4480

Загальні відомості про розвиток довгострокових гідрологічних прогнозів

Лекция

География, геология и геодезия

Загальні відомості про розвиток довгострокових гідрологічних прогнозів. Аналіз сучасного стану в області довгострокового прогнозування гідрологічного режиму річок Розвиток довгострокових гідрологічних прогнозів на різних етапах історії пов’я...

Украинкский

2012-11-20

85 KB

8 чел.

Загальні відомості про розвиток довгострокових гідрологічних прогнозів

1.1 Аналіз сучасного стану в області довгострокового

прогнозування гідрологічного режиму річок

Розвиток довгострокових гідрологічних прогнозів на різних етапах історії пов’язаний з попитом народногосподарської діяльності. Велика небезпечність і матеріальні збитки від повеней у весняний період спричинили широкий розвиток питань прогнозування їх у гідрологічній науці. Відзначимо основні періоди в розвитку та головні дослідження в галузі довгострокових гідрологічних прогнозів як весняного і сезонного стоку, так і льодових процесів, використовуючи наукові літературні джерела [1, 2, 3].

У роботах А.І. Воєйкова й Є.А. Гейнца на основі дослідження умов утворення  катастрофічно високого водопілля 1908 р. вперше на науковій основі наводиться глибокий аналіз процесів, які відбувалися на басейнах у період формування водопілля, і факторів, які його визначали. До того ж періоду відноситься робота Е.М. Ольдекопа, у якій розглядається залежність стоку гірських річок Середньої Азії від кількості опадів на водозборі.

Створення різних методів прогнозу стоку було пов’язане з організацією систематичних спостережень як за стоком річок, так і за сніговим покривом, опадами та іншими факторами.

До першого, найбільш раннього періоду відносяться роботи з довгострокового прогнозу висоти весняного водопілля (1922 – 1924 рр.). Авторами цих робіт були В.Н. Лебедєв, А.В. Огієвський. Подальше вирішення проблеми наводиться в дослідженнях В.А. Назарова (1928 р.),  В.Д. Комарова (1936 р.), Є.І. Попової (1932 р.) та інших авторів. Висоту весняного водопілля вони пов'язували з накопиченням снігу в басейні,  ступенем промерзання ґрунтів, насиченням їх за рахунок осіннього зволоження і зимових відлиг, вираженими у бальних оцінках, а також  з очікуваними циклонічними умовами весни.

До цього ж періоду відносяться дослідження Д.І. Кочеріна (1926-1928 рр.) і Д.Л. Соколовського (1937 р.) з розрахунку максимальних витрат водопілля  на основі генетичного аналізу процесів формування стоку всього періоду водопілля. Великий внесок у вивчення генезису формування весняного водопілля  вніс М.А. Великанов (1940 р.), який вказував на необхідність всебічного наукового вивчення складного комплексу природних умов формування весняного стоку для створення такої спрощеної схеми, яку б можна було покласти в основу розрахункових формул.

Подальший розвиток методів прогнозування елементів весняного водопілля  відбувався під керівництвом А.В. Огієвського в службі гідрологічних оповіщень Дніпробуду та в секторі гідрологічних прогнозів Українського управління гідрометслужби. Методи прогнозу весняного стоку в той час були засновані на встановленні емпіричних кореляційних зв'язків елементів водопілля  з його факторами. Зокрема, прогноз об`єму водопілля річок складався, як правило, по його зв'язку з максимальною витратою води.

У 1924 році Л.К.Давидов на основі наукових ідей  Е.М.Ольдекопа запропонував метод прогнозу стоку за вегетаційний період (квітень-вересень)  для гірських річок при організації спостережень у гірському басейні. До того ж періоду відносяться дослідження В.Ю.Візе по прогнозам часу розкриття річок навесні.

Теоретичною базою подальших досліджень періоду середини 1930 – 1940-х років (другий період) в області вивчення стоку річок послужило рівняння водного балансу, можливість застосування якого в області прогнозів стоку  була показана Б.А. Аполловим ще у 1935 році. Уперше на основі вирішення рівняння водного балансу В.Д. Комаровим, Є.М. Соколовою, О.А. Спенглером були отримані емпіричні зв'язки шару водопілля від його факторів (запасів води в сніговому покриві і весняних опадів).

Нестача матеріалів спостережень за вологістю і глибиною промерзання ґрунту не дозволила кількісно оцінити їх вплив на втрати талих вод. Однак, В.Д. Комаровим (1936 р.) був зроблений висновок, що найбільші втрати талого стоку мають місце при недостатньо зволоженому і слабко промерзлому ґрунті.

У роботах 1940 р. О.А. Спенглер і Є.М. Соколова уперше вказали на вплив інтенсивності сніготанення у формуванні втрат талих вод.

Потреби у прогнозах стоку у зв`язку з початком експлуатації великої кількості водосховищ, а також накопичення теоретичних уявлень про формування стоку річок та більш повні і надійні вихідні матеріали призвели до появи багатьох досліджень, присвячених прогнозуванню сезонного, квартального, місячного припливу води до водосховищ.

З’являються перші методи прогнозування літнього стоку річок (роботи С.Ю.Белінкова, К.П.Воскресенського, М.І.Гуревича).

З початку 40-х років широкий розвиток знайшли методи Г.Р.Брегмана, Г.Я.Вангенгейма для довгострокових прогнозів замерзання та розкриття річок, озер та водосховищ, які основані на вивченні закономірностей атмосферної циркуляції та теплообміну між підстильною поверхнею і атмосферою на значних територіях.

Методи прогнозу об`єму водопілля, запропоновані авторами у період 1951-1963 рр., ґрунтувалися на побудові воднобалансових залежностей об`єму стоку від загальної кількості води, яка надійшла на басейн, і характеристик водопоглинаючої здатності ґрунтів на басейні.

Значна увага стала приділятися питанням нерівномірності накопичення, залягання і танення снігового покриву по території, нерівномірності вологості і глибини промерзання ґрунту, впливу інтенсивності сніготанення на формування стоку, врахуванню діючої площі басейну, з якої відбувається водовіддача. Починаються систематичні агрометеорологічні спостереження за промерзанням та вологістю ґрунтів.

Було також поставлене питання про створення просторових методів прогнозу стоку  для великих територій.

Розробка більш надійних методів довгострокових прогнозів весняного стоку була можлива тільки на основі детального теоретичного й експериментального вивчення втрат води в період танення снігу. У зв'язку з цим широкий розвиток одержали польові і лабораторні дослідження інфільтрації води в мерзлий ґрунт при вивченні теплофізичної взаємодії мерзлого ґрунту і інфільтрованої води в роботах Г.П.Калинина, Т.Т.Макарової, В.Д.Комарова (1957-1958 рр.).

Питання формування втрат весняного стоку розглядалися П.Ф. Ідзоном (1948 р.), Н.Г. Дмитрієвою (1950 р.), В.Д. Комаровим (1955 р.),  Є.Г. Поповим (1951,1956 рр.) та іншими.

Теоретичні дослідження процесів затримання, водопоглинання і стоку в річковому басейні найбільш повно виконані Є.Г. Поповим (1963 р.) [2]. Є.Г.Поповим отримані інтегральні рівняння стоку для двох типів водопоглинання – при наявності тільки поверхневої затримки (ємнісна модель водопоглинання) і в умовах заповнення поверхневої ємності і поглинання води ґрунтом (інфільтраційно-ємнісна модель).

Вирішення задачі визначення шару весняного водопілля зводиться до побудови водно-балансових залежностей стоку від сумарної кількості тало-дощової води та характеристики зволоження басейну, або до визначення загальних втрат води через зволоження та промерзання ґрунтів.

Отримані інтегральні рівняння стоку водопілля слугували протягом багатьох років і дотепер є основою при розробці локальних і територіальних методів довгострокового прогнозу шарів стоку весняного водопілля для різних географічних зон [3,4,5,10]. Головний напрямок в області уточнення таких методів прогнозу полягав в удосконаленні розрахунку характеристик водопоглинаючої спроможності мерзлих ґрунтів (зокрема, розрахунок водонепроникного шару в мерзлому ґрунті).

Третій період характеризується накопиченням матеріалів спостережень за факторами стоку в басейнах різних річок, а також застосуванням математичних методів до вирішення задач прогнозування стоку, що дало змогу на наступному етапі розвитку створити більш надійні і  фізично обґрунтовані методи прогнозів стоку як по окремих річках, так і загальних –  для великих територій.

Ще у 1920-1930 роки Д.І. Кочерин і Д.Л. Соколовський вказували на існування географічних закономірностей розподілу по території елементів весняного стоку і можливості їх просторової інтерполяції. Досліджуванням географічного розподілу весняного стоку займалися також А.В. Огієвський, Н.Д. антонов, П.С. кузін та інші автори.

Уперше на існування загальних для річок окремих районів з однорідними умовами формування поталого стоку залежностей весняного стоку від основних факторів указав В.Д. Комаров  (1955 р.).

Географічне узагальнення даних про весняний стік, запасах води у сніговому покриві, весняних опадах, глибинах промерзання ґрунтів, втратах талих вод, коефіцієнтах весняного стоку й інших елементах виконане В.Д. Комаровим (1959 р.) у вигляді карт ізоліній норм цих величин на Європейській території СРСР [1]. Він також уперше підійшов до питання територіального прогнозу шарів водопілля у вигляді побудови узагальнених по низці річок балансових залежностей шару стоку від факторів, які його визначають, а також надав їх аналітичний опис.

В подальшому можливості прогнозів стоку весняного водопілля по територіально загальних залежностях розглядалися у роботах багатьох авторів. Для басейнів річок України можна відмітити роботи С.І. Харченка (1959 р.),  В.А. Романенка (1963 р.), В.В. Салазанова (1964 р.). До більш пізнього періоду відносяться розробки О.С. Змійової (1977 р.), А.І. Суботіна (1978 р.), Д.А. Буракова  (1976 р.)  та інші.

Теоретичні й експериментальні дослідження вчених з питань формування стоку річок та його факторів, у тому числі й весняного водопілля, послужили методичною основою для створення різних математичних моделей по розрахунках і прогнозах стоку. Ці моделі відносяться до класу детерміністичних і використовуються, в основному, для короткострокових прогнозів гідрографів весняного водопілля [11,12], однак, відома низка моделей, які дозволяють розраховувати і прогнозувати об`єм весняного водопілля на річках.

Для розрахунку і довгострокового прогнозу об`єму весняного водопілля можуть бути використані моделі Ю.Б. Виноградова (1985 р.), М.М. Сосєдка (1990 р.).

Модель Ю.Б.Виноградова заснована на послідовному щодобовому розрахунку (починаючи з осіннього періоду) різних характеристик гідрологічних процесів у сніговому покриві і шарі ґрунту для деякої розрахункової місцевості. Визначення втрат води здійснюється за моделлю Є.Г. Попова. Сумарний поверхневий приплив разом з ґрунтовим надходженням вод чисельно дорівнює шару стоку весняного водопілля.

Особливості формування весняного водопілля на рівнинних річках відображені в математичній моделі «Шар-2», розробленій в Українському науково-дослідному гідрометеорологічному інституті (УкрНДГМІ) М.М. Сосєдком, Є.І. Кочелабою і В.П. Окорським [13]. Модель дозволяє за програмним комплексом, реалізованим на персональному комп’ютері, досліджувати процеси промерзання і відтанення ґрунту, зміни зволоженості водозборів, динаміки накопичення і сходу снігового покриву безупинно протягом зимово-весняного сезону, що особливо важливо в районах, які характеризуються зимовими відлигами. Прогноз об`єму  весняного водопілля здійснюється шляхом воднобалансового вирішення. При цьому втрати талої води визначаються двома показниками – коефіцієнтом стоку і шаром поверхневого затримання вологи з врахуванням залісеності  водозборів. Модель дозволяє прогнозні шари весняного стоку представляти у картографічному вигляді, а також випускати прогноз стоку у ймовірносній формі. На теперішній час модель удосконалена авторами у вигляді її варіанта «Шар-3» та дає можливість довгострокового просторового прогнозування шарів стоку весняного водопілля як для окремих водозборів, так і для річок всієї території України в цілому.

Для прогнозу гідрографа весняно-літнього водопілля гірських річок були створені математичні моделі, авторами яких є Ю.М.Денисов (1965, 1972 р.), В.М.Мухін (1977 р.), В.М.Мухін, Полунін О.Я.(1982 р.), Боровікова Л.М.(1977,1979р.) [6,10]. В основу прогностичної моделей цих авторів покладено модель динаміки накопичення та витрачання запасів води у сніговому покриві; розрахунок потрапляння води на поверхню басейну через інтенсивність танення снігу і льодовиків в горах та дощових опадів на висотних зонах; визначення втрат тало-дощових вод та трансформації водовіддачі у гідрограф стоку.  В останні роки відбувається уточнення моделі за рахунок більш точних сучасних методів визначення снігозапасів у гірському басейні.

В останні роки в Одеському державному екологічному університеті розроблений і переданий для оперативної роботи в Український гідрометеорологічний центр (УкрГМЦ) програмний комплекс, в основу якого покладений науковий метод територіального довгострокового прогнозування максимальних витрат води та шарів стоку весняного водопілля рівнинних річок, який дає можливість у картографічному вигляді представляти прогнозні величини у модульних характеристиках, а  також оцінити ймовірність настання прогнозних величин у багаторічному розрізі, незалежно від гідрологічної вивченості території [7].

Питанням довгострокових прогнозів дат льодових явищ на річках,  озерах  і водосховищах присвячені роботи Б.М.Гінзбурга, Є.І. Савченкової, Н.Д. Єфремової та ін [8]. Методи прогнозування льодових явищ засновані на аналізі атмосферних процесів на великих просторах, які дозволяють з великою завчасністю передбачати розвиток синоптичних умов у період формування (восени) або руйнування (навесні) льодових утворень на водних об’єктах.   

1.2 Основні етапи розробки методик довгострокових прогнозів елементів водного та льдового режиму річок

На процеси формування стоку річок впливає велика кількість факторів як фізико-географічних (положення водозбору, рельєф його поверхні, ґрунтовий та рослинний покрив), так і метеорологічних – режиму температури та волості повітря. Значна зміна цих факторів у часі та просторі обумовлює визначені труднощі при створенні методів та методик прогнозування річкового стоку та льодових явищ на річках, озерах та водосховищах.  Тому розробка наукового методу прогнозування  тісно пов’язана з глибоким та детальним фізичним і теоретичним аналізом умов формування прогнозного явища водного або льодового режиму. При розробки наукової методики гідрологічного прогнозу потрібно мати декілька методів прогнозування, які б по різним вихідним даним і способам розрахунків дозволяли б отримати близькі прогнозні результати. Крім того, необхідним є перевірка методики прогнозу по незалежних гідрометеорологічних даних, які не використовувалися при отриманні параметрів прогнозних залежностей.

 Основні етапи розробки методик довгострокових прогнозів елементів водного та льдового режиму річок наступні:

  1.  постановка задачі прогнозу згідно його меті та необхідній завчасності;
  2.  обґрунтування наукового методу прогнозу на основі задачі прогнозу та наявності вихідної інформації;
  3.  ознайомлення з науковою літературою та критичний аналіз сучасного стану проблеми, яка встановлена перед розробником;
  4.  вибір шляху створення методики прогнозу за вибраним науковим методом;
  5.  вибір способу оцінки методики прогнозу;
  6.  збір, аналіз та первинна обробка вихідної інформації, необхідної для розробки методики прогнозу, при використанні сучасних методів аналізу та обробки інформації;
  7.  розробка методики прогнозу водного або льодового режиму річок (озер, водосховищ) за прийнятим методом прогнозу;
  8.  виконання аналізу отриманих результатів за даними оцінки ефективності та якості методики прогнозу;
  9.  вибір форми представлення прогнозу;
  10.  складання науково-технічної записки по розробленій методиці прогнозу;
  11.  складання схеми оперативного прогнозу:

- якісна обробка та аналіз оперативної вихідної інформації;

- складання оперативного прогнозу за методикою;

- уточнення прогнозу за даними поточної інформації;

- оцінка оперативного прогнозу.

Запитання для самоперевірки

  1.  Назвіть основні періоди у розвитку науки довгострокових прогнозів водного та льодового режиму річок.
  2.  В чому полягають основні наукові досягнення у кожному періоді розвитку довгострокових прогнозів?
  3.  Які сучасні математичні моделі використовуються в оперативній практиці довгострокового прогнозування гідрологічного режиму річок?
  4.  В чому полягають основні труднощі при розробці прогностичних методик?
  5.  Яка послідовність етапів розробки методик довгострокових прогнозів елементів водного та льдового режиму річок.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23283. Новелістика Ірвінга 16.42 KB
  Ірвінґ здобув визнання як один із найвидатніших американських гумористів Характерні риси новелістики Ірвінґа цікавість і гострота сюжету поєднання серйозного та смішного романтичної іронії з раціоналістичним первнем. Ірвінґ висміює те що було містичним іронізує над недосяжним незбагненним реалії побуту поєднує з вигадкою політ фантазії з умінням відтворити особливості місцевого колориту та національного характеру. Поєднавши ілюзію з реальністю Ірвінґ значною мірою визначив шляхи розвитку американського романтизму виступивши...
23284. Іспанська літ-ра 19 ст. 20.17 KB
  приверженный к эстетике предыдущего этапа осознавал необходимость перемен в художественном мышлении вплотную подводит к вопросу о генезисе романтизма в Испании романтизм в испанской литературе утверждается в начале 30х годов; в первые же десятилетия века налицо лишь теоретические предпосылки романтизма: первые статьи пропагандирующие европейские романтические доктрины не происходило решительного разрыва с идеологией Просвещения. Взлет испанского романтизма пришелся на те годы когда гребень романтической волны в Англии Франции...
23285. Естетичний ідеал Кітса 15.48 KB
  Поезій в дусі народної балади чи пісні у Кітса небагато. Романтичне протиставлення мрії і дійсності взагалі властиве поезії Кітса.