Гидрологическая база для задач управления водными ресурсами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидрологическая база для задач управления водными ресурсами

Л.Ф. Сотникова

Аннотации

В статье формулируются основные требования к созданию информационной базы для различных моделей управления крупными водно-ресурсными системами. Эффективность управления водными ресурсами в значительной степени зависит от надежности информационного обеспечения. Основное внимание уделено подготовке гидрологической базы по новому нормативному документу (СП 33-101-2003), вышедшему в 2004 г.

This article contains the main requirements for design of data base designated for different management models of large water- resource systems. The efficiency of the water resource management mostly depends on information reliability and accuracy of accounting characteristics. The main attention is paid to the recommendations on the way to compose hydrology database in accordance with the latest version of the official statement (СП 33-101-2003) issued in 2004.

Требования к гидрологической информации зависят, прежде всего, от задачи водохозяйственного проектирования, а надежность входных параметров определяется теоретическими методами оценивания рассматриваемых характеристик стока, которые закреплены в нормативных документах. При всех требованиях к гидрологической информации, необходимо учитывать региональные особенности рассматриваемого района как в плане исходной информации, так и обеспечения района региональными зависимостями, связывающими сток с формирующими его природными факторами. Для многих моделей управления водно-ресурсными системами необходима высокая степень точности в оценке средних значений стока и его изменчивости, а это зависит от длительности используемого ряда и его репрезентативности. Особенностью настоящего периода является тот факт, что гидрологический режим не только мелких и средних, но и больших рек испытывает значительные антропогенные изменения, которые нарушают однородность гидрологических рядов и должны учитываться при оценке расчетных стоковых значений. Применительно к водохозяйственному проектированию одной из основных задач является восстановление характеристик естественного гидрологического режима по связи с их основными природными формирующими сток факторами бассейнов. Для крупных речных систем, какой является Волга, сток может быть восстановлен по стоку частных бассейнов-индикаторов. Водобалансовые методы применимы на участках реки, где происходит русловое регулирование за счет создания водохранилищ, а также имеются крупные водозаборы или перераспределение стока в пространстве. В этой ситуации для получения однородного ряда наблюдений за многолетний период возникает необходимость восстановления естественного стока реки, то есть выделение в многолетних колебаниях речного стока естественной (климатической) и техногенной составляющих.

При решении задач пропуска высокого стока через гидросооружения решаются вопросы, прежде всего, выбора расчетной вероятности превышения, а затем оценки максимальных расходов воды и выбор гидрографа расчетного половодья или паводка. Точность этих характеристик связана с выбором типа кривой распределения и методикой оценивания статистических параметров. водный сток гидросооружение

При формировании гидрологической базы для моделей оценки качества вод большое внимание уделено анализу минимального стока в многолетнем ряду и во внутригодовом его ходе. Необходимо выбрать годы малой водности, характерные для всех частей бассейна с учетом того, что и сток межени в году малой водности также должен иметь обеспеченность 90…97 %. Такой анализ был проведен по бассейну р. Волги при формировании гидрологической информации для модели управления качеством вод речных бассейнов. Принимался при расчетах минимальный месячный сток. Учитывая относительную устойчивость гидрологического режима в период межени, в первом приближении не принималось во внимание временя добегания, так как увязку стока по длине реки в месячном интервале времени провести практически невозможно.

В 2004 г. вышел новый нормативный документ - СП 33-101-2003 (2). В данный нормативный документ включены результаты многих исследований ИВП РАН по вероятностно-статистическим моделям, предназначенных для уточнения расчетных гидрологических характеристик. Принципиальные положения по указанным позициям были сформулированы С.Н. Крицким и М.Ф. Менкелем еще в 1946 г. и получили дальнейшее развитие в последующих работах 1, 3.

Основная цель новых норм заключается в рационализации методов расчета и определении области их применения. На современном уровне развития гидрологической науки в основе описания закономерностей многолетних колебаний речного стока лежит вероятностно-статистический подход. В соответствии с этим, в инженерной практике для получения требуемых расчетных характеристик стока при обработке исходной гидрологической информации решаются последовательно следующие задачи: выбор расчетной вероятности превышения (особенно остро встает при расчетах максимального стока для обоснования водосборных отверстий гидроузлов, а также минимального стока); способ определения расчетных величин различной обеспеченности, включающий в себя выбор функции распределения вероятностей и методов оценивания выборочных параметров; и, наконец, оценка точности полученных результатов.

Так, для оценки максимального стока при определении водосбросных отверстий наиболее ответственных гидротехнических сооружений, рекомендуется проводить оценки максимальных расходов воды на вероятность превышения (Р%), равную 0,01…0,1 %. Эти явления крайне маловероятны. Тем не менее, за обозримый период наблюдений на реках имели место паводки редкой повторяемости. Проведенные в ИВП исследования и анализ максимумов весеннего половодья на территории европейской части СНГ дали основания считать, что и в этих областях малых величин вероятности превышения применяемые в настоящее время функции распределения, в частности, трехпараметрическое гамма-распределение, дают результат, близкий к действительной повторяемости рассматриваемых событий [3]. При расчетах характеристик максимального стока в особых условиях его формирования целесообразно использовать так называемые усеченные распределения вероятностей. Сущность усечения кривой распределения состоит в том, что из численного анализа исключается определенный интервал колебания признака и требуется по данным наблюдений в оставшемся интервале построить часть полного распределения, то есть усеченное распределение. Применительно к расчету максимального стока, например, используется лишь верхняя часть ряда наблюдений, расположенного в убывающем порядке, и исключаются из рассмотрения численные значения нижней части ряда. Обоснованием служит тот факт, что под воздействием ряда причин максимальный сток в маловодные годы формируется в существенно иных условиях, чем в годы, обильные водой. Можно предположить, что сведения о режиме маловодных лет содержат мало информации, которая способствовала бы уточнению оценки распределения вероятностей высоких половодий и паводков. Подобные суждения применимы и при описании минимального стока.

Отсюда вытекает вывод, что для расчета расходов воды редкой вероятности превышения заслуживают внимания такие приемы и математические средства, которые наилучшим образом используют наиболее ценную часть имеющейся информации - данные наблюдений за высоким стоком. При использовании усеченных распределений весьма сложно установить границы между высокими и низкими паводками или половодьями ранжированного в убывающем порядке однородного ряда, и эта задача не имеет определенного решения, потому что в каждом конкретном случае граница может быть различной. В качестве границы, разделяющей генетически разнородные величины, в работах Блохинова 1) была принята медиана, то есть предлагается оценивать параметры кривой распределения лишь по верхней (для высокого стока) половине ряда наблюдений, расположенного в убывающем порядке. В этом случае, длительность ряда уменьшается вдвое, но точность статистических параметров страдает в меньшей степени. В ИВП проведены исследования по статистическим выборкам для оценки точности расчетных значений для усеченного гамма-распределения. Практическое использование выполнено для районов Прибалтики и Приморья, где условия формирования высокого стока различны. В этих районах выявлена наибольшая эффективность в применении усеченных распределений.

Существенным дополнением нового СНиП являются рекомендации по применению методики совместного анализа наблюдений однородных в природном отношении объектов. Теоретические положения этой методики разработаны С.Н. Крицким и М.Ф. Менкелем 1. К окончательному расчету принимаются не только индивидуальные оценки, полученные по наблюдениям в конкретном створе, но и учитываются объединенные оценки по ряду пунктов в пределах рассматриваемого однородного района, причем степень влияния вклада индивидуальной и осредненной информации зависит от величины случайной ошибки соответствующей информации. Результаты совместного анализа наблюдений по группам аналогичных объектов следует рассматривать как источник информации, дополняющий индивидуальные непосредственные наблюдения за каждым отдельным объектом. Качество информации определяется точностью оценок, основанной на индивидуальных (инд) и объединенных (оср) наблюдениях. Индивидуальные наблюдения свободны от географической составляющей рассеяния. Зато объем наблюдений, на который опираются оценки, ограничивается периодом работы одной гидрометрической станции. В отличие от этого, объединенные наблюдения включают географическую составляющую рассеяния, но объем их существенно увеличен. Точность каждой из оценок измеряется соответствующим стандартным отклонением, приемы вычисления которого намечены в работе [4].Значение искомого параметра, принимаемое к окончательному расчету, должно основываться на обоих источниках информации. Каждый из них следует вводить в расчет с весом, обратно пропорциональным дисперсии соответствующей оценки

Наименее исследованной в настоящее время является временная характеристика многолетних рядов - асимметрия ряда. Принимаемые в инженерно-гидрологических расчетах отношения СS и СV равны для годового стока

СS = 2СV,

для максимального стока весеннего половодья

СS = 3СV,

для дождевых максимумов

СS = 4СV.

В случае, когда эти отношения не соответствуют природе явления, имеет место существенная систематическая погрешность и, как следствие этого, искажение величин расчетных значений стока, что приводит к снижению точности всех водохозяйственных расчетов. Так, при назначении расчетных величин минимального стока при условии завышенного назначения отношения СS к СV получаем расчетные величины минимального стока, не соответствующие природе.

Для окончательного решения оценки асимметрии конкретного ряда рекомендуется анализировать несколько однородных в гидрологическом отношении бассейнов и принимать совместную оценку этого параметра, которая базируется на осредненной по району характеристике СS/СV и его индивидуального значения, при чем каждая из этих оценок входит с весом случайной ошибки расчета. В качестве наилучшей можно рекомендовать совместную оценку коэффициента асимметрии Сs (или Сs/Cv), полученную как среднее взвешенное по точности () индивидуальной и осредненной оценок по формуле

. (1)

где Cs,инд., инд. - соответственно, индивидуальная оценка Cs по ряду наблюдений в данном створе и ее стандартная ошибка, равная инд.= случ.; Cs,оср, оср. - соответственно, осредненная оценка Cs как среднее по группе рек и ее стандартная ошибка, равная

где k - число рек в группе); величина оср. при относительно большом числе включаемых в группу рек практически полностью определяется географической составляющей рассеяния оценки геогр., которая характеризует гидрологические различия рассматриваемых водосборов.

Отметим, так как веса индивидуальной и осредненной оценок Cs, в отношении (1) обратно пропорциональны квадратам их стандартных ошибок, то менее точная оценка незначительно влияет на результат.

В отношении оценок асимметрии рядов или, что наиболее часто используется в инженерной практике, отношения коэффициента изменчивости к коэффициенту асимметрии методом статистических испытаний получены случайные ошибки этого параметра, которые могут быть использованы при совместном анализе асимметрии рядов гидрологически однородного района (3).

Гидрологические величины по существу своему неоднородны. При совместном их анализе эти величины приводятся к единообразным условиям формирования. Для этого используются зависимости между характеристиками стока, как например, максимальными расходами воды и морфометрическими, ландшафтными и климатическими характеристиками совместно исследуемых бассейнов. Приведенные таким образом характеристики стока становятся однородными. По каждому объекту ансамбля оцениваются, по данным наблюдений, анализируемые параметры. Рассеяние оценок рассматривается как следствие двух причин: случайных колебаний, вызванных ограниченностью выборок (рядов наблюдений), по которым произведены оценки, и не устраненных приводкой систематических, детерминированных различий, порождаемых неодинаковостью ландшафтных и климатический условий.

Другим приёмом увеличения исходной информации служит восстановление стокового ряда за определённый период путём моделирования по бассейну-аналогу, имеющему более длительный период наблюдений. Рекомендуется проводить продление ряда по уравнению регрессии с учётом случайной составляющей рассеяния. Требуется построить последовательность данных, имитирующих ход стока реки в изучаемом створе за некоторый период, когда в данном створе не проводились гидрометрические измерения. При этом, значения величин стока за неизученный период рассчитываются по аналогии с некоторым другим рядом, в ходе которого прослеживается отчетливо выраженная синхронность со стоком изучаемого бассейна. Величину стока уi можно рассматривать как сумму двух слагаемых, из которых первое выражает составляющую колебаний величин yi, синхронных с колебаниями xi, а второе слагаемое не зависит от xi. Синхронная составляющая определяется по уравнению регрессии, независимая -представляет собой отклонение от регрессии. Дисперсия величин yi разделяется на составляющие: детерминированную зависимость от xi равную r2y2 и случайную, равную y2(1 - r2) отклонение от регрессии. Таким образом, имеем

. (2)

Данный прием особенно целесообразно использовать при восстановлении и увеличении длительности гидрологических рядов при формировании гидрологической базы.

Рекомендуемые расчетные приемы позволят уменьшить случайные ошибки расчетных значений стока и получить гидрологические модели, в большей степени соответствующие свойствам природных процессов стока, и более надежные результаты водохозяйственных расчетов.

Рассмотренные теоретические подходы использованы для гидрологического обоснования моделей управления водно-ресурсной системы бассейна р. Волги. Исследования по управлению водными ресурсами р. Волги базируются на многолетних гидрологических рядах, охватывающих весь период наблюдений и должны опираться на однородные данные. Для анализа однородности стокового ряда весеннего половодья многолетний период был разделен на два отрезка: до 1955 г., то есть до строительства и сооружения Волжско-Камского каскада, и период с 1956 г. до настоящего времени. Анализ выполнен на стоке весеннего половодья. Сопоставление кривых распределения обеспеченностей естественного стока за период 1881-1955 гг. и зарегулированного за 1960-2002 гг. показал степень разнородности информации. А статистические параметры восстановленного, то есть условно-естественного, стокового ряда за 1960-2002гг. и стока естественного периода 1881-1955 гг. практически совпадают: среднемноголетний объем равен (Wср.) 147,43 км, коэффициент изменчивости Сv = 0,19 и отношение коэффициентов изменчивости и асимметрии (Сs /Сv) равно 1,0. Для периода восстановленного стока (1960-2000) имеем: Wср.= 144,7 км 3, Сv = 0,18 и Сs /Сv = 1,0. Это дает основание считать многолетние ряды в опорных створах, включающие естественный период режима и период восстановленного стока, однородными и использовать весь период имеющихся гидрологических данных. До последнего времени исследования по управлению водными ресурсами р. Волги базировались на гидрологических рядах, охватывающих период 1914-1986 гг. Анализ водности за период 1987-1996 гг. представляет значительный интерес, прежде всего для повышения надежности разрабатываемых рекомендаций по совершенствованию правил управления каскадом водохранилищ. Последнее десятилетие характеризуется повышением стока р. Волги: обеспеченность годового стока в створе г. Волгограда за последний период составляет приблизительно 20%. Вместе с тем, этот период включает очень маловодный 1996 г., обеспеченность годового стока которого составляет 92%. Повышенная водность за последние десять лет практически не изменила средние многолетние характеристики стока. Статистические параметры стока (таблица) уточнены с использованием более совершенных методов оценки. В результате изменились параметры асимметрии многолетнего ряда, что может повлиять на значения обеспеченных величин стока, особенно в зоне обеспеченности более 50%.

Статистические параметры годового, меженного и половодного стока по различным участкам бассейна Волги

Гидрологическая информация, основанная на длительных рядах стока и включающая теперь период наблюдений длительностью до 115 лет, использована также для прогноза изменений водных ресурсов в будущем с применением различных методических подходов. Использовались подходы к оценке водного режима в будущем, которые позволили выделить из многолетнего стокового ряда периоды, которые по водности характеризуют граничные условия гидрологической ситуации в бассейне. Это очень важно, ибо большинство выполняемых исследований сосредоточено на изменениях средних условий водности. Однако водохозяйственные системы более существенно будут реагировать на экстремальные условия, выходящие за некоторый критический порог.

Библиографический список

1. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Гидрологические основы управления водохозяйственными системами. - М.: Наука, 1982.

2. Методические рекомендации по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрологических наблюдений. - Нижний Новгород: ГГУ, 2007.

3. Сотникова Л.Ф. Оценка пространственно-временных параметров максимального стока при гидротехническом строительстве. //Мелиорация и водное хозяйство. 2009. № 2.

4. Сотникова Л.Ф. Современные методические и практические приемы определения расчетных гидрологических характеристик. //Водное хозяйство России. 2004. №

Размещено на Allbest.ru