Ледовый режим Воткинского водохранилища и методики его прогноза

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Ледовый режим Воткинского водохранилища и методики его прогноза

Микова К.Д.

Пермь - 2007

Работа выполнена на кафедре гидрологии и охраны водных ресурсов ГОУВПО «Пермский государственный университет».

Научный руководитель:

к.г.н., доцент Калинин Виталий Германович

Официальные оппоненты:

д.г.н. Литвинов Александр Сергеевич

д.г.н. Савкин Валерий Михайлович

Ведущая организация:

кафедра природопользования ГОУВПО «Воронежский государственный университет»

Защита состоится «25» мая 2007 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.189.08 в Пермском государственном университете по адресу: 614000, Пермь, ул. Букирева, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научных работников библиотеки Пермского университета, на странице Интернет

Автореферат разослан «12» апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.189.08 кандидат географических наук, доцент Китаев А.Б.

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Знание ледового режима рек и водохранилищ имеет большое значение для планирования и наиболее рациональной организации работы предприятий многих отраслей экономики. К настоящему времени на Воткинском водохранилище осуществляют грузоперевозки 234 судоходные компании, имеющие 3500 судов. Ежегодно, для планирования сроков начала и окончания навигации судовладельцам необходимы своевременные и качественные прогнозы замерзания и вскрытия, а также толщины и прочности ледового покрова водохранилища. Использование ледовых прогнозов позволяет избежать значительного ущерба и с бьльшим экономическим эффектом осуществлять грузоперевозки на водных объектах.

Исследования ледового режима Воткинского водохранилища наиболее интенсивно выполнялись в первые годы его существования (1964-1974 гг.). В работе И.К. Мацкевича (1973) дана характеристика особенностей замерзания водохранилища на основе обобщения имеющихся сведений за период до 1972 г. Оценке возможности прогноза процессов ледообразования на Воткинском водохранилище посвящены работы Н.Д. Ефремовой (1965) и К.Н. Поляковой (1980). Авторам не удалось провести детального исследования закономерностей и выявить надежные эмпирические зависимости для прогноза элементов ледового режима в связи с небольшим периодом наблюдений. В течение последующего периода эксплуатации Воткинского водохранилища исследования и обобщения ледового режима не выполнялись. К настоящему времени в Пермском ЦГМС и Свердловском ЦГМС-р накоплены материалы многолетних наблюдений на Воткинском водохранилище за ледовыми явлениями, температурой воды, метеорологическими элементами, которые дают возможность выполнить анализ ледового режима и совершенствовать имеющиеся методы расчета и прогноза ледовых явлений.

Разработка методик прогноза элементов ледового режима должна выполняться на основе детального и всестороннего изучения процессов его формирования. Поэтому в диссертационной работе большое внимание уделено характеристике ледовых явлений на Воткинском водохранилище и лишь после этого рассмотрены вопросы их прогноза.

Цель работы - анализ особенностей формирования ледовых явлений на Воткинском водохранилище и разработка методик их прогноза.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ особенностей формирования ледового режима и его основных факторов.

2. Исследование возможности использования имеющихся методов прогноза ледовых явлений, их адаптация к условиям Воткинского водохранилища и усовершенствование.

3. Разработка методик прогноза сроков наступления ледовых явлений и толщины льда на основе выявленных корреляционных зависимостей.

4. Оценка критериев качества методик прогноза сроков наступления явления и нарастания толщины льда.

5. Проверка полученных результатов на независимом материале.

Изученность вопроса. Исследованию ледового режима водоемов посвящено большое количество публикаций. Существенным вкладом явились работы, выполненные Ф.И. Быдиным (1933), Б.М. Гинзбургом (1971, 1984), Р.В. Донченко (1973, 1987), К.Н. Россинским (1975), В.А. Рымшей (1956, 1958, 1959, 1962), А.Н. Чижовым (1985, 1990), Л.Г. Шуляковским (1960, 1972) и др. Теоретические основы математического моделирования процессов замерзания и вскрытия водных объектов заложены Л.Г. Шуляковским (1972). Немало работ посвящено изучению разрушения ледового покрова под воздействием тепловых и механических факторов (Булатов, 1974, 1981, Забелина, 1984, Полякова, 1965, Силантьева, 1977, Козицкий, 1989, Марголин, Силантьева, 1984, Frankenstein, Shen, 1997, Livingstone, 1999 и др.).

Исходные данные и методика исследований. В основу работы положены материалы многолетних наблюдений (1964-1995 гг.) Пермского ЦГМС. Наблюдения за ледовыми явлениями, температурой воды, толщиной льда использованы по 8 водомерным постам (Пермь, Нижняя Курья, Краснокамск, Оханск, Горы, Елово, Бабка, Чайковский), 31 рейдовой вертикали и 10 ледовым профилям. Анализ влияния метеоусловий выполнен по материалам наблюдений 5 метеорологических станций (Пермь, Оханск, Оса, Ножовка, Чайковский) (рис. 1). Дополнительно автором в зимний период 2004-2006 гг. проводились наблюдения за температурой воды и динамикой полыньи в нижнем бьефе Камской ГЭС. Проверка полученных результатов на независимом материале выполнялась с использованием информации по всем указанным пунктам наблюдений за период 1996-2006 гг.

Для анализа ледовых явлений использованы как детерминированные, так и статистические методы. Из детерминированных, основанных на решении уравнения теплового баланса, приняты методы Л.Г. Шуляковского (1960) и С.Н. Булатова (1970), вошедшие в «Наставление…» (1962) и «Руководство…» (1989), как наиболее теоретически обоснованные. Из статистических методов применены: корреляционный анализ, критерии Стьюдента, Фишера и

метод Монте-Карло. Построение карт сроков формирования ледовых явлений, установления ледостава, нарастания толщины льда, вскрытия и очищения акватории водохранилища выполнены с использованием ГИС-технологий (ArcView 3.2а).

Научная новизна работы состоит в том, что впервые для Воткинского водохранилища:

1. Предложена схема расчета теплозапаса, которая позволяет определить среднесуточное количество тепла на каждом из участков водохранилища в течение периода охлаждения. Это дает возможность использовать полученные величины для исследования закономерностей формирования ледового режима.

2. Доказано, что для изучения пространственного распределения толщины ледового покрова на Воткинском водохранилище следует использовать лишь данные наблюдений на поперечных профилях, поскольку результаты измерений на водомерных постах (у берега) дают приближенное представление о толщине льда на участках водохранилища.

3. Разработана методика краткосрочных прогнозов сроков появления ледовых явлений для условий камских водохранилищ на основе метода Л.Г. Шуляковского (1960).

4. Установлены локальные прогностические зависимости для расчета сроков наступления ледовых фаз и нарастания толщины льда.

5. Предложены критерии оценки определения допустимой ошибки сроков наступления ледовых явлений и толщины льда.

Практическая значимость. Обобщенные материалы многолетних наблюдений и выявленные закономерности формирования ледового режима могут быть использованы для планирования сроков окончания навигации и начала ледокольных работ, организации и эксплуатации ледовых переправ, зимников. Полученные результаты дают возможность выпускать прогноз сроков наступления ледовых фаз и толщины льда. Качественное и своевременное предсказание процесса формирования и развития ледовых явлений способствует предотвращению человеческих жертв, уменьшению ущерба природе и отраслям экономики, зависящим от режима водных объектов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международной научно-практической конференции «География и регион» (Пермь, 2002), IV Всероссийском гидрологическом съезде (Санкт-Петербург, 2004), Научно-практической конференции «Вопросы гидрологии и охраны водных объектов» (Пермь, 2004), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы исследований водохранилищ» (Пермь, 2005), II Межрегиональной научно-практической конференции «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий» (Челябинск, 2006), Международной научно-практической конференции «Эколого-гидрологические проблемы изучения и использования водных ресурсов» (Казань, 2006) и ряде других.

Разработанные методики переданы для использования в ГУ «Пермский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды», что подтверждается соответствующим актом внедрения от 12 марта 2007 г. Результаты исследований используются в учебном процессе Пермского государственного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 1 статья опубликована в журнале из перечня ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. В работе 200 страниц, 24 рисунка и 27 таблиц. Список литературы насчитывает 221 работу, из них 32 иностранных авторов.

Автор выражает благодарность: научному руководителю, к.г.н., доценту В.Г. Калинину, д.г.н., профессору С.А. Двинских, д.г.н., профессору Т.П. Девятковой, д.г.н., профессору А.М. Комлеву, д.г.н., профессору, академику РАЕН, МАНЭБ А.П. Лепихину, к.г.н., доценту Н.Б. Сорокиной за проявленное внимание, помощь и ценные замечания в период выполнения и завершения работы, а также руководителю ГУ «Свердловский ЦГМС-р» Л.И. Каплун и начальнику ГУ «Пермский ЦГМС» А.В. Пинегину за безвозмездно предоставленные материалы наблюдений.

2. Общая характеристика объекта исследования

Воткинское водохранилище является второй ступенью каскада камских водохранилищ. Образовано в результате постройки плотины (1962 г.) вблизи г. Чайковского. До нормального подпорного уровня (НПУ) - 89,0 м БС наполнено весной 1964 г. Подпор от плотины Воткинской ГЭС при НПУ достигает участка нижнего бьефа Камской ГЭС. Длина по судовому ходу составляет 360 км. Это водохранилище с сезонным регулированием стока: весной - наполняется до НПГ, летом - работает, в основном, на транзитном стоке, а в осеннее-зимний период - запас воды срабатывается гидроузлом. Его гидрологический режим во многом зависит от регламентов работы как Камской, так и Воткинской ГЭС.

Защищаемые положения

Впервые для Воткинского водохранилища выполнено картографирование среднемноголетних значений (за период с 1964 по 1995 гг.) характерных дат и толщины льда на конец каждого месяца с применением ГИС-технологий методом пространственной интерполяции с учетом особенностей морфометрии и данных ледовых авиаразведок. В качестве топоосновы использована векторная карта акватории Воткинского водохранилища масштаба 1:100000.

Появление ледовых явлений и установление ледостава начинается на мелководьях центральной части водоема (в.п. Горы) и распространяется вверх (в.п. Оханск) и вниз по течению (в.п. Бабка и в.п. Чайковский), позже всех формирование первичных форм льда и установление ледостава отмечается на верхних участках (Краснокамск, Нижняя Курья, Пермь) (табл. 1, рис. 2а,). Основными причинами такой последовательности распространения процессов замерзания являются морфометрические особенности водохранилища, обусловливающие различия в теплозапасе водных масс, и попуски Камской ГЭС, воздействие которых сказывается на всем протяжении русловой части водоема.

Таблица 1 Средние сроки наступления ледовых фаз и толщина льда на Воткинском водохранилище за период 1964-1995 гг.

Нарастание и изменение толщины ледового покрова на водохранилище происходит неодинаково и определяется режимом уровня воды, скоростей течения и особенностями морфометрии (рис. 2б). На участках с повышенной проточностью толщина льда у берегов больше, а над затопленным руслом меньше. Наибольших значений толщина льда достигает в конце февраля - начале марта и в среднем составляет 50-70 см (табл. 1). Вне зоны прямого влияния попусков ГЭС наблюдается равномерное распределение толщины льда по ширине акватории. На участке Камская ГЭС - пос. Кислотный (2 км от КамГЭС) существует незамерзающая полынья, размеры которой постоянно меняются в зависимости от режима работы гидроузла, объема и температуры сбрасываемой воды, а также колебаний температуры воздуха. В холодные зимы длина полыньи составляет в среднем 2,9 км, а в теплые - 11,2 км. При минимальных расходах воды и низких температурах воздуха длина полыньи даже в теплые зимы может уменьшаться до 0,2 км.

Вскрытие на водохранилище начинается с верхних участков (рис. 2в) и распространяется вниз по течению. В центральной и приплотинной частях нарушение сплошности ледового покрова происходит почти одновременно. Разрушение ледового покрова на участке г. Пермь - г. Краснокамск начинается до перехода температуры воздуха через 0оС к положительным значениям под влиянием попусков Камской ГЭС. Очищение водохранилища ото льда происходит в той же последовательности, что и вскрытие.

2. Сроки появления ледовых явлений на разных участках водохранилища определяются особенностями их морфометрии, совокупным влиянием запаса тепла на дату перехода среднесуточной температуры воздуха через 0оС и попусками вышерасположенной Камской ГЭС.

Выполнена качественная оценка влияния основных факторов, определяющих сроки наступления ледовых фаз. Исследуемыми характеристиками явились продолжительность периодов от даты перехода температуры воздуха через 0оС по м.с. Пермь, где переход осуществляется в самые ранние сроки, до дат появления ледовых явлений (То, сут) и установления ледостава (Тлд, сут). В качестве определяющих факторов использованы: удельный теплозапас на дату перехода температуры воздуха через 0оС (q, 106 Дж), безразмерный морфометрический (Км) и климатический (Ккл, градм/с) коэффициенты.

Морфометрический коэффициент (Км) рассчитан по предложенному В.Г. Калининым и Н.А. Трофимовым (1996) уравнению:

где Sм, Sп, Sг - площади (м2) мелководной, прибрежной и глубоководной зон выделенного участка; hм, hп, hг - средние глубины (м) мелководной, прибреж ной и глубоководной зон участка. Уменьшение Км свидетельствует об увеличении доли глубоководной зоны в пределах участка и наоборот.

На интенсивность охлаждения и сроки наступления явлений существенное влияние оказывает турбулентный теплообмен, величина которого зависит от разницы температур воды и воздуха, а также скорости ветра. Так, с увеличением этой разницы, равно как и с увеличением скорости ветра, продолжительность рассматриваемых периодов будет меньше. Учет этого параметра возможен по формуле, предложенной В.Г. Калининым, Н.А. Трофимовым (1996), в виде климатического коэффициента:

Ккл = (tв - t) w,

где tв и t - среднемноголетние значения за октябрь температур (оС) воды и воздуха; w - среднемноголетняя скорость ветра за октябрь (м/с).

Таким образом, продолжительность рассматриваемых периодов прямо пропорциональна изменению удельного теплозапаса и обратно пропорциональна величинам Км и Ккл (рис. 3). Поэтому совместное влияние этих факторов можно представить в виде отношения q/Км·Ккл (рис. 3), которое впервые предложено В.Г. Калининым (1993) для условий Камского водохранилища.

Рис. 3. Зависимость продолжительности периода То от основных факторов: q (а), q Км^-1 (б), q Км^-1 Ккл^-1 (в) (цифрами указаны номера участков)

Анализ выявленных на Воткинском водохранилище закономерностей (рис. 3) подтвердил правомерность использования подобного подхода. Для центральной и нижней частей водоема установлена зависимость продолжительности периодов То и Тлд от удельного теплозапаса q (рис. 3а). Учет влияния морфометрии в виде коэффициента Км улучшает связь (рис. 3б), а добавление коэффициента Ккл позволяет в совокупности определить влияние основных факторов на процессы ледообразования на водоеме (рис. 3в). Характерное расположение точек верхних участков на этих зависимостях отражает антропогенное воздействие постоянных сбросов более теплых вод Камской ГЭС, что приводит к увеличению исследуемых периодов То и Тлд.

3. Разработанная на основе метода Л.Г. Шуляковского методика краткосрочных прогнозов ледовых явлений на Воткинском водохранилище существенно упрощает выпуск прогнозов, не снижая их качества.

Условие ледообразования Л.Г. Шуляковским (1960) определено в виде неравенства: ледовой водохранилище толщина корреляционный

где tn - средняя в сечении или по глубине температура воды в момент начала ледообра зования, n - коэффициент теплоотдачи в момент начала ледообра зования, Вn - результирующая (на водной поверхности) тепловых потоков в момент начала ледообра зования.

где t0 - начальная температура воды, °С; n - число суток от начала расчета, сут; h - средняя глубина расчетного участка, м; с - теплоемкость воды, Дж/см3град; - плотность воды, гр/см3; q - приход тепла от ложа, с подземными водами и вследствие диссипации энергии, Дж/см2сут; I'0 - удельный тепловой поток солнечной радиации, поглощаемый водой, Дж/см2сут; - коэффициент теплоотдачи (коэффициент подачи тепла из водной массы к поверхности раздела вода-воздух), Дж/см2сут град; tвозд - температура воздуха, °С; d - удельный теплообмен при температуре воздуха, равной температуре поверхности воды, Дж/см2сут; k - коэффициент теплообмена, Дж/см2сут град.

Анализ формул, предложенных Л.Г. Шуляковским, показал, что для расчета сроков появления льда учитываются практически все составляющие теплового баланса. В то же время большая часть составляющих расчетного уравнения (k, d, I'0, q) определяется с учетом осреднения по большим районам (Заволжье, Сибирь), что может существенно искажать реальное соотношение элементов баланса из-за неучета местных особенностей. Составление прогнозов в оперативном режиме выполняется с использованием прогноза метеоэлементов (среднесуточные величины температуры воздуха, скорости ветра и облачности) на 4 суток. Это, в свою очередь, также увеличивает вероятную ошибку прогноза появления ледовых явлений. В связи с этим предлагается методика прогноза ледовых явлений, позволяющая уточнить и упростить вычисления путем учета местных гидрометеорологических условий и исключения отдельных составляющих баланса, роль которых не велика.

Методика прогноза разработана для четвертого (мелководного) участка Воткинского водохранилища, где раньше всего появляются ледовые явления, лимитирующие сроки окончания навигации. Анализ вклада каждой составляющей теплового баланса в уравнении (4) показал, что на долю удельного теплового потока солнечной радиации, поглощаемой водой (I'0) приходится менее 3%, при этом погрешность его определения сопоставима с самим значением I'0. Поэтому эта величина была исключена. Другие параметры (d, k, q, ), определяемые по методу Л.Г. Шуляковского приближенно, заменены эмпирическими коэффициентами, учитывающими местные условия процессов теплообмена для рассматриваемого участка водохранилища. Их расчет выполнен за многолетний период (1964-1995 гг.) по фактическим гидрометеорологическим материалам наблюдений. За каждый год на фактическую дату появления ледовых явлений были определены значения d, k, q, и подставлены в формулу (4). Для выражений и вычислены эмпирические коэффициенты (их среднемноголетние значения), которые составили, соответственно, 0,069 и 1,54. В результате получена формула (5), включающая два исходных параметра. Один из них отражает запас тепла в водоеме на день составления прогноза (температура воды), а другой (температура воздуха) - воздействие внешней среды. Заблаговременность прогнозов, выпускаемых по данной методике, зависит от прогноза температуры воздуха и составляет 5 суток.

,

где t0 - температура воды на день составления прогноза, оС; tвозд - температура воздуха по прогнозу, оС.

Проверочные прогнозы, выполненные для условий центральной части Воткинского водохранилища, имеют оправдываемость более 90%. Предложенный подход к разработке методики был апробирован для верхнего участка Камского водохранилища за период 1956-1995 гг. и получен аналогичный результат. Это позволяет рекомендовать ее для составления краткосрочных прогнозов ледовых явлений на камских водохранилищах.

4. Тесные корреляционные зависимости сроков наступления ледовых фаз от основных определяющих факторов могут явиться основой для разработки методик краткосрочного прогноза ледовых явлений.

Для получения методик прогноза с бьльшей, чем у детерминированных методов заблаговременностью, выполнен корреляционный анализ зависимостей сроков наступления ледовых фаз и нарастания толщины льда на Воткинском водохранилище от определяющих факторов для каждого водпоста за период с 1964 по 1995 гг.

Для прогноза сроков появления ледовых явлений и установления ледостава исследованы зависимости с суммами отрицательных температур воздуха, интенсивностью похолодания, удельным теплозапасом и рядом других факторов. Наиболее тесные из них, которые могут быть использованы для составления краткосрочных прогнозов ледовых явлений, получены с датами перехода температуры воздуха через 0°С, датами перехода температуры воды и почвы через 5оС, 3оС, 2оС и датами появления ледовых явлений на посту, где ледовые явления наблюдаются в самые ранние сроки (табл. 2). Эмпирические зависимости, установленные как для сроков появления ледовых явлений, так и для сроков установления ледостава, по разным постам имеют среднюю заблаговременность 6-15 сут.

Добавление третьей переменной, в качестве которой использованы величины удельного теплозапаса на дату перехода температуры воздуха через 0оС, суммы отрицательных температур, интенсивность похолодания за 3-5 дней, не дало значимого уточнения. Кроме того, при добавлении еще одного фактора автоматически добавляются ошибки, полученные самой третьей переменной, которые могут «нивелировать» возможные уточнения зависимостей.

Корреляционные зависимости средней и наименьшей толщины льда на поперечных профилях установлены с суммой отрицательных температур воздуха (табл. 3). Ввод в расчет высоты и плотности снежного покрова на льду не дал существенного уточнения. Ввиду того, что точный расчет этих величин на несколько дней вперед сложен и

Таблица 2 Характеристика зависимостей для расчета сроков появления устойчивых ледовых явлений на Воткинском водохранилище за период 1964-95 гг.

Примечание: r - коэффициент корреляции; - средняя заблаговременность, сут; Р - обеспеченность допустимой погрешности, %. При составлении прогнозов по уравнениям даты пересчитываются в числа от 1 сентября. зависит от многих факторов (суммы осадков, скорости ветра и др.), прогностические зависимости устанавливались без их учета. Заблаговременность прогноза по этим зависимостям (табл. 3) определяется заблаговременностью прогноза среднесуточной температуры воздуха.

Вскрытие акватории Воткинского водохранилища определяется как тепловыми, так и механическими факторами. В качестве фактора, отражающего устойчивое поступление тепла, использована дата весеннего перехода температуры воздуха через 0оС по ближайшей к водомерному посту метеостанции. Корреляционные зависимости (табл. 4) получены для всех водпостов, кроме верхних участков (Пермь, Нижняя Курья, Краснокамск), поскольку на их вскрытие и очищение оказывают влияние постоянные попуски Камской ГЭС. Средняя заблаговременность таких зависимостей для разных постов составляет 14-21 сут. Оправдываемость проверочных прогнозов 97-100%.

Таблица 3 Характеристика зависимостей для расчета толщины льда на профилях Воткинского водохранилища за период 1964-95 гг.

Примечание: - корреляционное отношение; /- критерий качества методик прогноза; Р - обеспеченность допустимой погрешности, %; hЛ - толщина льда, см; t_ - сумма отрицательных среднесуточных температур воздуха, оС.

Зависимости дат вскрытия с датами начала интенсивного подъема уровня воды на реках бассейна Воткинского водохранилища дают возможность косвенно оценить тепловое воздействие на ледовый покров Воткинского водохранилища перед вскрытием. Начало такого подъема уровня воды весной в реках происходит за 5-10 дней до вскрытия при установившейся подаче воды с поверхности водосбора в речную сеть. На основе прогнозов притока воды к Камскому водохранилищу выполняется сработка как Камского, так и Воткинского водохранилищ, существенно увеличивающая проточность. В данном случае для установления прогностических зависимостей использованы материалы по водпостам (р. Вишера - в.п. Рябинино, р. Кама - в.п. Бондюг, р. Чусовая - в.п. Кын) с площадями водосбора более 10000 км2. Оправдываемость прогнозов по таким зависимостям составляет 75-88%, при средней заблаговременности 8-13 сут (табл. 4.)

Таблица 4 Характеристика зависимостей для расчета сроков вскрытия Воткинского водохранилища за период 1965-96 гг.

Примечание: * - для линейных зависимостей рассчитан коэффициент корреляции. При составлении прогнозов по уравнениям даты пересчитываются в числа от 1 марта.

С этими же факторами установлены корреляционные зависимости для расчета дат очищения ото льда участков водохранилища с заблаговременностью 6-17 сут.

Проверка результатов на независимом материале выполнена за период с 1996 по 2006 гг., который был предварительно исследован на принадлежность к одной генеральной совокупности с периодом, используемым для построения зависимостей. Оправдываемость проверочных прогнозов по разным водпостам составила для: дат появления ледовых явлений и установления ледостава - 75-100%; средней толщины льда - 85-95%; наименьшей толщины льда - 80-95%; дат вскрытия - 75-95%; дат очищения - 75-100%.

Все зависимости, удовлетворяющие качеству прогностических, рекомендованы для использования в практике составления прогнозов ледовых явлений.

5. Предложенные критерии качества прогноза ледовых явлений на Воткинском водохранилище позволяют наиболее адекватно оценить точность методик прогнозов сроков наступления ледовых фаз и толщины льда.

Чтобы иметь возможность использовать полученные эмпирические зависимости в качестве прогностических, необходимо оценить их качество. Согласно «Наставления…» (1962) оценка методик краткосрочных прогнозов и методик уточнения долгосрочных прогнозов дат наступления явлений выполняется по средней квадратичной погрешности проверочных прогнозов () в зависимости от допустимой погреш ности (доп) и величине обеспеченности допустимой погрешности (Р%). Допустимая погрешность краткосрочных прогнозов дат наступления явлений принимается в зависимости от средней заблаговременности прогноза (табл. 5).

Таблица 5 Допустимая погрешность прогноза сроков наступления явления (Наставление…, 1962)

Оценка полученных прогностических зависимостей по критериям и Р% показала, что более половины из них с коэффициентами корреляции 0,85 0,94, нельзя использовать для выпуска прогнозов. Например, зависимость для прогноза с заблаговременностью 7 сут и коэффициентом корреляции r = 0,92, оценивается как «удовлетворительная». Для получения зависимости с оценкой «хорошо», необходимо иметь r > 0,92.

Чтобы определить, насколько качество методик краткосрочного прогноза ледовых явлений зависит от значений коэффициента корреляции и заблаговременности, выполнено численное моделирование рядов сроков устойчивого перехода температуры воздуха через 0оС и сроков появления устойчивых ледовых явлений. Для этого на основе метода Монте-Карло разработана программа, позволяющая генерировать ряды случайных величин, соответствующих нормальному закону распределения. При этом задан ряд характеристик: математические ожидание, средняя заблаговременность, среднее квадратичное отклонение, коэффициент корреляции. Для сгенерированных рядов построены зависимости (с сохранением «естественного» рассеивания точек, характерного для описываемого процесса), рассчитаны уравнения регрессии, ошибки прогноза и выполнена оценка оправдываемости. Анализ показал, что если допустимую ошибку определять в соответствии с «Наставлением…» (1962) у зависимости, удовлетворяющей оценке «хорошо», при заблаговременности в 7-8 сут коэффициент корреляции должен быть выше 0,96. Получить столь тесные зависимости между природными факторами практически невозможно, что ставит под сомнение использование статистических методов для прогноза сроков наступления ледовых фаз. На наш взгляд, критерии оценки, рекомендованные «Наставлением…» (1962), несколько завышены. Анализ табл. 5 показал, что допустимая погрешность определяется очень неравнозначно. Например, при заблаговременности в 6 и 9 суток допустимая ошибка равна 3 сут, в то время как она должна изменяться пропорционально величине заблаговременности.

Поэтому в качестве критерия для определения допустимой ошибки предлагается использовать половину средней заблаговременности (табл. 6).

Таблица 6 Допустимая погрешность прогноза сроков наступления явления

Допустимая ошибка, рассчитанная предложенным способом, хорошо согласуется с коэффициентами корреляции и критерием качества. Как правило, «хорошие» зависимости имеют Р>85%, а «удовлетворительные» Р>75%, что вполне соответствует требованиям гидрологических прогнозов.

При анализе зависимостей для прогноза толщины льда выявлено, что в соответствии с § 168 «Наставления...» (1962), независимо от формы выпуска прогноза (может быть указана ожидаемая толщина льда) всегда рассчитывается изменение толщины льда (hл) за период заблаговременности прогноза (промежуток времени от даты выпуска прогноза до даты, на которую он составляется).

В действительности построить такую зависимость не представляется возможным, поскольку измерения, выполняемые наблюдателями у берега, дают приближенное представление о толщине ледового покрова на участках водохранилища. Сравнительный анализ результатов измерений толщины льда в одной точке у берега и на ледовом профиле показал, что разница достигает 29-81%. Поэтому в наших исследованиях использованы данные наблюдений за толщиной льда на профилях. Выявлены зависимости средней (минимальной) толщины ледового покрова на профилях с суммами отрицательных среднесуточных температур воздуха (табл. 3).

Допустимые погрешности прогнозов изменения толщины льда определяются по таблице, рекомендованной «Наставлением…» (1962) в зависимости от величины фактического приращения толщины льда за период заблаговременности (табл. 7). На практике использовать в расчете величину фактического приращения, как это рекомендуется «Наставлением…» (1962), в данном случае было невозможно, т.к. на дату выпуска прогноза ее значение неизвестно. Следовательно, определить допустимую ошибку составленного прогноза нельзя. Поэтому, необходимо пересмотреть критерии определения допустимой ошибки. На наш взгляд, допустимая ошибка прогноза толщины льда должна рассчитываться в зависимости от спрогнозированной величины толщины льда.

Таблица 7 Допустимая погрешность прогноза толщины ледового покрова (Наставление, 1962)

Допустимая ошибка, рекомендованная «Наставлением…» (1962), составляет в среднем 30% от фактической величины (табл. 7). Выполнена оценка возможности использования в качестве допустимой ошибки меньших значений от 15% до 25% (табл. 8). Для этого помощью метода Монте-Карло выполнено численное моделирование рядов сумм отрицательных температур воздуха и толщины льда.

Таблица 8 Значения корреляционного отношения (), соответствующие «хорошему» и «удовлетворительному» качеству зависимостей при разных допустимых погрешностях

Из табл. 8 видно, что если допустимую ошибку рассчитать как 15% от спрогнозированной величины, то зависимости с корреляционным отношением () менее 0,80-0,83 не будут значимы, а «хорошее» качество имеют зависимости с >0,92. В случае использования в качестве допустимой ошибки 25% и более от спрогнозированной величины, зависимости с очень низкими значениями корреляционного отношения (0,64-0,48) будут иметь удовлетворительное качество, что недопустимо.

Поэтому предлагается в качестве критерия определения допустимой погрешности использовать величину 20% от спрогнозированной толщины льда (6). В этом случае допустимая ошибка прогноза будет увеличивается пропорционально величине спрогнозированной толщины льда:

где ±hДОП - допустимая ошибка рассчитанной толщины льда, (см); hл - рассчитанная толщина льда, (см).

Заключение

1. Впервые для условий Воткинского водохранилища выполнено комплексное исследование ледового режима. Картосхемы сроков замерзания, вскрытия и толщины льда составлены с учетом морфометрии водохранилища и данных ледовых авиаразведок. Они дают возможность оценить пространственно-временную динамику замерзания и вскрытия акватории, а также распределения толщины льда с учетом антропогенного воздействия в виде постоянных попусков Камской ГЭС.

2. Процессы ледообразования на Воткинском водохранилище в осенний период определяются теплозапасом водной массы, метеорологическими условиями и морфометрическими особенностями водоема. Выявленные зависимости, отражающие совокупное влияние этих факторов, подтверждают правомерность использования методики, предложенной В.Г. Калининым (1993) для условий Камского водохранилища.

3. Впервые для участка Воткинского водохранилища, лимитирующего сроки окончания навигации, на основе метода Л.Г. Шуляковского (1960) разработана методика составления прогнозов сроков замерзания с учетом местных условий в виде эмпирических коэффициентов, что позволило существенно упростить и уточнить составление прогнозов. Апробация данной методики выполнена для условий верхнего участка Камского водохранилища за период 1956-1995 гг., где также получен хороший результат. Предложенная методика рекомендована для составления краткосрочных прогнозов ледовых явлений на камских водохранилищах с заблаговременностью 5 суток.

4. Выявлены зависимости сроков наступления ледовых фаз и толщины льда от основных определяющих факторов, которые рекомендованы к использованию в качестве методик прогноза. Их заблаговременность больше (до 16 сут) по сравнению с прогнозами, составляемыми по детерминированным методам.

5. Предложено усовершенствование критериев определения допустимой ошибки сроков наступления ледовых явлений в виде 0,5 заблаговременности прогноза, а для нарастания толщины льда - 0,2 от спрогнозированной величины.

6. Проверка разработанных методик прогноза, выполненная на независимом материале, показала, что оправдываемость выпущенных прогнозов составила более 75%.

Основное содержание изложено в следующих статьях

1. Калинин В.Г., Микова К.Д. Формирование осенних ледовых явлений на Воткинском водохранилище// Материалы Международной научно-практической конференции: «География и регион» IV. Гидрология и охрана водных ресурсов. - Пермь: Перм. ун-т., 2002. С. 83-86.

2. Калинин В.Г., Микова К.Д. Исследование особенностей формирования осенних ледовых явлений на Воткинском водохранилище// Тезисы докладов IV Всероссийского гидрологического съезда. Секция 5. - Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2004. С. 83-85.

3. Калинин В.Г., Микова К.Д. Оценка возможности использования физико-статистических зависимостей для прогноза ледовых явлений на Воткинском водохранилище// Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов: Материалы научной конференции. - Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН, 2005. С. 83-85.

4. Калинин В.Г., Микова К.Д. Закономерности весеннего разрушения ледяного покрова на Воткинском водохранилище// Проблемы географии Урала и сопредельных территорий: Материалы II межрегиональной научно-практической конференции. - Челябинск. 2006. С. 81-83.

5. Калинин В.Г., Микова К.Д. Особенности расчета теплосодержания водных масс Воткинского водохранилища в осенний период// Географический вестник. - Пермь: Перм. ун-т., 2006. С. 73-75.

6. Калинин В.Г., Микова К.Д. Исследование закономерностей нарастания толщины ледяного покрова на Воткинском водохранилище// Гидрология и гидроэкология Западного Урала: сб. науч. тр. - Пермь. Перм. ун-т., 2006. С. 50-54.

Размещено на Allbest.ru