Годовой сток и его внутригодовое распределение на территории Северного края

Основной целью предлагаемой работы является усовершенствование действующих методик определения некоторых характеристик речного стока при наличии и отсутствии данных наблюдения. В работе производится обобщение и уточнение методики определения среднегодовых расходов воды различной обеспеченности и установления внутригодового распределения речного стока для различных условий водопользования.

Актуальность предлагаемой работы состоит в её направленности на определение стока слабо изученных рек, количество которых возрастает в связи со снижением густоты гидрометрической сети, при сопутствующем росте необходимости в использовании дополнительных источников водных ресурсов для нужд промышленности и сельского хозяйства.

Поверхностные водные объекты являются основными источниками водоснабжения, используются для судоходства, гидротехнического строительства, нужд энергетики и сельского хозяйства. Знание годового стока и его внутригодового распределения является необходимым элементом комплексного и рационального использования водных объектов для этих целей. Особенную роль достоверное установление этих видов стока приобретает в связи с возможными изменениями климатических и антропогенных условий определяющих изменения условий формирования речного стока.

В настоящее время определение расчётных параметров речного стока должно базироваться на длительных рядах наблюдения за стоком, включающих самые новейшие данные наблюдений [1]. С тем, чтобы обеспечить определённую заблаговременность в случае возможной необходимости корректирования расчётных методов, применяемых при строительном проектировании, необходимо обеспечить доступность данных наблюдения за гидрометеорологическими характеристиками. Эта доступность должна быть обеспечена как минимум для ведущих, профилирующих организаций, участвующих в разработке нормативных документов в области гидрометеорологии.

Определение ряда расчётных гидрологических параметров возможно только на основе их группового анализа в пределах гидрологически-однородных территорий по продолжительным рядам наблюдений, что в последние годы практически невозможно в виду недоступности гидрологических данных за последние годы.

Рассмотрение внутригодового распределения речного стока находится в тесной зависимости от годового стока, при этом взаимосвязанными могут быть водность года и слагающих его сезонов, их пространственная и временная изменчивость, а также характер внутригодового распределения речного стока.

В данной работе рассматриваются вопросы пространственно-временного распространения годового стока и его внутригодового распределения по территории Северного Края. При этом целью предлагаемой работы является выявление основных преимуществ и недостатков существующих способов определения внутригодового распределения, рекомендуемых нормативными документами при строительном проектировании, для различных целей использования водных объектов.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

— определение особенностей физико-географических факторов на территории Северного Края, определяющих условия формирования речного стока;

— установление статистической структуры рядов годового стока с определением их репрезентативности и оценкой статистических параметров;

— оценка пространственно-временных особенностей и пространственное обобщение основных расчётных параметров годового стока;

— сравнительный анализ полученных результатов с существующими;

— установление внутригодового распределения стока методом компоновки сезонов с оценкой возможности картирования расчётных параметров;

— разработка схемы установления типового внутригодового распределения речного стока;

— определение характера основных различий в расчётной и типовой схемах внутригодового распределения речного стока;

— выявление преимуществ и недостатков существующих способов определения внутригодового распределения для различных водопотребителей;

— совершенствование расчётной схемы метода компоновки сезонов;

— определение внутригодового распределения стока с переменной длительностью сезонов и его пространственное обобщение.

Предлагаемая диссертация по своей структуре подразделяется на введение, три главы и заключение.

В первой главе рассмотрены основные черты физико-географических условий исследуемой территории. Основное внимание уделено условиям распространения гидрографической сети по территории, характеру изменения климатических и физико-географических условий.

Рассматриваемая территория расположена на северо-востоке Европейской территории России. В административном отношении территория исследований включает Архангельскую область, Коми АССР и большую часть Вологодской области. Все реки этой территории принадлежат к бассейну Белого моря, на западе она граничит с бассейном рек Онежского озера, на востоке с бассейном р. Печёра, на юге с бассейнами верхней Волги и Камы.

Климат этой территории слагается под воздействием ослабевающей циклонической деятельности, связанной с западным переносом, а также вторжения холодных арктических воздушных масс с севера. В целом этому региону характерно избыточное увлажнение и относительно однородные природные условия на большей части территории, что обуславливает распространение густой и равномерно развитой речной сети.

Данная территория достаточно хорошо изучена в гидрологическом отношении, за исключением северной части — прибрежной зоны Белого моря, где условия формирования речного стока весьма разнообразны.

Вторая глава посвящена оценке временного и пространственного распределения годового стока рек, условиям его формирования и определения при различном объёме исходной гидрологической информации на территории Северного края.

С практической точки зрения большое значение имеет получение статистических параметров речного стока с учётом данных последних лет наблюдения, как это указывается в действующей нормативной документации при строительном проектировании, а в научном плане наибольший интерес удлинение стоковых рядов представляет в отношении оценки возможных изменений стока рек, обусловленных возможными климатическими и антропогенными воздействиями.

Для пространственного обобщения данных о годовом стоке рек и возможности суждения о многолетней изменчивости стока, использованы данные о среднемноголетних расходах воды рек до 2001 г. включительно. На основании анализа интегрально-разностных кривых и среднемноголетних расходов за различные периоды осреднения произведено суждение о продолжительности многолетнего цикла водности, осуществлено сравнение величины и характера распределения нормы годового стока, определяемой по данным различной продолжительности.

Обобщаются расчётные параметры рядов годового стока для возможности их использования при выполнении расчётов в условиях отсутствия данных наблюдений. Построены карты изолиний нормы годового стока и его изменчивости. Выполняется сравнение предлагаемых автором карт с аналогичными картами, рекомендованными СНиП 2.01.14−83 [2] и приведённых в серии монографий под общим названием «Ресурсы поверхностных вод» [3].

В третьей главе диссертации, рассматриваются вопросы установления внутригодового распределения речного стока и его пространственного распространения по территории исследования.

В настоящее время в действующей нормативной документации рекомендуется три метода расчёта внутригодового распределения речного стока при наличии данных наблюдений: метод компоновки сезонов, реального года и метод средних распределений. В случае отсутствия данных наблюдений предлагается использование метода гидрологической аналогии на основе этих способов установления внутригодового распределения. При этом каждое распределение, получаемое с использованием этих методов имеет свои преимущества и недостатки в соответствии с теми принципами, которые заложены в основу методов, а следовательно имеет и своё специфическое практическое предназначение при обеспечении нужд водопотребления.

Третья глава содержит обзор существующих подходов к установлению внутригодового распределения речного стока, способов его типизации и классификации.

Основное внимание в работе уделено методу компоновки сезонов, для которого выполнены расчёты межсезонного и внутрисезонного распределения стока с пространственным обобщением результатов для территории Северного Края. Произведена оценка зависимости результирующего распределения стока от водности года, а также оценка обеспеченности нелимитирующего сезона, определяемого по остаточному принципу.

Предлагается расчётная схема установления типового внутригодового распределения речного стока, наиболее приближенная к реальному соотношению водности сезонов.

В заключении обобщаются основные результаты, полученные в процессе выполнения работы в отношении годового речного стока и его внутригодового распределения применительно к рекам территории Северного Края. Даются выводы в отношении определения среднемноголетнего годового стока рек и его изменчивости. Приводятся рекомендации по использованию суще ствующих методов установления внутригодового распределения речного сто ка для различных видов водопотребления.

Основные результаты выполненной диссертационной работы сводятся к следующему:

— выбрана наиболее адекватная модель распределения для описания вероятностной структуры рядов годового стока — модель случайной величины, при имеющейся длительности периода наблюдений ошибки определения среднего и коэффициента вариации находятся в допустимых пределах;

— выявлено различное прохождение отдельных фаз водности для рек западной и восточной части территории, построены карты изолиний нормы гол дового стока и его изменчивости для рек с водосборами более 100 км ;

— предложено совершенствование расчётной схемы установления внутри-сезонного распределения стока методом компоновки с целью облегчения отнесения ранжированного стока к одному из календарных месяцев;

— для характеристики речного стока в маловодный период предлагается его определение по месячным интервалам переменной длительности отдельных гидрологических сезонов, показана возможность пространственного осреднения параметра доли такого речного стока в годовом;

— подчёркивается различие основных принципов, заложенных в расчётные и типовые схемы установления внутригодового распределения стока и соответственно различное их использование при практических расчётах. Для установления расчётного внутригодового распределения рекомендуется совместное использование методов реального года и метода компоновки сезонов, для получении типового распределения следует использовать схемы среднего месячного распределения и предлагаемого автором;

— показан систематический характер искажения (в методе компоновки сезонов) соотношения стока расчётных периодов для лет разной водности, приведена количественная оценка обеспеченности и доли нелимитирующего периода;

— осуществлён сравнительный анализ пространственно-временной изменчивости основных расчётных параметров годового стока, выявлено незначительное колебание среднего стока и более значимое изменение его изменчивости, проявляющееся в её уменьшении при увеличении длительности периода наблюдений;

— выполнен детальный статистический анализ рядов годового стока для 103 гидрометрических постов со средним периодом наблюдений — 40 лет;

— предложена схема установления типового распределения речного стока по месяцам на основе среднего соотношения стока сезонов реальных водохозяйственных лет, входящих в одну из групп водности года, а месячное распределение — по методу внутрисезонной компоновки для различных групп, выделяемых по водности рассматриваемых гидрологических сезонов;

— показана возможность использования карт среднего сезонного стока в процентах от годового и коэффициента изменчивости сезонного стока.

Заключение

.

В работе решается широкий круг проблем, затрагивающих вопросы определения годового стока рек и его внутригодового распределения. Все расчёты и обобщения выполнены на примере рек территории Северного Края.

С практической точки зрения важную роль имеет получение статистических параметров речного стока с учётом данных наблюдений последних лет, как это указывается в действующей нормативной документации при строительном проектировании. В научном плане удлинение стоковых рядов представляет интерес в отношении выявления возможных изменений стока рек, обусловленных возможными климатическими и антропогенными воздействиями. Особую ценность в работе имеет качественная и количественная оценка различия расчётных и типовых схем установления внутригодового распределения речного стока. Выполнена оценка пространственной и временной изменчивости годового стока и его внутригодового распределения для рек с использованием длительных рядов наблюдений. Приводятся рекомендации по использованию существующих методов установления внутригодового распределения речного стока для водохозяйственных нужд.

Осуществлено обобщение расчётных параметров рядов годового стока для возможности их использования при выполнении расчётов применительно к условиям отсутствия данных наблюдений. Усовершенствована расчётная схема и установлено внутригодовое распределение речного стока методом компоновки сезонов по территории Северного края, выявлены основные закономерности его пространственного и временного изменения. Произведена оценка зависимости результирующего распределения стока от водности года, а также обеспеченности и величины стока нелимитирующего периода, определяемого по остаточному принципу. Предложена схема установления типового внутригодового распределения стока, наиболее точно отражающая реальное соотношение водности гидрологических сезонов.