (Black Earth) zone of Russia

расположенные в следующих областях: Тамбовская (метеостанция Тамбов), Липецкая (Липецк, Конь-Колодезь), Курская (Курск, Рыльск), Белгородская (Валуйки, Готня, Богородицкое-Фенино), Воронежская (Воронеж, Калач), Саратовская (Балашов), Тульская (Плавск), которые имеют продолжительный ряд непрерывных метеорологических наблюдений. В соответствии с рекомендациями Всемирной метеорологической организации, во исполнение приказа Росгидромета от 18 февраля 2022 г. № 64 «О внедрении актуализированных климатических норм в оперативно-производственную практику подведомственных учреждений Росгидромета» и в соответствии с распоряжением Росгидромета от 29 июня 2022 г. № 197-р с 1 июля 2022 г. в приведенных далее расчетах используется ряд непрерывных наблюдений - с 1991 по 2021 гг.

Таким образом, с использованием метода годопунктов получен ряд экстремальных осадков длиной 372 года. Метод годопунктов был разработан и эффективно применен [11].

Используя графоаналитический метод для оценки коэффициента асимметрии за 372 года, и по каждой метеостанции отдельно в соответствии с рекомендациями [12, 13], при вычислении коэффициента скошенности S по данным точек 5%-, 50%- и 95%-ной обеспеченности, снятых с рисунка 1 (члены ряда были расположены в убывающей последовательности, и для каждого были определены эмпирические значения), метод моментов и метод приближенного наибольшего правдоподобия [14], получили результаты, представленные в таблице 1 [13].

Рис. Экстремальные суточные осадки относительно эмпирической кривой обеспеченности по методу годопункта Fig. Extreme daily precipitation relative to the empirical provision curve by the year-point method

Таблица 1. Статистические характеристики рядов значений экстремальных суточных осадков по наблюдениям 12 метеостанций и методу годопункта Центрально-Черноземного района России

Table 1. Statistical characteristics of extreme daily precipitation series based on observations of 12 meteorological stations and the method of the Year-point of the Central Black Earth zone of Russia

Метод моментов Method of moments Метод Крицкого-Менкеля Kritsky-Menkel mehod Метод квантилей Алексеева Alekseev's Quantile Method

Метеостанции Weather stations Хср Cv Cs Cs/Cv Я2 Я3 Cv Cs Cs/Cv S Cv Cs Cs/Cv

Готня / Gotnya 37,27097 0,45 2,14 4,8 -0,03217 0,03578512 0,41 2,05 5 0,34782609 0,52 1,81 3,49

Калач / Kalach 34,29355 0,42 0,98 2,4 -0,03433 0,03486499 0,42 1,26 3 0,45098039 0,49 1,56 3,19

Балашов Balashov 39,43548 0,47 1,42 3 -0,04038 0,04285436 0,47 1,88 4 0,69230769 0,61 2,2 3,62

Валуйки / Valuiki 42,09032 0,35 0,84 2,4 -0,02513 0,02549789 0,35 1,05 3 0,37704918 0,41 1,13 2,79

Б-Фенино B-Fenino 37,77742 0,25 0,56 2,2 -0,01399 0,01374835 0,25 0,625 2,5 0,05555556 0,28 0,1 0,36

Плавск / Plavsk 42,35806 0,35 0,48 1,4 -0,02711 0,02635384 0,35 0,7 2 -0,1372549 0,36 0,58 1,62

Тамбов / Tambov 32,22258 0,33 1,84 5,5 -0,01975 0,02120494 0,32 1,6 5,00 0,39534884 0,42 1,55 3,72

Воронеж Voronazh 35,48065 0,27 0,17 0,6 -0,01636 0,01580457 0,28 0,7 2,50 0,03225806 0,27 0,1 0,37

Конь-Колодезь Kon-Kolodez 34,3 0,31 1,39 4,4 -0,01962 0,01991908 0,31 1,085 3,50 0,31818182 0,40 0,98 2,46

Рыльск / Rylsk 42,48387 0,33 0,69 2 -0,02343 0,02317495 0,33 0,99 3,00 0,30612245 0,33 0,8 2,42

Чертково Chertkovo 37,72581 0,31 0,36 1,1 -0,02174 0,02113898 0,315 0,63 2,00 0,23076923 0,32 0,75 2,35

Курск / Kursk 40,33548 0,40 1,05 2,6 -0,03155 0,03221367 0,4 1,2 3,00 0,48275862 0,42 1,45 3,43

Годопункт Year-point 37,98118 0,37 1,26 3,4 -0,02638 0,02707246 0,37 1,26 3,41 0,37777778 0,38 1,35 3,51

Наумова A.A. Уточнение параметров экстремальных летних осадков для проектирования и эксплуатации ГТС на малых водосборах Центрально-Черноземного района России

Результаты и их обсуждение. Вычисления среднего значения осадков по данным за 31 год обычно выполняются с небольшой погрешностью. Для оценки статистической погрешности Су использовалась формула:

Ть+С

100%.

(1)

Результаты представлены в таблице 2, из данных которой следует, что для рассматриваемого района С11 можно принимать равным 0,37. Особое внимание приходится уделять оценке коэффициента асимметрии Се, поскольку даже при наличии 150-200 лет данные его погрешности довольно велики. Практика последних десятилетий показала, что наиболее объективной формой для вычисления статистических погрешностей С является формула Резниковского:

^с = 7^J- (1 + 6C„2 + 5Cv4 )100%. (2) ' C V n

По данным таблицы 2 становится очевидным то, что при расчетах погрешности для каждой метеостанции разными методами (моментов, Крицкого-Менкеля, квантилей Алексеева) разброс в значениях составляет от 31,5 до 539,7% для oCs и от 13,102 до 14,866% для осу. При использовании метода годопунктов погрешность для Cs по всем методам находится в пределах от 13,3 до 13,95%, что менее 15%, а для су - от 3,9066 до 3,9682%. Следовательно, для данной территории применение годопунктов при вычислении статистических погрешностей различными методами дает отклонение между ними менее 1%, что говорит об относительной достоверностиполученных значений су и Cs.

В целом можно заключить, что для рассматриваемой территории, по данным расчетов, следует рекомендовать Св = 1.3 и Се / С = 3.5 (табл. 1).

Таблица 2. Определение статистических погрешностей Cv и Cs в различных методах Table 2. Determination of statistical errors C in C different methods

Пункт / Point aCs aCs aCs Пункт / Point aCv aCv aCv

Готня / Gotnya 31,78 31,47 41,94 Готня / Gotnya 13,904 13,726 14,307

Калач / Kalach 66,59 51,95 46,53 Калач / Kalach 13,752 13,775 14,138

Балашов / Balashov 49,92 37,51 39,52 Балашов / Balashov 14,052 14,033 14,866

Валуйки / Baluiki 70,63 56,37 56,68 Валуйки / Valuiki 13,465 13,455 13,703

Б-Фенино / B-Fenino 93,39 83,12 539,7 Б-Фенино / B-Fenino 13,102 13,091 13,192

Плавск / Plavsk 124,64 84,56 103,21 Плавск / Plavsk 13,459 13,455 13,49

Тамбов / Tambov 31,5 35,5 42,02 Тамбов / Tambov 13,385 13,334 13,758

Воронеж / Voronezh 308,69 77 533,4 Воронеж / Voronezh 13,15 13,188 13,16

Конь-Колодезь 40,53 51,65 64,69 Конь-Колодезь 13,313 13,296 13,669

Kon-Kolodez Kon-Kolodez

Рыльск / Rylsk 83,33 58,16 72,08 Рыльск / Rylsk 13,38 13,374 13,378

Чертково / Chertkovo 158,07 89,55 75,71 Чертково / Chertkovo 13,306 13,315 13,333

Курск / Kursk 60,79 52,98 45,3 Курск / Kursk 13,677 13,678 13,786

Годопункт / Year-point 13,95 13,95 13,3 Годопункт / Year-point 3,9065 3,9091 3,9282

Выводы

Анализ многолетних данныхнаблюдений за экстремальными осадками на сетевых метеостанциях Центрально-Черноземногорайона России имеет явные признаки изменений их статистических характеристик, которые используются при проектировании и эксплуатации гидротехнических сооружений на малых водосборах. Для рас-четовнеобходимо использовать более объективные данные последних 30 лет наблюдений, рекомендованные Росгидрометом, и метод годопунктов.

Результаты исследований говорят о том, что для рассматриваемой Центрально-Черноземной зоны при отсутствии данных наблюдений следует принимать соотношение Се / С = 3.5, С = 0.37, а среднее значение экстремальных

осадков - 38 мм. Также следует обратить внимание на то, что для расчетов осадков в данной зоне лучше себя проявляет себя метод моментов. Из этого следует вывод о том, что при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений на малых водосборах нормативные документы нуждаются в новых рекомендациях, разработанных на основе результатов научных исследований, проведенных в конкретных территориальных зонах. Свод правил, не подвергавшийся актуализации, утратил свою изначально заданную безопасность для определенного класса сооружений. В современных климатических изменениях, при увеличении значений летних экстремальных осадков необходим учет тенденции их изменений и территориальных особенностей.

Naumova А.А. Specification of parameters of extreme summer precipitation for the design and operation of hydraulic structures in small catchments of the Central Chernozem (Black Earth) zone of Russia

Список использованных источников

1. СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. 77 с.

2. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. Л.: Гидрометиздат, 1984. 448 с.

3. Рекомендации по методике определения экстремальных гидрометеорологических характеристик. ПНИИС ГОССТРОЯ СССР. Москва, Стройиздат, 1981. 42 с.

4. https://github.com/Dowat/main/blob/master/docs/ UserGuide.mdHydrologicModelingSystemHEC-HMS. Technical Reference Manual. (2000).

5. Карпенко Н.П., Наумова А.А., Ильинич В.В. Оценка влияния изменения характеристик экстремальных ливневых дождей на надежность гидротехнических сооружений // Природообустройство. 2021. № 4. С. 99-105. DOI: 10.26897/1997-6011-2021-4-99-105. EDN EISNAA.

6. Кошевой А.П. Оценка изменения максимальных суточных осадков за последние десятилетия в Черноземной зоне РФ на примере Курской и Липецкой областей // Актуальные вопросы современной науки: теория, технология, методология и практика: Сборник научных статей по материалам X Международной научно-практической конференции, Уфа, 27 декабря 2022 г. Уфа: ООО Научно-издательский центр «Вестник науки», 2022. Ч. 4. С. 240-245. EDNYMWPFN.

7. Beglyarova S., Sokolova S.A., Bakshtanin A.M. Change of Indicators of Pollution of Surface Drain of Urban Territories when Carrying Out Construction Work on the Example of the Private Reservoirs of Rivers Likhoborka and Zhaben-ka //Hydraulic engineering construction. 2021. Vol. 55, № 1. Рр. 35-39. DOI: 10.1007/s10749-021-01316-0. EDNFPENOM.

8. Кирейчева Л.В., Глазунова И.В. Развитие и размещение сельскохозяйственных мелиораций в изменяющихся климатических условиях // Природообустройство. 2017. № 4. С. 80-87. EDN ZGUVOD.

9. Ильинич В.В. Оценка асимметрии в рамках трех-параметрического гамма-распределения // Природообу-стройство. 2010. № 5. С. 71-74. EDN NCMWAF.

10. Всероссийский начно-исследовательский институт гидрометеорологической информации - мировой центр данных - URL: http://meteo.ru. (дата обращения: 20.12.2022).

11. Евстигнеев В.М., Калинин Г.П., Никольская Н.В. Основы расчета естественных колебаний стока по обобщенным кривым обеспеченности // В кн.: Исследование и расчеты речного стока М.: Изд-во Московского университета, 1970. С. 6-97.

12. Statistical methods in the Atmospheric Sciences / Ed.R. Dmowska, D. Hartman, H.T. Rossby // Inter. Geoph. Series. 2011. Vol. 1. Oxford, OX51GB, UK. 668 p.

13. Сикан А.В. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации. Изд. 2-е. СПб.: РГГМУ, 2007. С. 278.

14. Блохинов Е.Г. Распределение вероятностей величин речного стока. М.: Наука, 1974. С. 169.

Критерии авторства

Наумова А.А. выполнила теоретические исследования, на основании которых провела обобщение и написала рукопись. Наумова А.А. имеет на статью авторское право и несет ответственность за плагиат. Статья поступила в редакцию 30.03.2023 Одобрена после рецензирования 10.08.2023 Принята к публикации 15.08.2023

References

1. SP 33-101-2003. Determination of the main calculated hydrological characteristics. Moscow: Gosstroy of Russia, FGUP TSPP. 2004. 77 p.

2. Manual for determining calculated hydrological characteristics. - Leningrad, Gidrometizdat Publ., 1984. 448 p.

3. Recommendations on the methodology for determining extreme hydrometeorological characteristics. PNIIIS GOSSTROY OF THE USSR. Moscow, Stroyizdat, 1981. 42 p.

4.https://github.com/Dowat/main/blob/master/docs/ UserGuide.mdHydrologic Modeling System HEC-HMS. Technical Reference Manual. (2000).

5. Karpenko N.P., Naumova A.A., Ilyinich V.V. Assessment of the influence of changes in the characteristics of extreme shower rains on the reliability of hydro-technical structures. 2021. № 4. P. 99-105. - DOI 10.26897/ 1997-6011-2021-4-99-105. - EDN EISNAA

6. Koshevoy A.P. Assessment of changes in maximum daily precipitation for the last decades in the Chernozem zone of the Russian Federation, on the example of the Kursk and Lipetsk regions // Actual issues of modern science: theory, technology, methodology and practice: a collection of scientific articles based on the materials of the X International Scientific and Practical Conference, Ufa, December 27, 2022. Volume Part 4. Ufa: Vestnik Nauki Scientific and Publishing Center, 2022. P. 240-245. - EDN YMWPFN]

7. Beglyarova S. Change of Indicators of Pollution of Surface Drain of Urban Territories when Carrying Out Construction Work on the Example of the Private Reservoirs of Rivers Likhoborka and Zhabenka / S. Beglyarova, S.A. Sokolova, A.M. Bakshtanin // Hydraulic engineering construction. 2021. Vol. 55, No. 1. P. 35-39. -DOI 10.1007/s10749-021-01316-0. - EDN FPENOM.;

8. Kireycheva L.V., Glasunova I.V. Development and placement of agricultural meliorations in changing climatic conditions. 2017. № 4. P. 80-87. - EDN ZGUVOD.

9. Ilyinich V.V. Assessment of asymmetry within the framework of three-parameter gamma distribution. 2010. № 5. P. 71-74. - EDN NCMWAF.

10. All-Russian scientific research institute of hydro-meteorological information - world data center [Electronics resourse]. (accessed: 12/20/2022).

11. Evstigneev V.M., Kalinin G.P., Nikolskaya N.V. Fundamentals of calculation of natural fluctuations of flow according to generalized supply curves / In the book: Study and calculations of river flow. Moscow: Publishing house of the University, 1970, P. 6-97.

12. Statistical methods in the Atmospheric Sciences / Ed.R. Dmowska, D. Hartman, H.T. Rossby // Inter. Geoph. Series. 2011. Vol. 1. Oxford, OX51GB, UK. 668 p.

13. Sikan A.V. Methods of statistical processing of hydrometeorological information. Publ. 2. SPb: RSGMU, 2007. P. 278.

14. Blokhinov E.G. Probability distribution of river runoff values. Moscow, Nauka Publ., 1974. P. 169.

Criteria of authorship

Naumova A.A. carried out theoretical research, on the basis of which she generalized and wrote the manuscript. Naumova A.A. has the copyright to the article and is responsible for plagiarism.

The article was submitted to the editorial office 30.03.2023 Approved after review 10.08.2023 Accepted for publication 15.08.2023

Наумова А.А. Уточнение параметров экстремальных летних осадков для проектирования и эксплуатации ГТС на малых водосборах Центрально-Черноземного района России