CC BY
39Электронный журнал «Исследовано в России» 1499 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/138.html
Оптимизация режимной гидрологической сети в условиях изменения климата
Гайдукова Е. В. ([email protected]) Хаустов В. А. ([email protected])
Российский государственный гидрометеорологический университет
За последние два десятилетия число постов в нашей стране изменилось: в 1980 году в границах России было 6083 поста, на 1 января 2003 года число постов составляет 3058. Например, в Якутии число постов сократилось на 40%, а на Чукотке - вдвое. Посты закрывались из-за недостаточного финансового обеспечения, выхода из строя приборов и оборудования, не укомплектованности штатов. Это привело к ухудшению качества и количества данных наблюдений, необходимых для составления гидрологических прогнозов. В результате снизилось качество обслуживания потребителей. В ряде случаев по указанным причинам было невозможно подготовить прогнозы и материалы, необходимые для принятия хозяйственных решений. Количество непредсказанных стихийных гидрометеорологических явлений увеличилось вдвое, снизилась заблаго-временность предупреждения о возникновении этих явлений. Участились претензии со стороны потребителей на недостаточное качество предоставляемой информации [1]. Кроме того, надо иметь в виду, что уменьшение числа станций наблюдений происходит в условии изменяющегося климата, который существенно влияет на сток [2]. В связи с этим возникает вопрос о рациональном числе режимных постов в условиях экономического кризиса и изменяющегося климата. Существующий метод оптимизации гидрологической сети И.Ф. Кара-сева, который используется более тридцати лет, позволяет определить рациональное число станций наблюдений за стоком. По нему определяются плотность размещения пунктов наблюдения, достаточная для получения достовер-
ных и репрезентативных гидрологических характеристик и оправданные затраты материальных ресурсов.
В основе этого метода лежат характеристики годового стока, отнесенные к гидрологическим районам, и зависимости, используемые для интерполяции гидрометеорологических элементов. Предложенные Карасевым формулы имеют следующий вид [3]:
Ррепр < Рград — Ропт — Fкор, (1)
^рад > [ 8а02/^гаё У)2 ] Уср2, (2)
^кор < а4 / (а2 Су4), (3)
^опт = Р/ ^опт- (4)
Формулы (2), (3) служат для расчета градиентного и корреляционного критериев. В этих формулах: а0 - погрешность определения нормы стока; grad У - градиент стока; Уср - средняя на участке норма стока; а - относительная случайная ошибка определения стока по гидрометрическим данным равная, в первом приближении, 0,05; а=ИЬ0, Ь0 - радиус корреляции, т. е. расстояние, при котором корреляционная функция г(1) проходит через ноль. Оптимальное число режимных стоковых станций в речном бассейне определяется по формуле (4), где оптимальная площадь, приходящаяся на одну режимную станцию, должна находится в диапазоне, определяемом неравенством (1).
Существующий критерий репрезентативности Ррепр - первое и обязательное условие для размещения сети. Его соблюдение (Ропт > Ррепр) дает возможность получить зональные характеристики стока. Градиентный критерий характеризует надежность информации о пространственных изменениях нормы стока. Он служит для того, чтобы выявить наблюдениями на станциях изменения нормы стока. Верхний предел оптимальной площади водосбора выражает кор-
реляционный критерий. Превышение этого критерия приводит к потере корреляции стока между бассейнами.
Развитие метода И. Ф. Карасева приводится в работе В. В. Коваленко и И. И. Пивоваровой [4]. В этой работе впервые теоретически получены критерии оптимальной сети из общей стохастической модели формирования стока, из которых как частный случай следуют критерии Карасева. Это позволяет конкретизировать условия формирования стока, при которых они справедливы. Вывод выполнен на основе модели Фоккера - Планка - Колмогорова (ФПК) и привел, в частности, к формуле для градиентного критерия:
Ь > 0,5G~т1 / grad т1 + 0,5G~~ / grad т1, (5)
где grad тх = dml / , - ось в направлении градиента стока; т1 - матожида-
ние модуля стока; G~, - интенсивности белых шумов ~ = 1/ к и N = X (к
- коэффициент стока, X - интенсивность осадков); Ь - параметр «пространственной релаксации», т. е. того расстояния, на котором бассейн начинает адекватно реагировать на внешнее воздействие.
Корреляционный критерий, полученный из стохастической модели, может быть приведен к виду, идентичному по форме одноименному критерию Карасева. Репрезентативный критерий в работе [4] рассматривается как параметр релаксации в модели речного стока.
В данной статье будет исследоваться чувствительность критериев оптимальной режимной гидрологической сети к изменению климата по формулам Карасева (в дальнейшем подобные исследования предполагается выполнить и по методике Коваленко - Пивоваровой).
Исследования основаны на использовании ретроспективного материала. Исходные данные - ряды наблюдений за летним и зимним 30-суточным минимальным стоком. Территория для исследования выбиралась таким образом, чтобы на ней можно было проследить смену маловодного и многоводного пе-
риодов. Она имела размеры, достаточные для корректного вычисления радиуса корреляции и была освещена наблюдениями за продолжительный период времени на большем числе станций. Были просмотрены реферативные журналы с 1957 по 2002 годы, найдены ссылки на статьи, а затем по возможности сами статьи, в которых описывались территории, удовлетворяющие требуемым условиям. После анализа работ А. В. Рождественского, Н. П. Артемьевой, В. В. Куприянова, А. В. Агупова, Б. М. Доброумова был взят бассейн верхнего и среднего течения Оби. Были выбраны станции, ряды наблюдений которых составляли не менее 15 лет [5].
Первоначальная обработка исходных данных производилась в два этапа. На первом этапе обработки было произведено удлинение и восстановление рядов методом аналогии. При подборе рек-аналогов, прежде всего, обращалось внимание на сходство гидрологических условий бассейнов, степень дренирования реками водоносных горизонтов, что отражается размерами площади водосбора, сходство по естественной зарегулированности стока. В результате были восстановлены и удлинены ряды примерно по 130 станциям (различные для зимы и лета), продолжительность рядов составила не менее 40 лет за период до 1980 года.
Второй этап первоначальной обработки исходных данных - получение ретроспективного материала для исследования влияния изменения климата на критерии оптимизации, которые определяют оптимальное число станций наблюдений за летним и зимним минимальным 30-суточном стоком. Очевидно, что при изменении климата будет происходить изменение водности рек [6, 7], поэтому необходимо выделить в рядах наблюдений периоды с разными фазами водности.
По данным всех станций были построены разностно-интегральные кривые (РИК). Именно по этим кривым прослеживаются продолжительность, размах и изменения колебаний водности. По всему материалу, полученному в ходе обработки 241 разностно-интегральной кривой, видно, что ряды имеют асин-
Электронный журнал «Исследовано в России» 1503 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/138.html
фазные колебания стока. Синфазные колебания стока связаны с типом атмосферной циркуляции воздушных масс [8].
По результатам анализа РИК, которые выявили разделение рядов, для лета и зимы отдельно, на две группы, различающиеся по ходам водности, выполнено районирование территории, разделяющее регион исследования на области. На схеме региона (рисунок 1) видно, что линии, отделяющие одну область от другой, для лета и зимы не совпадают. В то же время для лета и зимы имеются свои территориальные области, для которых характерна смена многоводного и маловодного периодов на реках. То есть, получен ретроспективный материал для исследования влияния изменения климата на критерии оптимизации сети наблюдений за летним и зимним минимальным стоком.
Расхождения между расходами воды многоводного и маловодного периодов водности с вероятностью превышения 80 % установленной по сглаженным эмпирическим кривым распределения в среднем равны 12 %.
Критерий репрезентативности. Для нахождения репрезентативного критерия построены графики зависимости модуля стока от площади водосбора (д = ^Р)) для каждой фазы водности. На графиках можно наблюдать изменения модуля стока с увеличением площади водосбора. В зоне от 0 до Ррепр модуль стока может увеличиваться или уменьшаться с ростом площади водосбора ре-
Рисунок 1 - Схема бассейна верхнего и среднего течения Оби с областями различными фазами водности для летне-осеннего и зимнего 30-суточного минимального стока.
- Лето (области 1 и 2) ............ - Зима (области 3 и 4)
Электронный журнал «Исследовано в России» 1504 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/138.html
ки. Характер его изменения определяется местными условиями формирования стока. Значение ^репр зависит в основном от глубины залегания подземных вод: чем они ближе к поверхности, тем значение ^репр будет меньше, поскольку тем скорее река сможет дренировать все питающие ее водоносные горизонты.
Репрезентативная площадь определялась по специально разработанной методике, в основу которой вошел критерий оценки однородности Стьюдента. Соответствующие значения ряда (площадь водосбора F и модуль стока q) были ранжированы по возрастанию площади, и значения q представлены в «хронологическом» порядке; таким образом стало возможным применение критерия однородности Стьюдента.
В результате нахождения репрезентативной площади, сделан вывод, что критерий репрезентативности статистически не зависит от многолетнего периода водности минимального стока ни летом, ни зимой, т. е. изменение климата на нем сказываться не будет (этот вывод справедлив только для конкретной ситуации изменения нормы стока на 12%).
Градиентный критерий. Для расчета градиентного критерия требуются осредненные для гидрологического района характеристики: средняя норма стока и градиент стока.
Для нахождения градиентного критерия были построены карты модуля и коэффициента вариации минимального летнего и зимнего стока. Построение карт и дальнейшее нахождение параметров, входящих в расчетную формулу градиентного критерия, производились с помощью компьютерного приложения Surfer 7.0.
По результатам расчета, можно сделать следующие выводы: 1) коэффициент вариации в областях 1 и 3 больше в маловодную фазу, а в областях 2 и 4 больше в многоводную фазу; 2) средняя норма стока в многоводные периоды, естественно, больше; 3) градиент стока больше в многоводную фазу водности; 4) значения градиентного критерия при изменении климата зависят от характеристик исследуемой области: критерий выше в маловодный период в областях 1 и 3, в областях 2 и 4 градиентный критерий выше в многоводный период.
Корреляционный критерий. При расчетах стока широко используется метод гидрологической аналогии, когда режим водного объекта, для которого нет данных систематических наблюдений за стоком воды, изучается с помощью реки-аналога. Это возможно, если режимы обоих объектов взаимосвязаны, что бывает у не слишком удаленных друг от друга речных бассейнов.
Радиус корреляции стока Ь0 находился путем аппроксимации корреляционных функций рядов минимального стока. Координаты корреляционной функции: по оси Х- расстояние между центрами водосборов рек, по оси У - коэффициент корреляции между рядами наблюдений за минимальным 30-суточным стоком тех же рек.
Корреляционные функции, как известно, аппроксимируются экспоненциальной кривой, но эта кривая не отражает отрицательных значений. Чтобы избежать отрицательных значений, данные были усреднены на интервале по ЛЬ = = 20 км. Таким образом, была получена аппроксимирующая экспоненциальная кривая по средним значениям коэффициентов парной корреляции для каждой градации расстояний. Аппроксимация экспоненциальной кривой дала хорошие результаты с точки зрения связи этой кривой с полем точек (Яср = 0,81), но свойство экспоненциальной кривой (бесконечное приближение к оси Х и не пересечение ее) делают невозможным нахождение Ь0 - радиуса корреляции.
С целью избавления от «недостатка» экспоненциальной кривой был выбран следующий путь решения этой проблемы.
Для поля точек, аппроксимированных экспоненциальной кривой, найден диапазон ±ог:
^ = (1- Гвзв2)/(«ср - 1)0'5, (6)
где ог - среднее квадратическое отклонение; гвзв - среднее значение коэффициентов парной корреляции для каждой градации расстояний (АЬ = 20 км); пср - среднее количество лет рядов с коэффициентами парной корреляции в интервале АЬ [9].
В работе И. Ф. Карасева [3] отмечено, что для близко расположенных бассейнов рек одного гидрологического района корреляционная функция может быть аппроксимирована линейной зависимостью. Таким образом, получили два варианта значений радиуса корреляции и рассчитанные по ним корреляционные критерии, столбцы 6 и 7 в таблице.
В результате расчета корреляционного критерия сделаны следующие выводы. При аппроксимации экспоненциальной кривой и использовании диапазона ±ог: 1) значения радиуса корреляции выше в многоводную фазу; 2) корреляционный критерий больше в многоводный период. При аппроксимации линейной кривой: 1) значения радиуса корреляции выше в многоводный период; 2) корреляционный критерий больше в многоводный период зимой, а летом выше в маловодный. Оптимальная площадь и оптимальное число постов представлено в таблице.
Если исключить репрезентативный критерий (в данном конкретном случае он является доминирующим и «забивает» другие критерии) и оставить только градиентный и корреляционный критерии, то получаются результаты обобщенно представленные в столбцах 10 и 12.
В работе по исследованию чувствительности режимной гидрологической сети к изменению климата по методу Карасева, опубликованному в 1968 году, на ретроспективном материале бассейна верхнего и среднего течения Оби за период с 1935 по 1980 гг., в течение которого относительная разность минимального стока маловодной и многоводной фаз составила 12%, сделаны следующие выводы:
1. Критерий репрезентативности, найденный с использованием критерия оценки однородности Стьюдента, не зависит от изменений климата, в результате которых минимальный сток меняется на 12%.
2. Значения градиентного критерия при изменении климата определяется характеристикой данной исследуемой области, имеющей разнообразные физико-географические условия, которые характеризуются градиентом стока
Электронный журнал «Исследовано в России» 1507 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/138.html
^гаё У), находящемся в интервале от 0,0273 до 0,0195 для летне-осеннего минимального стока и от 0,006 до 0,0104 - для зимнего.
Таблица - Критерии оптимизации численности станций наблюдения за минимальным 30-суточным летне-осенним и
зимним стоком бассейна верхнего и среднего течения Оби
Области Фаза водности Продолжительность фазы водности, г. 1 репр? км2 1 град км2 Т~> 2 Ркор, км км2 1 опт. ? км2 2 Ропт. , км (эксп. кр. / лин. зав.) (без учета репр. кр.) опт. пр. N 1 у опт. пр. (эксп. кр. / лин. зав.) (без учета репр. кр.) Nопт ф.
(экспоненциальная кривая) (линейная зависимость)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Летне-осенний минимальный сток
Область 1 Многоводный период 1964-1980 13250 399 312 630 440737 13250 400 / 630 34 1100 / 700 31
Маловодный период 1935-1963 13250 643 76 143 440737 13250 650 / 650 34 678 / 678 31
Область 2 Маловодный период 1958-1980 5580 1453 733 2212 626009 5580 1460 / 2220 112 429 / 282 99
Многоводный период 1935-1957 5580 2746 513 804 626009 5580 2750 / 2750 112 228 / 228 99
Зимний минимальный сток
Область 3 Многоводный период 1948-1964 1800 614.3 292 1061 379549 1800 760 / 1760 210 500 / 216 53
Маловодный период 1965-1980 1800 1268 266 740 379549 1800 920 / 920 210 413 / 413 53
Область 4 Маловодный период 1936-1956 3170 576.7 26.1 121 687198 3170 560 / 2410 216 1227 / 285 58
Многоводный период 1957-1980 3170 830.0 91.5 329 687198 3170 710 /2540 216 968 / 270 58
Электронный журнал «Исследовано в России» 1509 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/138.html
3. Корреляционный критерий зависит от стока. В многоводную фазу он выше, в маловодную ниже. При изменении климата на 12% этот критерий будет определять оптимальную площадь, приходящуюся на одну режимную станцию в бассейне верхнего и среднего течения Оби.
Фактически численность станций наблюдений за минимальным стоком в бассейне верхнего и среднего течения Оби в условиях естественных изменений климата существенно меняться не будет. Это связано с постоянством репрезентативного критерия.
В дальнейшем предполагается провести аналогичное исследование по методике Коваленко - Пивоваровой. Авторы признательны профессорам И. Ф. Карасеву и В. В. Коваленко за внимание к работе, которая финансировалась грантом 01.200.1 12913 Министерства образования Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Итоги деятельности Росгидромета в 2002 году. http://www.rhm.hydromet.ru/
2. Метеорология и гидрология. Вып. 4, 2004. 169 с.
3. Карасев И. Ф. О принципах размещения и перспективах развития гидрологической сети - Труды ГГИ, 1968, вып. 164, с. 3 - 36.
4. Коваленко В. В., Пивоварова И. И. Оптимизация режимной гидрологической сети на основе стохастической модели формирования речного стока. -СПб., изд. РГГМУ, 2000, 43 с.
5. Государственный водный кадастр. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Том 1, вып. 10.- Л., Гидрометеоиздат, 1985, с. 69 - 102, 165 - 244.
6. Израэль Ю. А. Исследования влияния изменения климата. - Метеорология и гидрология, вып.4, 1991. С. 29 - 38.
7. Шикломанов И. А., Линз Г. Влияние изменений климата на гидрологию и водное хозяйство. - Метеорология и гидрология, вып. 4, 1991. С. 51 - 64.
8. Владимиров А. М. Гидрологические расчеты. - Л., Гидрометеоиздат, 1990, с. 201 - 241.
9. Рождественский А. В., Чеботарев А. И. Статистические методы в гидрологии. - Л., Гидрометеоиздат, 1974, 423 с.
