CC BY
1
УДК 556.552
СРЕДНЕСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ МАКСИМАЛЬНЫХ УРОВНЕЙ ВОДЫ В РЕКЕ ОБЬ У Г. БАРНАУЛА В 2024 ГОДУ
С.Ю. Самойлова, Е.В. Мардасова, В.А. Казанцева
Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
В статье представлен среднесрочный прогноз максимальных уровней половодья на р. Обь в створе г. Барнаул в 2024 г.; проанализирована его оправдываемость. Прогноз выполнен с использованием физико-статистической модели на основе связи максимальных уровней воды с зимними осадками, рассчитанными по методике В.П. Галахова. При расчете максимальных уровней также учитывалась поправка на состояние почвогрунтов в предгорной и равнинной части бассейна. Для оценки степени их промерзания анализировались метеоусловия на начальной стадии формирования снежного покрова по данным репрезентативных метеостанций. Получена статистически значимая зависимость (R2 более 0.7) максимальных уровней воды от суммы зимних осадков. Прогноз максимального уровня от таяния снега на р. Обь у г. Барнаула в 2024 году оправдался.
Ключевые слова: река Обь; максимальные уровни воды; г. Барнаул; зимние осадки; среднесрочный прогноз.
DOI: 10.24412/2410-1192-2024-17404 Дата поступления: 10.08.2024. Принята к печати: 3.09.2024
Прогнозирование опасных гидро- Половодье на р. Оби в верхнем течении
логических явлений на территории города продолжительное, с начала апреля по ко-
Барнаула является актуальной научно- нец июля, оно характеризуется наличием
практической задачей. Часть города двух-трех волн. Максимум первой волны
(пос. Затон и пос. Ильича) подвержена наблюдается на р. Оби в середине апреля
регулярным затоплениям жилых квар- - начале мая и связан с таянием снега на
талов и объектов инфраструктуры во равнинной части водосбора и в предгорьях
время половодий и дождевых паводков. Алтая. Вторая волна проходит в середине
Отметка затопления в 560 см над нулем мая-июне и формируется преимущественно
водомерного поста, при которой начинается за счет талых вод Катуни, Бии и Чарыша.
затопление пос. Затон, соответствует 45% Максимальные расходы и уровни воды
обеспеченности максимальных уровней. на р. Оби у г. Барнаула наблюдаются во
И если в 80-90-е гг. прошлого столетия вторую волну половодья (средняя дата
превышение опасной отметки наблюдалось 20 мая) [Кузнецова, Самойлова, 2024].
всего дважды, то с начала XXI века Для реки Оби основной источник
наводнения наблюдаются практически питания в период половодья - талые
через год [Кузнецова, Самойлова, 2024]. воды, поэтому главным параметром,
определяющим объем и максимальные уровни половодья, являются зимние осадки [Аполлов и др., 1974]. Ранее нами была разработана физико-статистическая модель прогноза максимальных уровней воды для р. Чарыш [Galakhov et а1., 2018; Галахов и др., 2018]. В ее основе корреляционная зависимость максимальных уровней воды и суммы зимних (с ноября по март) осадков на водосборе. Аналогичный подход нами был реализован в данной работе для прогноза максимальных уровней р. Оби у г. Барнаула в 2024 году.
Материалы и методы
Среднесрочный прогноз максимальных уровней воды р. Обь в г. Барнауле в 2024 году выполнен на основе зависимости максимальных уровней от сумм зимних осадков. Пространственная интерполяция и расчет средней суммы осадков в бассейне Верхней Оби выполнены при помощи модели В.П. Галахова [Галахов, 2003; Галахов, 2016] с использованием зависимости осадков на метеостанциях от орографической добавки к скорости вертикальных движений. В качестве исходных данных для построения зависимости использовалась суммы осадков из «Метеорологических ежемесячников» за 1967-1988 гг., а также данные из открытых источников [Всероссийский ... , 2024; Расписание Погоды, 2024] по следующим метеостанциям: Змеиногорск, Краснощеково, Чарышское, Кызыл-Озек, Усть-Кан, Чемал, Онгудай, Усть-Кокса, Катанда, Кош-Агач, Кара-Тюрек, Аккем, Яйлю. В работе [Галахов, 2016] указывается, что равнинные метеостанции
из-за интенсивного метелевого переноса в холодный период (когда снег «сухой») несколько завышают сумму осадков. Кроме того, основной приток воды дают реки Бия и Катунь, водосборы которых расположены в горах, поэтому данные равнинных метеостанций для расчетов не использовались. Данные о среднесуточных и максимальных уровнях воды взяты из «гидрологических ежегодников» за 1967-1988 гг. [Ежегодные данные..., 19671988], а также из открытых источников [Автоматизированная ..., 2024].
В соответствии с нашими предыдущими исследованиями в бассейне р. Чарыш [Ga1akhov et а1., 2018; Галахов и др., 2018], при расчете максимальных уровней предусмотрена поправка на состояние почвогрунтов в предгорной и равнинной части бассейна. Для оценки степени промерзания грунтов анализировались метеоусловия на начальной стадии установления снежного покрова. Считалось, что если высота снежного покрова достигла 20-25 см и более до установления среднесуточных температур ниже -10°С в течение нескольких дней, то значительного промерзания почвогрунтов не наблюдалось [Галахов и др., 2018]. Примечательно, что для горных бассейнов состояние почвогрунтов практически не оказывает влияния не сток половодья, и коэффициенты талого стока из года в год меняются незначительно [Ga1akhov et а1., 2021]. Для оценки метеоусловий конца осени - начала зимы использовались данные о температуре воздуха, сумме осадков и высоте снежного покрова с суточным разрешением по метеостанциям
Краснощеково и Чарышское из открытых источников [Всероссийский..., 2024; Расписание Погоды, 2024]. Годы со слабым промерзанием почвогрунтов из зависимости исключались и анализировались отдельно, так как при таких условиях в период весеннего снеготаяния наблюдаются значительные потери талых вод на впитывание.
Результаты и обсуждение
На начальном этапе была выполнена предварительная оценка условий формирования половодья 2024 года, а также сравнительный анализ текущего года и предыдущих 10 лет.
Зимой 2023-2024 года на предгорных и низкогорных метеостанциях сумма осадков, в основном, была ниже нормы или близка к ней, а в высокогорье (бассейн р. Катуни) в основном существенно выше нормы (табл.).
Связь зимних осадков на метеостанциях и орографической добавки к скорости вертикальных движений в 2024 году характеризуется коэффициентом детерминации 0.75 (рис. 1), что позволяет использовать зависимость для расчета средней суммы осадков на водосборе.
Для предгорных и низкогорных метеостанций (Чарышское, Краснощеково, Змеиногорск и Кызыл-Озек) зимние осадки в 2024 году суммировались, начиная с декабря из-за позднего установления снежного покрова.
Средняя сумма осадков зимой 20232024 года, рассчитанная в соответствии
с рисунком 1, составила 85 мм.
Как указывалось выше, в годы со слабым промерзанием почвогрунтов наблюдаются более низкие уровни воды. По результатам анализа данных ежегодных метеонаблюдений за ноябрь - декабрь, за последние 10 лет в бассейне Верхней Оби такие условия наблюдались трижды -зимой 2016-2017, 2019-2020 и 2021-2022 годов, причем 2016-2017 и 2019-2020 годы были наиболее многоснежными за последние 10 лет.
Зимой 2023-2024 гг. формирование устойчивого снежного покрова, по данным большинства метеостанций равнинных, предгорных и низкогорных районов (то есть те территории, где состояние грунтов оказывает значительное влияние на формирование талого стока) происходило в первой половине декабря после выпадения жидких осадков и установления сильных морозов ниже -20°С.
Для оценки степени промерзания почвогрунтов были проанализированы метеоусловия на начальной стадии формирования снежного покрова по данным репрезентативных метеостанций Чарышское и Краснощеково (рис. 2).
По данным обеих метеостанций устойчивый переход температуры воздуха через 0°С произошел 7 декабря, а уже 9 декабря температура воздуха опустилась ниже 20°С, при этом высота снежного покрова составляла не более 5 см. Такие погодные условия начала зимы 20232024 года способствовали промерзанию почвогрунтов на большую глубину.
Таблица
Сумма зимних осадков (ноябрь - март) на метеостанциях бассейна Верхней Оби
с 2014 по 2024 гг.
Table
Total winter precipitation (November - March) at weather stations in the Upper Ob basin
from 2014 to 2024
ГМС Сумма зимних (IX-III) осадков, мм
20142015 20152016 20162017 20172018 20182019 20192020 20202021 20212022 20222023 20232024 XI-III средне-многолетние**
Краснощеково 135 120 125 122 89 158 215 142 137 113 179
Чарышское 88 144 126 145 84 144 198 120 143 100 181
Кызыл-Озек 156 129 179 165 103 222 227 148 184 115 159
Чемал 47 74 97 82 51 105 63 73 100 46 65
Усть-Кан 28 59 112 85 28 48 32 40 46 59 47
Онгудай 36 111 114 74 50 72 37 44 83 63 42
Усть-Кокса 69 - 110 143 87 76 74 89 123 129 83
Катанда 57 108 109 83 68 92 81 73 92 106 67
Кош-Агач 2 31 18 - 11 22 17 10 21 32 15
Кара-Тюрек 73 101 147 100 92 156 74 68 145 135 109
Змеиногорск 267 - 379 266 250 467 429 322 349 319 263
Аккем 46 74 66 66 100 111 55 63 67 79 128
Яйлю 141 - 107 126 42 169 163 95 180 184 132
сумма по бассейну* 57 84 118 83 46 92 80 62 83 85
* - рассчитано с использованием модели [Галахов, 2003]
** - среднемноголетние данные по ГМС Змеиногорск, Катанда, Кош-Агач, Онгудай взяты из [СП 131.13330.2020, 2021], остальные - рассчитаны самостоятельно по данным [Всероссийский ..., 2024; Расписание Погоды, 2024].
Схожие условия при аналогичном количестве зимних осадков наблюдались в 2015-16, 2017-18 и 2022-23 годах. В эти годы максимальные уровни воды от снеготаяния были близки к критической отметке и составили 598, 563 и 559 см над нулем водомерного поста, соответственно. Для сравнения, в многоснежные 2016-2017 и 2019-2020 годы, когда значительного промерзания почвогрунтов не наблюдалось, максимальные уровни воды не достигли критической отметки в 560 см
и составили 547 и 516 см соответственно (рис. 3). В 2021-2022 году, при небольших снегозапасах и отсутствии промерзания, наблюдался наиболее низкий за последние 10 лет уровень - 404 см. Всего за последние 10 лет (с 2015 по 2024 гг.) критическая отметка 560 см была превышена 6 раз.
Среднесрочный прогноз максимального уровня воды в 2024 году выполнен с использованием зависимости от суммы зимних осадков, без поправки на слабое промерзание почвогрунтов (см. рис. 3).
Рис. 1. Связь орографической добавки скорости вертикальных движений и суммы зимних осадков
(ноябрь-март) на метеостанциях бассейна Верхней Оби (зима 2023-2024 г.) Fig. 1. Relationship between the orographic addition of the speed of vertical movements and the amount of winter precipitation (November-March) at weather stations in the Upper Ob basin (winter 2023-2024)
Следует отметить, что данная зависимость обеспечению безопасности населения. не учитывает влияние жидких осадков, Мониторинг уровней воды в р. Обь
выпадающих непосредственно в период на гидрологическом посту в г. Барнауле в
снеготаяния и на спаде половодья, и 2024 году показал следующее (рис. 4). может быть использована для прогнозов Половодье началось в третьей
максимальных уровней воды от декаде марта и проходило в две волны.
снеготаяния. Максимальный уровень в г. Барнауле
В соответствии с рисунком 3 наблюдался во вторую волну - 30 мая и
максимальный уровень воды от снеготаяния составил 573 см, превысив критическую
в 2024 году должен составить 573 ±40 см. отметку на 13 см. Последующий подъем
Прогноз был разработан в начале уровня воды с 13 по 20 июня был связан с
апреля 2024 года и представлен в выпадением осадков (дождевой паводок на
административные органы Алтайского спаде половодья), при этом уровень воды
края по управлению водными ресурсами и не достиг критической отметки.
15
10
о 5
и lï 0
О. -5
is -10
0) с -15
£ -20
1- -25
-30
1 а
\ 3 /
1 2
V ■ . 1 , III 1
го m m пг> m m IN (N (N (N (N (N
OOOOOOtJCJ rgniNINOlfNntN
и ю Ф m
о о о о
(N N (N N N N (N N
дата
15 10 5 0 -5
§■-10 ¡-IS £ -20 -25 -30 J
1 A . / 1 «
w ] 2 1
6> s
S " 5 S a
4| I
зИ , a «
I i
ill 0 " 5
COPOrOfOOOfOfOOO гмгчгмгмгчгчгмгч
ГМ ГМ ГЧ PNI ГЧ ГМ
IN NN N ri N N N
LO СП m
1Л (П «)
CN (N
дата
Рис. 2. Метеорологические условия начала зимы 2023 г.: а - Чарышское, б - Краснощеково.
1 - среднесуточная температура, °С; 2 - суточная сумма осадков, мм; 3 - высота снежного покрова, см Fig. 2. Meteorological conditions of the beginning of winter 2023: a - Charyshskoye, b - Krasnoshchekovo.
1 - average daily temperature, °С; 2 - daily amount of _precipitation, mm; 3 - snow depth, cm
Рис. 3. График связи максимальных уровней воды в створе р. Обь - г. Барнаул и осадков за зиму -(XI-III). Годы без значительного промерзания почвогрунтов показаны квадратами (в зависимость не включались). Треугольником показан прогнозный 2024 г. Fig. 3. Graph of the relationship between maximum water levels at the river site. Ob - Barnaul and precipitation during the winter - (XI-III). Years without significant soil freezing are shown by squares (not included in the statistics). The triangle shows the forecast year 2024
Выводы
1. Формирование максимальных уровней воды на р. Обь у г. Барнаула в наибольшей степени зависит от зимних осадков, что подтверждается коэффициентом детерминации, характеризующим связь этих параметров R2=0.74.
2. В качестве показателя водопоглощающей емкости бассейна, по аналогии с предыдущими работами, выбрана качественная характеристика степени промерзания почвогрунтов в предгорной и низкогорной частях бассейна. При этом определяющее значение имеют метеоусловия начала зимы - высота снежного покрова до понижения
среднесуточных температур ниже 10°С. Свежевыпавший снег высотой 20-25 см оказывает теплоизоляционные свойства и препятствует промерзанию почвогрунтов. Сравнительный анализ условий формирования половодья за последние 10 лет показал, что в годы со слабым промерзанием почвогрунтов уровни воды не достигали критических отметок, даже несмотря на значительное количество твердых осадков.
3. Прогноз максимального уровня от таяния снега на р. Обь у г. Барнаула в 2024 году оправдался. Абсолютное совпадение прогнозного и наблюденного уровня следует считать случайным.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The authors declare that there is no conflict of interest. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-27-00157, https://rscf.ru/project/24-27-00157/
Список литературы
Автоматизированная информационная система государственного мониторинга водных объектов (АИС ГМВО) [Электронный ресурс]. URL: https://gmvo.skniivh.ru (дата обращения: 01.04.2024).
Аполлов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. М.: Гидрометеоиздат, 1974. 422 с.
Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации - Мировой центр данных (ВНИИГМИ-МЦД) [Электронный ресурс]. URL: http://aisori.meteo.ru/ClimateR (дата обращения: 01.04.2024).
Галахов В.П. Условия формирования и расчет максимальных снегозапасов в горах. Новосибирск: Наука, 2003. 104 с.
Галахов В.П. Средняя многолетняя сумма твердых осадков Верхней Оби // Известия Алтайского отделения Русского географического общества. 2016. №1 (40). С. 27-33.
Галахов В.П., Мардасова Е.В., Люцигер Н.В., Самойлова С.Ю. Влияние осеннего промерзания на максимальные уровни бассейна реки Чарыш // Известия АО РГО. 2018. №2 (49). С. 54-57.
Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Часть 1. Реки и каналы. Том 1. Российская Федерация. Выпуск 10. Бассейны Оби (без бассейна Иртыша), Надыма, Пура, Таза. Новосибирск. 1967-1988.
Кузнецова Д.Е., Самойлова С.Ю. Опасные гидрологические явления на территории Барнаула // География и природопользование Сибири. Барнаул: Изд-во Алт. гос. ун-та. 2024. Вып. 32. С.156-164.
Расписание Погоды [Электронный ресурс]. URL: http://rp5.ru/ (дата обращения: 01.04.2024).
СП 131.13330.2020 «Строительная климатология». Москва, 2021. 124 с.
Galakhov V.P. Lovtskaya O.V., Mardasova E.V. Stochastic model for calculation of maximum flood stage in Charysh river using the data of annual winter precipitation // Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications. 2018. Vol. 6, no. 3. P. 34-44.
Galakhov V.P., Samoylova S.Yu., Mardasova E.V. Assessment of the amount of winter precipitation in mountain basins and their influrnce on flood formation (Charush and Anui river basins, Altai as a case study) // Earth's Cryosphere. 2021. Vol. XXV, no. 6. P. 42-51.
References
Avtomatizirovannaya informacionnaya sistema gosudarstvennogo monitoringa vodnyh obektov (AIS GMVO) [Automated information system for state monitoring of water bodies]. URL: https://gmvo.skniivh.ru (accessed: 01.04.2024). (in Russian).
Apollov B.A., Kalinin G.P., Komarov V.D. Kurs gidrologicheskih prognozov [Course of hydrological forecasts]. M.: Gidrometeoizdat, 1974. 422 p. (in Russian).
Vserossijskij nauchno-issledovatelskij institut gidrometeorologicheskoj informacii -
Mirovoj centr dannyh (VNIIGMI-MCD) [All-Russian Research Institute ofHydrometeorological Information - World Data Center]. URL: http://aisori.meteo.ru/ClimateR (accessed: 01.04.2024). (in Russian).
Galahov V.P. Usloviya formirovaniya i raschet maksimalnyh snegozapasov v gorah [Conditions for Maximum Mountain Snow Reserves Accumulation and Their Calculations]. Novosibirsk: Nauka, 2003. 104 p. (in Russian).
Galahov V.P. Srednyaya mnogoletnyaya summa tverdyh osadkov Verhnej Obi [Average long-term total solid precipitation in the Upper Ob] // Bulletin of the Altay Branch of the Russian Geographical Society. 2016. No. 1 (40). P. 27-33. (in Russian).
Galahov V.P., Mardasova E.V., Lyuciger N.V., Samojlova S.Yu. Vliyanie osennego promerzaniya na maksimalnye urovni bassejna reki Charysh [Influence of fall freezing on maximum levels of Charysh river basin] // Bulletin of the Altay Branch of the Russian Geographical Society. 2018. No. 2 (49). P. 54-57. (in Russian).
Ezhegodnye dannye o rezhime i resursah poverhnostnyh vod sushi. Chast 1. Reki i kanaly. Tom 1. Rossijskaya Federaciya. Vypusk 10. Bassejny Obi (bez bassejna Irtysha), Nadyma, Pura, Taza [Annual data on the regime and resources of land surface waters. Part 1. Rivers and canals. Tom 1. Russian Federation. Issue 10. Pools of the Ob (without the Irtysh basin), Nadym, Pura, Taza]. Novosibirsk. 1967-1988. (in Russian).
Kuznecova D.E., Samojlova S.Yu. Opasnye gidrologicheskie yavleniya na territorii Barnaula [Dangerous hydrological phenomena in Barnaul]. Geografiya i prirodopolzovanie Sibiri [Geography and environmental management of Siberia]. Barnaul: Izd-vo Alt. gos. un-ta. 2024. Vol. 32. P. 156-164. (in Russian).
Raspisanie Pogody [Weather Schedule]. URL: http://rp5.ru/ (accessed: 01.04.2024). (in Russian).
SP 131.13330.2020 «Stroitelnaya klimatologiya» [SP 131.13330.2020 «Building climatology»]. Moskva, 2021. 124 p. (in Russian).
Galakhov V.P. Lovtskaya O.V., Mardasova E.V. Stochastic model for calculation of maximum flood stage in Charysh river using the data of annual winter precipitation // Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications. 2018. Vol. 6, no. 3. P. 34-44.
Galakhov V.P., Samoylova S.Yu., Mardasova E.V. Assessment of the amount of winter precipitation in mountain basins and their influrnce on flood formation (Charush and Anui river basins, Altai as a case study) // Earth's Cryosphere. 2021. Vol. XXV, no. 6. P. 42-51.
MEDIUM-TERM FORECAST OF MAXIMUM WATER LEVELS IN THE RIVER OB NEAR BARNAUL IN 2024
S.Yu. Samoilova, E.V. Mardasova, V.A. Kazantseva
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul, E-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
The article presents a medium-term forecast of maximum flood levels on the river Ob in the area of Barnaul in 2024; its feasibility was analyzed. The forecast was made using a physical-statistical model based on the relationship between maximum water levels and winter precipitation, calculated using the method of V.P. Galakhov. When calculating the maximum levels, a correction for the state of soils in the foothill andflat parts of the basin was also taken into account. To assess the degree of their freezing, meteorological conditions at the initial stage of snow cover formation were analyzed according to data from representative weather stations. A statistically significant dependence (R2 more than 0.7) of maximum water levels on the amount of winter precipitation was obtained. Forecast of the maximum level from snow melting on the river. The Ob near Barnaul in 2024 was justified.
Key words: Ob River; maximum water levels; Barnaul; winter precipitation; medium-term forecast.
Received: August 10, 2024. Accepted: September 3, 2024 Сведения об авторах
Самойлова Светлана Юрьевна - кандидат географических наук, научный сотрудник Института водных и экологических проблем СО РАН. Россия, 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, д. 1. ORCID: 0000-0002-3365-0048. E-mail: [email protected].
Мардасова Елена Владимировна - научный сотрудник Института водных и экологических проблем СО РАН. Россия, 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, д. 1. ORCID: 0000-0001-5755-7983. E-mail: [email protected].
Казанцева Василина Александровна - лаборант Института водных и экологических проблем СО РАН. Россия, 656038, г. Барнаул, ул. Молодежная, д. 1. E-mail: vol.vasilisa. [email protected].
Information about the authors
Samoilova Svetlana Yurievna - PhD in Geographical Sciences, Researcher of the Institute for Water and Environmental Problems SB RAS (IWEP SB RAS). 1, Molodezhnaya St., 656038 Barnaul, Russia. ORCID: 0000-0002-3365-0048. E-mail: [email protected].
Mardasova Elena Vladimirovna - Researcher of the Institute for Water and Environmental Problems SB RAS (IWEP SB RAS). 1, Molodezhnaya St., 656038 Barnaul, Russia. ORCID: 0000-0001-5755-7983. E-mail: [email protected].
Kazantseva Vasilina Aleksandrovna - Laboratory assistant of the Institute for Water and Environmental Problems SB RAS (IWEP SB RAS). 1, Molodezhnaya St., 656038 Barnaul, Russia. E-mail: [email protected].
