География и геология/3.Гидрология и водные ресурсы

К.г.н. Переладова Л.В.

Тюменский государственный университет, Россия

Использование функциональных зависимостей «расход воды - площадь водосбора» в расчетах статистических параметров максимального весеннего стока рек Тюменской области

Проектирование и строительство на территории Тюменской области большого количества инженерных конструкций в сочетании с густой гидрографической сетью предъявляет высокие требования к качеству инженерно-гидрологического обоснования проектируемых объектов. Весьма актуальными являются при этом расчеты экстремальных характеристик речного стока, в особенности максимального за период весеннего половодья. Но технологическое освоение территории Тюменской области не сопровождается столь же масштабным изучением ее природных условий и степени воздействия этого освоения на окружающую среду. В частности, слабая гидрологическая изученность приводит к ошибкам в проектировании и, как следствие, к многочисленным техногенным авариям. Многолетняя практика гидрологического обоснования инженерных проектов Тюменской области в условиях недостаточной или полной не изученности по унифицированной методике дает многочисленные примеры несоответствия рассчитанных максимальных расходов их фактическим значениям. Сокращение сети гидрологических постов, монополизация гидрологической и метеорологической информации еще больше усложняют выполнение инженерно-гидрологических расчетов в условиях слабой изученности территории. Эти обстоятельства обостряют необходимость совершенствования методов расчета стока рек с тем, чтобы они были с одной стороны достаточно просты и не требовали большого объема исходной информации и с другой стороны были бы надежны. Кроме того, в настоящее время допустим региональный аспект в разработке новой нормативной информации для гидрологических расчетов.

До настоящего момента расчет максимальных расходов половодья заданной обеспеченности при отсутствии данных наблюдений производится через слой стока весеннего половодья, что объясняется простотой картографирования этой характеристики в отличие от модуля максимального стока, величина которого зависит от площади водосбора. Однако, построенные автором по ряду районов Тюменской области связи вида и , характеризуются слабой теснотой (r=0,65-0,70). Вследствие этого, вычисляемый по значениям и коэффициент дружности весеннего половодья отличается большой изменчивостью даже в пределах очень небольших территорий. Одной из основных причин такой ситуации является разная степень естественной зарегулированности стока, от которой зависит продолжительность половодья, а значит и величина . Очевидно, это является одной из главных причин больших погрешностей при оценке максимального весеннего стока неизученных рек. Поэтому вполне оправданным оказался поиск альтернативных вариантов решения данной задачи.

Для территории Тюменской области, ХМАО и ЯНАО автором впервые была реализована идея использования абсолютных значений статистических параметров для разработки методики оценки максимального весеннего стока неизученных рек. На основании полученных связей произведено гидрологическое районирование исследуемого региона. Новым результатом работы явилась оценка нормы и многолетней изменчивости максимального стока половодья по состоянию на 2010 год включительно по 119 станциям и постам Росгидромета.

В практике гидрологических расчетов используются как относительные, так и абсолютные значения таких параметров, как норма стока и его многолетняя изменчивость. Относительные характеристики (модуль стока, коэффициент вариации) удобны при анализе пространственно-временной изменчивости стока и при разработке косвенных методов гидрологических расчетов для неизученных рек.

Унифицированный метод расчета максимального весеннего стока разработан на основе использования связи модулей этого стока q_max с площадью водосбора F. Выражение , то есть математически не корректно. Это один из видов ложной корреляции. Поэтому связи дают искаженное представление о диапазоне площадей водосборов, в пределах которых в действительности происходит значительная редукция стока, распространяя эту редукцию в область больших площадей. Существенная редукция модулей максимального стока наблюдается лишь в пределах площадей до 100-200 км². Далее, с ростом площадей до 300-500 км², снижение модулей происходит значительно медленнее, а на больших по площади водосборах модули остаются неизменными или даже возрастают. Кроме того, связи неудобно использовать для выделения отдельных зависимостей по гидрологическим районам. Сложно их аналитическое выражение и оценка степени тесноты.

Поэтому в качестве одного из вариантов решения поставленной задачи рассматривается связь с площадью водосбора не модулей, а расходов воды. В отличие от зависимости , связи прямолинейны, что намного облегчает оценку их тесноты и аналитическое выражение, а также позволяет более объективно идентифицировать эти связи по отдельным гидрологическим районам. Используя связь , можно избежать одного недостатка связи . Широко применяемый логарифмический масштаб этой связи не позволяет проводить ее через нулевые значения модуля и площади, т.е. через физически обоснованную точку. Использование связи дает возможность это сделать, что является свидетельством надежности полученных по ней уравнений регрессии в пределах гидрологических районов.

Полученное поле точек разделилось на 8 достаточно четких локальных зависимостей. К сожалению, данных по малым водосборам на исследуемой территории немного и выявить характер связи в зоне малых площадей, вследствие этого, не везде возможно. Наиболее изучена в этом отношении южная часть, где удалось проследить редукцию максимального весеннего стока. Анализ показал, что нарушение прямолинейной связи здесь происходит в пределах от 0 до 250 км². Редукция максимального стока прослеживается и на реках Среднего Приобья при площадях водосборов до 600 км². В северной части области, а также в пределах Кондинской низменности выявить критические площади не удалось из-за недостаточного объема информации по малым рекам этой территории. За пределами критической площади модуль максимального стока отражает зональные особенности его формирования. Все зависимости четко обособляются в территориальном отношении, что характеризует однородность природных условий формирования максимального стока в пределах отдельных районов. Это позволило произвести районирование территории Тюменской области по связи . С большей детализацией районирование выполнено по более изученной южной части территории исследования. Границы выделенных районов согласуются либо с границами природных зон, либо с водоразделами и основными реками.

Уравнения регрессии прямолинейных участков зависимости имеют вид . Криволинейные зависимости в диапазоне малых площадей описываются уравнением вида . Проверка уравнений регрессии произведена на независимом материале. 6 пунктов наблюдений с репрезентативными рядами изначально были оставлены для проведения контрольных расчетов. Величина отклонений вычисленных значений от фактических изменяется по разным районам до 10%, что удовлетворяет точности гидрологических расчетов. По унифицированной методике для тех же самых контрольных пунктов погрешность вычислений колеблется от 3 до 224%. Это дает возможность использовать полученные уравнения для определения нормы максимального стока рек при недостаточности или отсутствии данных гидрологических наблюдений.

Для расчета обеспеченных расходов воды необходимо знать коэффициент вариации. Нормативными документами для оценки C_v по неизученным рекам рекомендуется использовать формулу, параметрами которой служат норма стока и площадь водосбора. Главным параметром при этом выступает норма стока, а влияние площади водосбора на эту величину для малых и средних рек незначительно. Снижение коэффициента C_v при площади 10 тыс. км² составляет всего 4% и при 30 тыс. км² – около 7%. По этой причине значения C_v давно картографируются без приведения к единой величине площади. Расчетная зависимость для оценки коэффициента вариации стока неизученных рек может быть выражена в виде уравнения: , где а и n – районные эмпирические параметры. Графики связи нормы годового стока и коэффициентов его изменчивости, описываемые этим уравнением, имеют вид гиперболы. Это осложняет выделение региональных зависимостей, их аналитическое выражение и оценку тесноты связи. Поэтому целесообразно было обратиться к абсолютному показателю изменчивости стока – среднему квадратическому отклонению (s_q) и рассмотреть характер его связи с нормой стока, которая является прямолинейной.

При анализе связей вида использованы сведения по 113 речным бассейнам площадью от 16,8 до 100000 км². Около 13% исходных данных отличаются пониженной точностью. Наибольшие значения коэффициентов вариации выявлены на малых водосборах юга Тюменской области. При анализе указанных связей общее поле точек разделено на семь групп, каждая из которых обособляется в территориальном отношении. Все линии связи проходят через начало координат и описываются уравнением вида , где а численно равно среднему коэффициенту вариации в пределах отдельных районов Полученные по зависимости районы во многом совпадают с районами, выделенными при анализе связей .

Проверка полученных уравнений регрессии произведена на независимом материале по тем же 6 пунктам наблюдений, которые были использованы для контроля ранее. Средняя абсолютная квадратическая величина отклонений вычисленных значений от фактических по территории области составляет 9,30%, изменяясь по отдельным районам в пределах от 0 до 20%. Количество случаев с отклонениями менее ±15% составило 85%, менее ±10%-50,0%, менее ±5%-33,5%.

Далее для 60 пунктов наблюдений территории области с помощью кривой распределения максимальных расходов были определены значения C_s и установлены величины соотношения C_s/C_v. Анализ этих соотношений позволил рекомендовать их по отдельным районам следующим образом: Обь-Тазовское междуречье C_s=3C_v; реки, стекающие с Уральских гор, бассейны р.Северной Сосьвы и р.Конды C_s=3,5C_v; Среднее Приобье C_s=2,5C_v; юг области C_s=2C_v.

Проведенные исследования связей и по территории Тюменской области позволяют сделать вывод о том, что в пределах районов с относительно однородными природными условиями максимальный весенний сток рек и его изменчивость для неизученных рек может оцениваться по этим зависимостям. Но любое районирование имеет один принципиальный недостаток, связанный с определением гидрологической характеристики на границах районов и в их близи. Тем не менее, прямолинейный характер связей в больших пределах площадей водосборов открывает возможности оценки зональных модулей максимального стока талых вод и их картографирования.

Для построения карт изолиний по территории Тюменской области была привлечена исходная информация по 2010 год включительно по 120 водосборам исследуемой и сопредельной к ней территории с площадями от 900 (в отдельных случаях и менее) до 86100 км^2. При проведении изолиний использован метод графической интерполяции между значениями, отнесенных к центрам водосборов, а также зональные значения модулей и коэффициентов корреляции.

Пространственное распределение максимального стока талых вод подчинено закону зональности. Но наряду с зональными факторами сказывается влияние местных особенностей речных бассейнов, обусловливающих разную степень естественного регулирования стока. Были выявлены различия между левобережьем и правобережьем нижнего течения Иртыша. Вследствие значительной естественной зарегулированности на территории Кондинской низменности и в бассейне р. Лайма, здесь наблюдаются наименьшие модули максимального стока. К югу, несмотря на снижение снегозапасов, уменьшение естественной зарегулированности стока, особенно в районах распространения глинистых и суглинистых грунтов, приводит к значительному увеличению модулей максимального стока. На крайнем юге территории области, где снегозапасы еще становятся меньше, вновь начинается снижение модулей.

Коэффициент вариации максимального стока в пределах территории исследования изменяется от 0,3 на севере до 1,2 на юге. Довольно пестрый характер распределения коэффициентов вариации на крайнем юге от 0,7 до 1,1. Коэффициент асимметрии для всей исследуемой территории можно принимать по соотношению C_s=2C_v.

Ошибка определения модуля максимального стока по карте изолиний в сравнении с фактическими находится в диапазоне от 2 до 22%. В бассейнах с резко выраженными азональными факторами, в том числе техногенными, отклонения расчетных значений от фактических могут быть и значительно больше.