Розрахункова методика для визначення максимального весняного стоку в басейні р. Сейм

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 556.16.06“321”

РОЗРАХУНКОВА МЕТОДИКА ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ МАКСИМАЛЬНОГО ВЕСНЯНОГО СТОКУ В БАСЕЙНІ р.СЕЙМ

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Бойко Вікторія Михайлівна

Одеса 2003



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор Гопченко Євген Дмитрович, Одеський державний екологічний університет, проректор з навчально-методичної роботи

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор Іваненко Олександр Григорович, Одеський державний екологічний університет, завідувач кафедри гідроекології та водних досліджень;

кандидат географічних наук Чебанов Олександр Юрійович, Український державний науково-дослідний інститут „УкрВОДГЕО” Держбуду України, завідувач лабораторії проблем інженерного захисту територій, м.Харків

Провідна установа Київський національний університет імені Тараса Шевченка, географічний факультет, кафедра гідрології та гідроекології, м.Київ

Захист відбудеться „ 22 ” травня 2003 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м.Одеса, вул. Львівська 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м.Одеса, вул. Львівська 15, ОДЕКУ.

Автореферат розіслано „ 19 ” квітня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Н.С.Лобода



АНОТАЦІЇ

Бойко В.М. Розрахункова методика для визначення максимального весняного стоку в басейні р.Сейм. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. - Спеціальність 11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія. -Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2003.

Основу розрахункової і прогностичної схем складають карти змінювання по території середніх максимальних снігозапасів на відкритій місцевості, тривалості схилового припливу і коефіцієнтів стоку (причому дві останні відображають розподіл величин, приведених до однорідних умов підстильної поверхні); рекомендації щодо встановлення норми опадів за період водопілля; регіональні рівняння для обчислення середніх зважених снігозапасів з урахуванням особливостей снігонакопичення у лісі; рівняння для визначення тривалості схилового припливу і коефіцієнтів стоку з урахуванням поправок на вплив заболоченості і залісеності. Встановлено, що на досліджуваній території ліси й болота є факторами природної зарегульованості стоку - вони сприяють зменшенню негативних наслідків при високих водопіллях, оскільки під впливом боліт і лісів шари й коефіцієнти стоку знижуються, а період стікання тало-дощових вод по схилах до руслової мережі стає більш тривалим. Коефіцієнти повноти схилового припливу, гідрографічні коефіцієнти визначаються співвідношеннями між часом руслового добігання і тривалістю схилового припливу, а коефіцієнти русло-заплавного і берегового регулювання - розмірами водозборів. Розроблену розрахункову схему реалізовано для річок басейну р.Сейм і суміжних з ним водозборів лівих притоків Дніпра.

Ключові слова: весняне водопілля, максимальна витрата, снігозапаси, схиловий приплив, розрахункова і прогностична схеми.



Бойко В.М. Расчетная методика для определения максимального весеннего стока в бассейне р.Сейм. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата географических наук. - Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2003. снігозапас приплив заболоченість

Диссертационная работа посвящается анализу процессов и факторов формирования весеннего половодья, разработке новой расчетной структуры для установления максимальных расходов весеннего стока на основе модифицированной генетической формулы А.Н.Бефани, обосновании возможностей и подходов ее использования для долгосрочного пространственного прогнозирования весенних максимумов. Предлагается расчетная формула, в состав которой в явном виде входят параметры, описывающие весь процесс формирования весеннего стока, т.е., на склонах и в русле. Использование в структуре максимальных снегозапасов (вместо наиболее часто употребляемого слоя стока) создало предпосылки впервые применить расчетную схему для долгосрочного прогноза максимальных расходов весеннего половодья, что входит в круг практической деятельности автора.

Параметры расчетной структуры были обоснованы в результате статистической обработки многолетних рядов слоев и максимальных расходов весеннего половодья и максимальных (перед началом половодья) запасов воды в снежном покрове и ледовой корке, их пространственного обобщения. Статистическая оценка многолетних рядов позволила признать их однородными и принять к использованию всю длину выборок. Параметры кривых статраспределения определены согласно трехпараметрического гамма-распределения с нормированием соотношения Cs/Cv. Продолжительность склонового притока Т_о во время весеннего половодья получена числовым методом простой одношаговой итерации.

Основу расчетной и прогнозной схем составляют карты изменения по территории средних максимальных снегозапасов на открытой местности, карты продолжительности склонового притока и коэффициентов стока (причем две последние отображают распределение величин, приведенных к однородным условиям подстилающей поверхности); рекомендации и региональные уравнения для определения параметров расчетной схемы. Впервые построена карта изменения по территории Т_о для вероятности превышения р=1% с выделением на ней зон с проявлением карста, который, при прочих равных условиях, замедляет более, чем в 2 - 3 раза, процесс стекания воды по склонам. Исследования обусловленности весеннего стока зональными факторами (болотами и лесами) показало, что под их влиянием происходит снижение слоев и коэффициентов стока, а период стекания тало-дождевых вод по склонам к русловой сети становится более продолжительным. Для учета влияния заболоченных и залесенных массивов разработаны числовые поправки. Снегозапасы в расчетную и прогностическую схемы входят с поправкой на установленное их увеличение в лесу - в среднем на 10-12%. Количество осадков за период половодья принимается в виде нормы, которая рассчитывается дифференцированно для разных по площади водосборов и в зависимости от их географического положения. Нормирование регионального скоростного показателя в разработанной формуле для расчета скорости руслового добегания позволяет использовать последнюю для прогнозов половодий в условиях разного наполнения русла.

Коэффициенты полноты склонового притока, гидрографические коэффициенты определяются соотношением между временем руслового добегания и продолжительностью склонового притока, а коэффициенты русло-пойменного и берегового регулирования, полученные обратным путем из расчетной схемы - размерами водосборов. Для практического использования данные коэффициенты предложены в табличном виде.

Средняя относительная погрешность расчета максимальных расходов составляет ±14.3% при средней квадратической погрешности исходных данных по максимальному стоку 15.2%, что позволяет рекомендовать разработанную методику для практического применения.

Впервые предприняты попытки использовать расчетную схему для долгосрочного прогнозирования максимумов высоких половодий. Прогностический вариант был проверен на реальных данных высоких половодий 1970 и 1979 гг. (составлено 126 прогнозов по 21 пункту) и всех превышающих норму половодий на р.Сейм-с.Мутин и р.Головесня-с.Покошичи (43 случая). Прогнозы составлялись для трех сценариев, отличающихся друг от друга подходами к определению таких исходных параметров, как суммарная подача тало-дождевых вод на поверхность водосборов и их потери. Остальные параметры принимались равными величинам, рассчитанным при обосновании расчетной схемы. В первом сценарии были использованы фактические максимальные снегозапасы с учетом поправки на увеличение их накопления в лесу; осадки - в виде нормы, согласно разработанных рекомендаций. Исходными данными схемы во втором сценарии были фактические величины максимальных снегозапасов и осадков за период половодья. Третий сценарий отличался от второго введением фактических коэффициентов стока. Возможность использования в оперативной практике первого сценария понятна; для второго сценария количество осадков может быть получено из прогноза погоды на весенний период; коэффициенты стока для прогнозирования по третьему сценарию могут быть рассчитаны, исходя из ожидаемых слоев весеннего стока. Результаты оценки прогнозов и критерий точности прогностической методики получены на уровне удовлетворительных показателей (=0.8-0.65), что позволяет рекомендовать для исследуемой территории единую структуру расчетной и прогностической (для высоких половодий) формулы. Разработанная расчетная схема реализована для рек бассейна Сейма и сопредельных с ним водосборов левых притоков Днепра, а ее прогностический вариант - для весенних половодий, превышающих норму в бассейнах рек Сейм и Головесня.

Ключевые слова: весеннее половодье, максимальный расход, снегозапасы, склоновый приток, расчетная и прогнозная схемы.



Boyko V.M. The numerical procedure for the spring peak discharge analysis in the Seim basin. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree of geography by speciality 11.00.07 - hydrology of land, water resources, hydrochemistry. - The Odessa State environmental University, Odessa, 2003.

The calculation and forecast schemes are based on the terrain change maps of an average snow cover water equivalent along an open country, overland inflow time and runoff coefficients (the last two depicts of magnitudes distribution, adjusted to isotropic conditions of spreading surface); references to estimate the precipitation rate for the flood period; region equations to calculate the snow supply average, taking into account features of snow accumulation in forest and field; equations to determine an overland inflow duration and runoff coefficients, granting a corrections for percentages of swamps and forest land influence. It was specified that forests and swamps on the terrain analyzed are factors of a natural regulated run-off, they promote reduction of negative consequences of extreme floods, since runoff coefficients are reduced under influence of swamps and forests, and the time of the melted snow water and rain runoff along hillside becomes more prolonged. The coefficients of volume overland inflow as well as hydrographic coefficients are defined as a ratio between current velocity channel and overland inflow duration, and coefficients of the channel and flood land regulation are defined by catchments area magnitude. The numerical scheme developed was realized to the Seim Basin Rivers and adjacent catchments area of the Dnipro left inflows, and its forecast variant - to extreme floods to the Seim and Golovesna Rivers.

Key words: spring flood, maximal discharge, snow accumulation, overland inflow, numerical and forecast schema.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Весняне водопілля є найголовнішою фазою водного режиму більшості рівнинних річок України, під час якої проходить переважна частина загального річного об'єму стоку. Воно є лімітуючим чинником для багатьох галузей економіки (гідроенергетики, водного, комунального, сільського господарства, гідротехнічного, цивільного, промислового будівництва). З періодом водопілля пов'язуються значні й тривалі затоплення рівнинних територій, пошкодження і руйнування об'єктів господарювання, затоплення сільськогосподарських угідь, населених пунктів.

Підтвердженням уваги до проблем, пов'язаних зі шкідливою дією річкових вод, і відповідно, актуальності питань розрахунків і прогнозів весняного водопілля, є документи, прийняті останнім часом на державному рівні. Це Указ Президента України від 15.03.02 р. “Про заходи щодо забезпечення ефективного прогнозування повеней і паводків та ліквідації їх наслідків”; затверджена Постановою Кабінету Міністрів України 26.07.00 р. „Комплексна програма захисту від шкідливої дії вод сільських населених пунктів і сільськогосподарських угідь в Україні на 2001-2005 рр. та прогноз до 2010 р.”; Постанова Кабінету Міністрів України від 31.01.01 р. „Про порядок використання земель у зонах їх можливого затоплення внаслідок повеней і паводків”. Безумовно, що заходи по відверненню негативних наслідків і зменшенню збитків від небезпечних гідрологічних явищ повинні проводитися грамотно, бути методично й нормативно обґрунтованими.

Діюча нині нормативна база і регіональні розробки для розрахунків максимальних витрат весняного водопілля засновані переважно на формулах редукційного і об'ємного типів. Практичний досвід їх використання показав, що вони не забезпечують необхідну точність опису процесів формування стоку на малих водозборах і територіях, де на весняний стік впливають зональні і азональні ландшафтно-гідрологічні фактори. Існуючі методики прогнозування надають можливість передбачити максимальні витрати водопілля у створах діючої гідрометеорологічної мережі і не дозволяють отримати просторову оцінку можливих максимумів. Актуальним є пошук такої структури, яка б одночасно „працювала” як у розрахунковому, так і в прогностичному варіантах.

Ці обставини вимагають розбудови нової нормативної бази, яка б відповідала сучасному рівню розвитку гідрології і була б заснована на сучасних науково-методичних засадах. Для досліджуваного регіону насьогодні така структура не розроблялася.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дисертаційного дослідження є складовою частиною науково-дослідницької тематики кафедри гідрології суші ОДЕКУ, він також пов'язаний з виконанням завдань, поставлених перед гідрологічною наукою і практикою переліченими вище державними документами. Розробки і результати дисертаційної роботи використовувалися у науково-дослідній роботі УкрНДГМІ „Розробити нормативний довідник максимальних рівнів і витрат води річок України для розрахункових забезпеченостей”, у науково-дослідній темі ОДЕКУ „Розробити методику територіального прогнозу максимальних витрат весняного водопілля у басейні р.Сейм” (договір №56 від 29 квітня 2001 р.), співвиконавцями яких був здобувач.

Мета і задачі дослідження. Основною метою роботи є обґрунтування розрахункової схеми в галузі максимального стоку весняного водопілля, заснованої на теорії руслових ізохрон, як такої, що найбільш достовірно описує весь процес формування руслового стоку і дає змогу побудувати методику просторового прогнозу максимальних витрат води.

Об'єкти дослідження відносяться до басейну р.Сейм і суміжних з ним частин водозборів притоків Дніпра (річок Десна, Сула, Псел, Ворскла).

Предметом дослідження є фізико-географічні, гідрометеорологічні характеристики, які визначають формування максимального стоку весняного водопілля на об'єктах дослідження з метою побудови розрахунково-прогностичної методики для встановлення максимальних витрат води, в тому числі й для невивчених у гідрологічному відношенні водозборів.

Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи були використані статистичні методи аналізу й обробки вихідної гідрометеорологічної інформації, а також географічного аналізу та узагальнення фактичних і розрахункових характеристик весняного водопілля (максимальних снігозапасів, опадів за період водопілля, шарів і коефіцієнтів весняного стоку, тривалості схилового припливу). При визначенні невідомих параметрів гідрографів схилового припливу, зокрема, його тривалості, застосовувалися числові методи в рамках прийнятої розрахункової схеми.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробці регіональної методики для нормування максимальних витрат весняного водопілля в басейні р.Сейм і використанні цієї методики для прогнозів максимумів водопіль, що перевищують норму. При цьому вперше для досліджуваного регіону:

– обґрунтовано карти розподілу по території середніх багаторічних максимальних снігозапасів на відкритій місцевості перед початком весняного водопілля, встановлено зв'язок між максимумами снігозапасів у полі та на залісених територіях;

– обґрунтовано методику для нормування кількості опадів від дати формування максимуму снігозапасів до завершення водопілля;

– обчислено розрахункові характеристики гідрографів схилового припливу під час весняного водопілля, виявлено залежності між тривалістю схилового припливу та залісеністю і заболоченістю водозборів, виконано її просторове узагальнення з урахуванням зональних, а також азональних (карст) факторів;

– обчислено і узагальнено по території коефіцієнти стоку весняного водопілля з урахуванням впливу зональних факторів (заболоченості і залісеності);

– розроблено варіант прогностичної методики для оцінювання максимальних витрат води високих (вищих за норму) водопіль, який базується на розрахунковій схемі.

Практичне значення одержаних результатів полягає у реальних можливостях розрахунку максимальних витрат весняного водопілля заданих ймовірностей перевищення як на вивчених, так і на неохоплених регулярними гідрологічними спостереженнями територіях на лівобережжі Верхнього і Середнього Дніпра. Запропонована методика встановлення максимумів 1%-ої та інших забезпеченостей може бути використана при розробці технічної документації для визначення зон можливого затоплення в період весняного водопілля відповідно до завдань, поставлених зазначеною вище Постановою Кабінету Міністрів України від 31 січня 2001 р.

Результати дисертаційних досліджень умов і особливостей снігонакопичення, оцінки і розрахунків шарів весняного стоку і снігозапасів увійшли до наукових звітів виконання етапів науково-дослідної теми ОДЕКУ „Розробити методику територіального прогнозу максимальних витрат весняного водопілля у басейні р.Сейм”.

Прогностичний варіант розробленої схеми може бути використано в оперативній практиці служби гідрологічних прогнозів української гідрометслужби, так як він дає змогу передбачати високі водопілля, що завдають найбільших збитків, отримати просторову оцінку максимальних витрат. Використання розрахункової і прогностичної схем, що базуються на одній структурі, розкриває можливості подальших дослідницьких робіт з розширення границь її застосування для прогнозування.

Особистий внесок здобувача. Наукові ідеї стосовно вибору розрахункової структури і варіанту прогностичної методики високих весняних водопіль розроблялися здобувачем спільно з науковим керівником, професором, д.геогр.н. Є.Д.Гопченком. Обробка вихідних матеріалів, аналіз, побудова розрахункової і прогностичної схем, їх практична реалізація належать особисто дисертанту.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень, які є складовими частинами дисертаційної роботи, заслуховувалися на першій Всеукраїнській науковій конференції „Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія” (Київ, 2001), на ювілейній міжнародній конференції „Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища-2002” у м. Одесі, а у повному обсязі - на розширеному науковому семінарі кафедри гідрології суші ОДЕКУ (Одеса, грудень 2002).

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 5 статей (дві з них - у співавторстві з науковим керівником, три - без співавторів) у виданнях, що входять до переліку, затвердженому ВАК України, а також - 2 тез: у матеріалах другого з'їзду Гідроекологічного товариства України (Київ, 1997) і міжнародної конференції „Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища-2002” (Одеса, 2002).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (144 найменування). Повний обсяг дисертації становить 298 сторінок, у тому числі 44 рисунки, 19 таблиць, 6 додатків на 91 сторінці.

Автор вважає своїм приємним обов'язком висловити глибоку вдячність науковому керівникові дисертації проф. Є.Д.Гопченку за постійну увагу до виконуваної роботи і надані наукові і методичні консультації, зав. лабораторії УкрНДГМІ к.т.н. А.І.Шерешевському за наукові консультації з окремих питань дисертаційних досліджень, співробітникам відділів гідрологічних прогнозів і агрометеорології та керівництву Українського гідрометцентру за допомогу у зборі гідрометеорологічної інформації і сприянню умовам виконання досліджень.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, її зв'язок з науковими програмами і темами, формулюються мета, задачі, предмет і об'єкти досліджень, показується наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок автора, наводяться відомості стосовно апробації та публікації результатів дослідження.

У першому розділі викладається фізико-географічна характеристика басейну р.Сейм, міжріччя Десни і Сейму, притоків Середнього Дніпра в межах лісостепової зони (річки Сула, Псел, Ворскла). Основна увага приділяється визначенню і аналізу головних чинників формування весняного водопілля у їх взаємозв'язку і взаємозумовленості: факторам підстильної поверхні (орографії, ґрунтовому і рослинному покриву, заболоченості, залісеності, карсту), кліматичним умовам (температурному, вітровому режиму, атмосферним опадам, снігонакопиченню) як за відомими літературними джерелами, так і за досвідом автора на прикладі особливостей формування реальних весняних водопіль. Детально характеризується водопоглинаюча здатність річкових водозборів в умовах різноманітних ґрунтових комплексів і погодних умов, висвітлюються особливості снігонакопичення й розподілу снігового покриву в багаторічному розрізі й по території з урахуванням погодних ситуацій, вітрового режиму, характеру підстильної поверхні, зокрема, рослинного покриву.

У розділі також подаються відомості про гідрометеорологічну вивченість території, приводиться розподіл використаних гідрологічних даних за періодами спостережень і розмірами замикальних водозбірних площ, увага акцентується на достатню довжину вибірок по максимальному стоку (91% з 68 використаних гідропостів мають ряди спостережень більше 30 років). Зазначається, що використані снігомірні дані висвітлюють весь діапазон висот регіону, 93% з них мають данi за 41-52 зими, а по 11 з 49 пунктів наявні результати снігозйомок на відкритій місцевості й у лісі.

У другому розділі приводиться короткий огляд існуючих методів розрахунку максимальних витрат весняного водопілля, згідно класифікації, запропонованої Є.Д.Гопченком (1989), та обґрунтовується прийнята для досліджуваного регіону розрахункова структура. Розкриваються формули, розроблювані різними авторами по мірі розвитку і поглиблення рівня знань про процеси формування паводкового стоку, починаючи з формул редукційного типу Д.І.Кочеріна (1932), Д.Л.Соколовського (1937), О.О.Со-колова (1966), об'ємного Д.Л.Соколовського (1937) і закінчуючи генетичними формулами М.А.Веліканова (1940), А.М.Бефані (1949, 1958), заснованими на теорії руслових ізохрон. Окремо розглядаються методичні підходи українських вчених у галузі розрахунків максимального весняного стоку: редукційні і об'ємні формули М.П.Чеботарьова (1937), А.В.Огієвського (1945), В.І.Мокляка, (1949, 1957, 1969), Я.О.Фоменка (1976, 1986, 1888), генетичні структури П. Ф. Вишневського (1964), В. І. Мокляка (1956), Й. А. Желєзняка (1965, 1971, 1980, 1984).

Розкриваються основні недоліки редукційних і об'ємних розрахункових структур (зокрема, діючої нормативної формули СНіПу 2.01.14-83), виявлені у процесі теоретичних наукових досліджень в галузі максимального стоку і практичного використання таких формул. Досвід і аналіз результатів розрахунків за формулою СНіПу 2.01.14-83 показав, що вона (внаслідок недотримання фізичного смислу граничних умов застосування, нечіткого визначення додаткової, слабо редукованої площі, встановлення на одному рівні для всіх площ водозборів показника степеня кривої редукції) не коректно описує процеси формування максимального стоку на малих водозборах, занижуючи розрахункові максимальні витрати паводків і водопілля. Рекомендоване введення поправок на заболоченість і залісеність, починаючи з деякої площі, до того ж без чіткого зазначення, до якої зі складових формули вони відносяться, призводить до помилок у розрахункових максимумах на водозборах з відмінними від зональних фізико-географічними умовами. На досліджуваній території вплив лісів і боліт на характеристики весняного стоку прослідковується у всьому діапазоні площ, що вказує на необхідність розробки більш досконалої і сучасної розрахункової схеми максимального стоку.

У дисертаційній роботі в якості базової структури прийнято генетичну формулу стоку, засновану на теорії руслових ізохрон, яка була запропонована А.М.Бефані (1958). Для практичного використання пропонується її модифікація стосовно весняного водопілля, розроблена науковим керівником дисертації, у вигляді

, м³/с*км² (1)

де q_m -максимальний модуль водопілля; -коефіцієнт стоку за період водопілля; -сума максимальних снігозапасів за зиму (S_m) і кількості опадів від дати формування S_m до кінця водопілля (х); ц -коефіцієнт повноти схилового припливу; -гідрографічний коефіцієнт; -коефіцієнт урахування русло-заплавного водообміну і берегового регулювання стоку; t_р - час руслового добігання; -коефіцієнт забезпеченості.

Майже до всіх розрахункових формул максимального стоку водопілля, незалежно від їх вигляду, входять шари весняного стоку. Включення до розроблюваної структури основною компонентою максимальних снігозапасів створює передумови до її використання не тільки у розрахунковому, а й у прогностичному варіанті (для довгострокового оцінювання максимальних витрат весняного водопілля), що представляє собою коло практичної діяльності автора.

Третій розділ присвячується результатам статистичної обробки багаторічних рядів шарів і максимальних витрат весняного стоку та максимальних снігозапасів (з урахуванням запасів води у льодовій кірці) і встановленню сумарної водоподачі на поверхню річкових водозборів за період весняного водопілля. Параметри статистичного розподілу досліджуваних характеристик встановлено за трипараметричним гама - розподілом, при цьому перевагу надано методу найбільшої правдоподібності (порівняно з методом моментів) і нормуванню співвідношення Cs/Cv, яке запропоновано рівним: для шарів стоку і максимальних снігозапасів 2.0, для максимальних витрат води - 2.5.

Аналіз багаторічних рядів максимальних витрат води показав, що середні значення максимумів у всіх 68 створах, обчислені за рядами спостережень до 1998 р., включно, зменшилися на 5-10%, порівняно з обчисленнями за рядами по 1980 р., що є наслідком теплих зим і менших об'ємів снігонакопичення наприкінці ХХ ст. Зазначається більша змінність у багаторічному розрізі максимальних витрат води, яка оцінюється коефіцієнтами варіації в межах 0.6-1.0, порівняно з шарами весняного стоку, коефіцієнти варіації яких дорівнюють 0.3-0.7. Для встановлення максимальних витрат розрахункових забезпеченостей Q_р% розроблено перехідні коефіцієнти л_р% від максимальних витрат опорної 1%-ї ймовірності перевищення Q_1%.

Оцінку просторового розподілу шарів весняного стоку 1%-ої ймовірності перевищення Y_1% і середніх максимальних снігозапасів перед початком водопілля виконано у вигляді карт ізоліній. Їх зміна по території є географічно і орографічно обумовленою з тенденцією поступового зменшення величин у широтному напрямку з півночі, північного сходу на південь, південний захід.

Шари стоку весняного водопілля Y_1% зменшуються від 180-200 мм (північ, північний схід) до 100-120 мм (південь), що близько до результатів просторових узагальнень СНіПу 2.01.14-83 і деяких інших авторів. Так як у процесі дослідження було встановлено підпорядкування весняного стоку зональним ландшафтно-гідрологічним факторам, яке проявляється у зниженні його шарів під впливом боліт і лісів, то отримана карта просторового розподілу Y_1% показує величини, приведені до однорідних умов підстильної поверхні (тобто, з виключенням впливу заболоченості і залісеності).

При картуванні максимальних за зиму снігозапасів ураховувалися встановлені закономірності їх змінювання з географічною широтою і висотою місцевості. Отриманий їх просторовий розподіл пов'язується зі зміною співвідношення тепла й вологи періоду снігонакопичення, повторюваністю та тривалістю відлиг. У роботі подано дві карти розподілу снігозапасів на відкритій місцевості перед початком весняного водопілля: середніх багаторічних максимальних і обчислених 1%-ої ймовірності перевищення . Перша з них увійшла складовою частиною до розрахункової схеми і показує, що змінюються від 80-90 мм у верхів'ях басейну Десни і правих притоків Сейму до 50-55 мм - у нижніх течіях Десни, Сули, Псла, Ворскли. У роботі використано найбільш повні з наявних за повоєнний період снігомірні дані, що охоплюють найтепліші у минулому столітті 90-ті роки, тому карта розподілу середніх багаторічних максимальних снігозапасів відображає (при збереженні загальних просторових тенденцій) у середньому на 10-20 мм менші значення , порівняно з картами інших авторів для ЄТ колишнього СРСР загалом.

Аналіз матеріалів снігомірних зйомок у лісі і полі показав, що на досліджуваній території ліс є фактором додаткового накопичення снігозапасів, збільшуючи їх, порівняно з відкритою місцевістю, в середньому на 10-12%. Ці висновки певною мірою погоджуються з дослідженнями В.В.Салазанова, В.В.Рахманова, А.Б.Крижанівської, Л.Т.Пашової та ін. Встановлений зв'язок між максимальними снігозапасами на відкритій і залісеній місцевості, оцінюваний коефіцієнтом кореляції 0.90, дозволив обґрунтувати регіональну формулу для розрахунку середніх зважених величин снiгозапасiв з поправкою на особливості снігонакопичення на водозборах в залежності від покриття їх лісами f_л

де - віднесені до геометричних центрів водозборів середні із максимальних снігозапаси на відкритій місцевості, які визначаються за картою їх розподілу.

Оскільки весняний стік формується всім об'ємом тало-дощових вод, що надходять за його період зі схилів до руслової мережі, то для збереження балансових зв'язків максимальні снігозапаси включені до розрахункової структури в сумі з опадами від дати формування Sm до завершення весняного водопілля. У роботі обґрунтовано порядок встановлення норми опадів , диференційовано в залежності від положення і розмірів водозборів, як побічного показника тривалості весняного водопілля T_n. Для кожної з трьох виділених за географічним положенням територій запропоновано по дві групи рівнянь, якими описуються тенденції наростання кількості опадів у часі на різних за площею водозборах. Розроблені рекомендації для визначенню норми опадів є складовою частиною розрахункової схеми та її прогностичного варіанту.

Для обчислення об'ємів сумарної водоподачі тало-дощових вод p%-ої забезпеченості за період весняного водопілля d_m=(S+x)_p% рекомендується наступне рівняння

де k_p% - коефіцієнт забезпеченості.

У четвертому розділі розглядаються шляхи і результати пошуку регіональної формули швидкості руслового потоку з метою подальших розрахунків часу руслового добігання як фактора трансформації тало-дощового стоку безпосередньо у річковій мережі. Маючи на увазі використання розрахункової структури у прогностичному варіанті, в різних умовах наповнення русла, автор скористався запропонованими А.М.Бефані, Є.Д.Гопченком і О.Г.Іваненком модифікаціями формули Шезі, якими (з урахуванням особливостей проходження водного потоку в умовах природних русел) витрати води пов'язувалися із площею водозборів F. Формула для розрахунку швидкості течії (з використанням для встановлення числових значень її параметрі матеріалів інструментальних вимірювань витрат води у 54 створах на річках регіону) пропонується у вигляді

, (4)

де I_зв- середній зважений похил річки; c_p - збірний швидкісний коефіцієнт розрахункових забезпеченостей; г і - деякі показники, встановлені за результатами аналізу характеристик водопілля на різних за площею водозборах.

Диференціація введеного до розрахункової формули параметра с_p дозволяє вести розрахунки і складати прогнози максимальних витрат водопіль, відмінних від опорної 1%-ої ймовірності перевищення. Згідно встановлених параметрів формули (4) для різних забезпеченостей, які у роботі подано у табличному вигляді, регіональний швидкісний коефіцієнт с_p при формуванні водопіль рідкої повторюваності (1-2%) змінюється мало і знаходиться приблизно на однаковому рівні - в межах 0.38-0.39, для водопіль повторюваністю 5-20% він досить різко зменшується від 0.31 до 0.22.

Розрахований за формулою (4) час руслового добігання t_p водопільних витрат 1%-ої ймовірності перевищення зростає від 6-18 год. у верхів'ях Сейму до 85-135 год. - у його нижній течії, що підтвердилося при складанні за розрахунковою схемою прогнозів для реальних високих водопіль.

Тало-дощові води у процесі стікання по схилах до руслової мережі зазнають змін внаслідок дії трансформаційних факторів поверхні водозборів.

Аналізу особливостей схилового припливу і встановленню параметрів його гідрографів присвячено п'ятий розділ. Згідно схематизації схилового гідрографа за типом одномодального нелінійного трикутника, у розгортці від максимальної ординати, записаного як

, (5)

де q'_m і Т_о - відповідно максимальний модуль і тривалість схилового припливу; n - показник степеня у кривих припливу, завдання зводилося до розрахунку тривалості схилового припливу Т_о, як основи гідрографа, і показника n, який характеризує його форму. І, якби малася достатньо розвинена мережа воднобалансових спостережень на малих водозборах, ці параметри можна було б визначити дослідним шляхом. В реальності ж натурні дані про схилові гідрографи практично відсутні, тому Т_о встановлено за числовим методом простої однокрокової ітерації (Є.Д.Гопченко, 1975). Так як на річках регіону весняне водопілля формується за типом розвиненого (при t_р < Т_о), то фактично мова йшла про розв'язування рівняння відносно Т_о

, (6)

тобто формалізація графіків схилового припливу зводилася до встановлення показника степеня у кривих припливу n через коефіцієнт нерівномірності руслового стоку (тут m є показником степеня у кривих ізохрон), згідно запропонованого Є.Д.Гопченком (1976) способу. В межах досліджуваного регіону n отримано на рівні 0,07 (при m =1.0). З урахуванням цього базове розрахункове рівняння для обчислення Т_о набуло вигляду

(7)

У роботі змінювання розрахункової тривалості схилового припливу Т_о по території представлено у вигляді карти ізоліній, що, з одного боку, є одним із загально прийнятих способів узагальнення гідрологічних характеристик, а з іншого - єдино методично вірним прийомом для досліджуваної території, оскільки величина Т_о залежить від зональних і азональних факторів підстильної поверхні. Вже на етапі дослідження обумовленості Т_о географічним положенням водозборів на фоні добре вираженої зміни Т_о з широтою були виявлені різкі відхилення від зональних тенденцій, пов'язані з карстовими процесами.

Встановлено також, що зональні ландшафтно-гідрологічні чинники (болота і ліси) сприяють збільшенню періоду надходження тало-дощових вод до руслової мережі, причому більш вагомою виявилася зарегульованість припливу болотами. Це, очевидно, пояснюється поширенням низинних боліт з великою водопоглинаючою здатністю. Поправочні коефіцієнти до Т_о, відповідно до показників заболоченості f_б і залісеності f_л, встановлювалися за матеріалами спостережень на незакарстованих водозборах. З урахуванням розроблених поправок запропоновано наступне регіональне рівняння для обчислення тривалості схилового припливу

T_o = T_{o (fл=0, fб=0)}*[1+0.085 lg (f_л +1)]*[1+0.28 lg(f_б +1)], год, (8)

де _{(fл=0, fб=0)} - отримувана з побудованої карти, згідно геометричних центрів водозборів, тривалість схилового припливу, приведена до умов відсутності впливу боліт і лісів.

На відміну від отриманих карт розподілу коефіцієнтів і шарів стоку, карта Т_о має більш складний характер. Відображуючи поступове зменшення Т_о у широтному напрямку з півночі, північного сходу на південь, південний захід, вона також показує дві зони порушення широтної зональності і, відповідно, згущення ізоліній, які відносяться до районів активного розвитку карсту. Виділені автором зони співпадають з результатами досліджень В.І.Мокляка (1971) та І.І.Волошина (1980). Але І.І.Волошиним активні карстові процеси відмічалися дещо північніше, на Сновско-Деснянскому міжріччі. Обробка ж і аналіз фактичних гідрологічних даних дозволяють зробити висновок, що очевидно вплив цієї карстової зони поширюється на більшу територію й у напрямку на південь, південний захід. Загалом же, за інших рівних умов, карст більш, ніж у 2-3 рази уповільнює процес стікання води по схилах, порівняно з незакарстованими водозборами регіону.

На незакарстованих водозборах тривалість схилового припливу (без впливу зональних факторів) зменшується від 220-240 год. у верхів'ях Десни і Сейму, приурочених до Середньоруської височини, до 160-180 год. - у їх середніх течіях і басейні Сули. У пониззі Псла і Ворскли в межах Придніпровської рівнини становить 100-140 год.

У шостому розділі роботи розглядаються такі складові розрахункової структури, як коефіцієнти повноти схилового припливу , русло-заплавного і берегового регулювання стоку , гідрографічний коефіцієнт і коефіцієнт стоку з, пропонується порядок розрахунку максимальних витрат за розробленою схемою і її точність. Коефіцієнти і встановлювалися за наступними регіональними рівняннями (для випадку розвиненого стоку і встановлених показниках n=0.07 і m=1.0):

а) гідрографічний коефіцієнт :

; (9)

б) коефіцієнт повноти схилового припливу :



(10)

і для різних співвідношень t_p/T_o подаються у табульованому вигляді.

Спроба пов'язати змінювання коефіцієнтів і тільки з площею водозборів не була досить успішною через виявлене значне розсіювання точок на графіках зв'язку (,) = f (F), що можна пояснити неоднорідністю процесів формування схилового припливу по території.

Трансформація паводкового стоку руслом, заплавою і берегами описується коефіцієнтом русло-заплавного і берегового регулювання , який було обчислено зворотним шляхом з формули (1) після визначення решти її складових і прийняття Y_1%, замість . Зв'язок =f [lg(F+1)] виражений добре в усьому діапазоні площ і має убуваючий характер. Для практичного використання пропонується у табульованому вигляді в залежності від площі водозборів.

Втрати тало-дощових вод на інфільтрацію та акумуляцію вологи у ґрунті визначалися через коефіцієнт стоку з. У розділі на прикладі матеріалів спостережень Придеснянської воднобалансової станції аналізується багаторічна варіація коефіцієнтів весняного стоку, показується, що на одному й тому ж водозборі вони істотно відрізняються в залежності від характеру і ступеня промерзання ґрунту, його осінньо-зимового зволоження (при збереженні загальних тенденцій змінності по території).

Для практичного використання коефіцієнти стоку представлені у вигляді карти змінювання величин, приведених так само як і інші характеристики до однорідних умов підстильної поверхні. На досліджуваній території коефіцієнти стоку змінюються у досить широких межах - від 0.70- 0.80 (на півночі у верхів'ях Десни) до 0,30 (на півдні, південному заході у пониззі Десни, Сули, Псла, Ворскли). Їх просторовий розподіл добре узгоджується із зональністю основних типів грунтово-рослинних комплексів, а також із представленими у роботі картами шарів стоку водопілля і максимальних снігозапасів. Встановлено, що так само, як і у випадку шарів весняного стоку, заболочені і лісові масиви зменшують його коефіцієнти, сприяючи тим самим збільшенню втрат тало-дощових вод і, відповідно, згладжуванню піків. Для обчислення з з урахуванням поправок на дію зональних факторів пропонується наступне регіональне рівняння

з_1% = з_{1%(fб=0,fл=0)} [1?0.25 lg(f_б +1)]*[1?0.10 lg(f_л +1)], (11)

де з_{1%(fб=0,fл=0)} - зняті з побудованої карти (для геометричних центрів водозборів) коефіцієнти стоку, приведені до нульових заболоченості f_б і залісеності f_л.

Точність розрахункової схеми була оцінена на даних 68 водозборів, що використовувалися при розробці її параметрів, і на незалежних матеріалах реальних високих водопіль при обґрунтуванні прогностичного варіанту. Середня квадратична похибка вихідних даних по максимальному стоку для всього регіону становить 15,2%, відносна середня похибка ±14,3% (по басейну Сейму ±7,2%), що дозволяє рекомендувати розроблену структуру до практичного використання.

У сьомому розділі розкриваються підходи і послідовність використання розрахункової схеми у прогностичному варіанті. Показується, що включення до структури максимальних снігозапасів, які відомі на планові дати випуску прогнозів, дозволяє застосувати її для довгострокового прогнозування максимальних витрат весняного водопілля, що вперше було виконано у дисертаційній роботі.

Перевірка прогностичних можливостей розрахункової схеми виконана на даних двох високих водопіль для всіх створів в басейні Сейму: 1970 р. і 1979 р.(складено 126 прогнозів для 21 пункту) і всіх вищих за норму за період спостережень водопіль (43 випадки) на р.Сейм - с.Мутин (F=25 600 км²) і р.Головесня - с.Покошичі (F=29.5 км²).

Прогнози складалися за трьома сценаріями, що відрізнялися між собою підходами до встановлення сумарної подачі тало-дощових вод на поверхню водозборів і їх втрат. Решта параметрів у всіх сценаріях приймалася рівним величинам, які були встановлені при обґрунтуванні розрахункової схеми. У першому сценарії (І) використовувалися фактичні максимальні снігозапаси з урахуванням поправки на збільшене їх накопичення у лісі; опади - у вигляді норми, згідно розроблених рекомендацій. Вхідними даними схеми у другому сценарії (ІІ) були фактичні величини максимальних снігозапасів і опадів за період весняного водопілля. Третій сценарій (ІІІ) відрізнявся від другого введенням фактичних коефіцієнтів стоку.

Використання сценарію І в оперативному режимі сумнівів не викликає. У сценарії ІІ кількість опадів може бути взята за довгостроковим прогнозом погоди на весняний період, а у сценарії ІІІ коефіцієнти стоку можуть бути розраховані на основі прогнозів шарів стоку за період водопілля.

Порівняння прогнозованих за сценаріями І і ІІ та фактичних максимумів водопіль 1970 і 1979 рр. (рис.1) показало достовірність прогнозів. У всіх випадках включення до схеми замість норми опадів їх фактичних сум сприяло підвищенню точності прогнозів (рис.1.б). Середня відносна похибка прогнозів за сценарієм І становить ±28,3%, за сценарієм ІІ - ±20,4%.

Критерій точності методики прогнозу максимальних витрат вищих за норму водопіль на р.Сейм-с.Мутин і р.Головесня-с.Покошичі за сценарієм І (який відповідає умовам реального прогнозування, коли відомими є лише максимальні снігозапаси), виявився на рівні задовільних оцінок (0.8-0.65), забезпеченість методики склала 72 %.

Всі складені прогнози правильно орієнтували на вищі за норму максимальні витрати, що є важливою інформацією при гідрологічному обслуговуванні. Результати прогнозування дозволяють зробити висновок про можливість використання розрахункової структури для оперативної оцінки максимальних витрат вищих за норму весняних водопіль та їх уточнення по мірі розвитку водопілля і оновлення прогнозів погоди.



ВИСНОВКИ

У дисертаційному дослідженні виконано теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає у розробці розрахункової структури для встановлення максимального весняного стоку та заснованому на ній прогностичного варіанту для басейну р.Сейм і суміжних водозборів лівих притоків Дніпра.

1. Аналітичний огляд існуючої науково-методичної бази з розрахунків характеристик весняного стоку показав, що вона вже не може відповідати сучасному рівню розвитку гідрології і рівню вимог до гідрологічного розрахункового чи прогностичного продукту. Пріоритетним і визнаним у розробках останніх років є використання при побудові розрахункових структур генетичних методів. Нині для регіону дослідження розрахункова структура, заснована на таких науково-методичних підходах, відсутня.

2. Для басейну р.Сейм і прилеглих до нього водозборів розроблена регіональна методика для обчислення максимальних витрат води весняного водопілля різної ймовірності перевищення, яка базується на генетичній формулі стоку А.М.Бефані. У роботі запропоновано формулу, до складу якої в явному вигляді входять параметри, що описують весь процес формування максимального весняного стоку на схилах і в руслі. Введення до структури максимальних снігозапасів дозволяє вперше застосувати її для довгострокового прогнозування максимальних витрат весняного водопілля.

3. Параметри розрахункової структури були встановлені і обґрунтовані на основі статистичної обробки багаторічних рядів шарів і максимальних витрат весняного водопілля та максимальних (перед початком водопілля) снігозапасів, їх просторового узагальнення та за результатами чисельних розрахунків. При статобробці перевагу надано методу найбільшої правдоподібності, як такому, що забезпечує вищу точність. Встановлена внутрішня кореляція дозволила зробити висновок про незалежний розподіл у часі членів досліджуваних рядів і прийняти до використання всю довжину вибірок. Параметри кривих статистичного розподілу визначені за трипараметричним гама-розподілом із нормуванням співвідношення Cs/Cv.

4. Узагальнення середніх з максимальних за багаторіччя снігозапасів на відкритій місцевості перед початком весняного водопілля, коефіцієнтів весняного стоку, тривалості схилового припливу виконано у вигляді карт їх просторового розподілу (причому дві останні відображають розподіл величин, приведених до однорідних умов підстильної поверхні). На вперше побудованій карті змінювання по території тривалості схилового припливу виділені зони з проявом карсту, який, за інших рівних умов, уповільнює більш, ніж у 2 - 3 рази процес стікання води по схилах.

5. Встановлено, що в межах досліджуваного регіону ліси й болота є факторами природної зарегульованості стоку, які сприяють зменшенню негативних наслідків при високих водопіллях. Під їх впливом шари і коефіцієнти стоку знижуються, а період стікання тало-дощових вод по схилах до руслової мережі стає більш тривалим. Для врахування виявленого впливу цих зональних ландшафтних факторів запропоновано числові поправки і рекомендовано порядок їх введення при користуванні картами.

6. На основі аналізу багаторічних рядів максимальних снігозапасів у полі і лісі встановлено, що ліс є фактором додаткового накопичення снігозапасів, збільшуючи їх, порівняно з відкритою місцевістю, в середньому на 10-12%. Даний факт ураховується розрахунковою і прогностичною схемами через поправочний коефіцієнт.

7. Обґрунтовано порядок встановлення норми опадів за період від дати формування максимальних снігозапасів до завершення водопілля, її величини диференційовані для різних за площею водозборів в залежності від географічного положення об'єктів.

8. Розрахункові характеристики гідрографів, зокрема, тривалість схилового припливу Т_о під час весняного водопілля, отримано числовими методами з використанням простої однокрокової ітерації. Виявлений вплив на Т_о регулюючих природних факторів свідчить про неможливість осереднення його значень по території і про доцільність просторового представлення змінювання Т_о в межах досліджуваного регіону.

9. На основі обробки і аналізу фактичних даних вимірів витрат води в створах діючих гідрологічних постів обґрунтовано регіональні параметри формули визначення швидкості руслового добігання при формуванні водопіль розрахункових забезпеченостей.

10. Коефіцієнти повноти схилового припливу та гідрографічні визначаються співвідношеннями t_p/Т_о, коефіцієнти русло-заплавного регулювання k_F встановлено зворотним шляхом з базової розрахункової схеми. Для практичного використання зазначені коефіцієнти подаються у табличній формі. Знижуючий вплив на максимальні витрати води русло-заплавного регулювання оцінюється його коефіцієнтами від 1.0 (для малих річок з площею водозборів F < 1 км²) до 0.22 (для річок з F >50000 км²).

11. Точність обчислення максимальних витрат весняного водопілля визначена порівнянням середньої відносної і середньої квадратичної похибок вихідних даних по максимальному стоку. Середня відносна похибка розрахунку максимумів становить ±14,3% при середній квадратичній похибці 15,2%, що дозволяє рекомендувати розроблену методику для практичного використання.

12. На основі розрахункової схеми вперше запропоновано й методику для довгострокового прогнозування максимальних витрат високих весняних водопіль. В реальному часі методику можна використовувати у двох варіантах встановлення сумарної водоподачі: „фактичні снігозапаси плюс норма опадів” або „фактичні снігозапаси плюс очікувана за прогнозом кількість опадів”.

13. Розрахункову схему у прогностичному варіанті випробувано за трьома сценаріями можливого поєднання вхідних даних для двох високих водопіль на річках басейну Сейму, а також для всіх вищих за норму водопіль на р.Сейм-с.Мутин і р.Головесня-с.Покошичі. Критерій точності прогностичної методики для р.Сейм-с.Мутин і р.Головесня-с.Покошичі знаходиться на рівні задовільних оцінок (0.8-0.65), забезпеченість методики складає 72%. Середня похибка прогнозів максимальних витрат води окремих високих водопіль у басейні р.Сейм виявилася задовільною також і з огляду на існуючу точність оперативних довгострокових прогнозів.

14. Таким чином, для досліджуваної території можна рекомендувати єдину структуру розрахункової і прогностичної формули. Запропонований варіант прогностичної схеми може застосовуватися для просторового оцінювання максимальних витрат водопілля в роки зі стійкими зимовими умовами і значними снігозапасами, а також може слугувати основою подальших пошуків параметрів структури для прогнозування не тільки високих весняних водопіль.

...