Теоретические основы метода прогноза по запасам воды в русловой сети

Г.П.Калининым в 1947г. был предложен метод соответственных объемов для прогноза средних расходов воды за определенный период на сравнительно крупных реках. Способ заключается в прогнозе стока по зависимости QT+t = f(Ws)t, которая основана на установлении связи между объемом воды в русловой сети в день выпуска прогноза T и объемом последующего стока в замыкающем створе бассейна. Построение этой зависимости производится по данным гидрометрических наблюдений в бассейне реки за прошлый период времени.

Заблаговременность прогноза среднего расхода соответствует времени руслового добегания с части речного бассейна, ограниченной изохронной τ.

Метод соответственных объемов позволяет прогнозировать средние декадные и даже средние месячные расходы на средних и больших реках, время руслового добегания на которых не менее 10 суток.

Русловая сеть рассматриваемого бассейна подразделяется на несколько участков, отделенных друг от друга водомерными постами со временем руслового добегания 2-5 суток.

После подразделения на участки определяется объем воды в русловой сети каждого участка. Объем воды во всей русловой сети равен сумме объемов воды на отдельных участках. Прежде всего возникает вопрос о способе вычисления объема воды в русловой сети Ws.

Вычисление объема воды в русловой сети может осуществляться разными способами, к основным из них относятся следующие.

. Гидрометрический способ.

Вычисление объема воды осуществляется по данным о среднем расходе воды и времени руслового добегания на участке. На бесприточном участке объем воды определяется по формуле

 

 

на приточном участке - по выражению

 

 

де ΣQBt - сумма расходов воды в верхних створах участка;

τ - среднее время руслового добегания на участке, определяемое как среднее арифметическое из величин времени добегания от верхних створов до нижнего

 

 

где m - число верхних створов

или как средневзвешенное значение по формуле

 

 

где τk - русловое время добегания от k-го верхнего створа участка до нижнего створа;

Qk - среднемноголетний расход в верхнем k-ом створе участка;

Fk - площадь бассейна в верхнем k-ом створе участка.

Если участок ограничен одним створом, то объем воды определяется по выражению

 

 

При выражении расхода воды в м³/с, времени добегания в сутках, а объема воды в м³ формула имеет вид

 

Wt = 86000 ∙ Qt ∙ τ

 

Очень часто в условиях недостаточно густой сети стоковых постов реализация описанного выше способа бывает затруднена из-за невозможности подсчета запасов воды в русловой сети о расходах воды.

В этом случае можно осуществить оценку русловых запасов используя данные наблюдений за уровнями воды. Рассчитанные таким образом объемы воды называются условными.

В пределах каждого участка условный объем определяется как

 

wt = Ht ∙ τ,

 

где Ht - средневзвешенный уровень воды на участке, вычисленный с учетом водности притоков по равенству

 

Ht = Pн ∙ Hнt + ΣPвj ∙ Hвj,t

 

где Hнt - среднесуточный уровень воды в нижнем створе участка на дату t; ΣPв ∙ Hвj,t - сумма произведений коэффициентов водности притоков Pвj на среднесуточный уровень в створе на этом притоке Hвj на дату t.

Коэффициенты водности вычисляются как отношение площадей водосборов до соответствующих створов Fвj к площади водосбора расчетного (прогнозного) створа Fпр

 

2. Морфометрический способ

Объем воды на участке реки может быть установлен по формуле

 

W = ω ∙ L

 

где ω - средняя площадь живого сечения потока на участке, определяемая по площади живого сечения в верхнем и нижнем створах;

L - длина участка

Площади водного сечения устанавливаются для конкретных уровней воды по зависимостям ω = f(H).

Наличие крупномасштабных карт или аэрофотоснимков рек при различных уровнях воды позволяет определить объем воды по площадям водной поверхности. Обозначим площади водной поверхности на участке, ограниченном двумя створами, через Ω и установим зависимость этой площади от уровней воды в верхнем и нижнем створах (Hв, Hн):

 

 

Объем воды на участке над начальным уровнем H0 равен Wн = ∫ ΩdH

На каждом участке строится кривая объемов W = f(H), что дает возможность вычислить суммарный объем воды во всей русловой сети бассейна для любого момента времени. Применение этого способа затруднено отсутствием подобных морфометрических данных.

. Воднобалансовый способ.

Для определения объема воды в русловой сети используется уравнение водного баланса бесприточного или приточного участка реки

∆W = (Qв∙∆t + Qпр∙∆t) - Qн∙∆t,

 

где ∆W - приращение объема воды на участке за время ∆t;

Qв, Qпр, Qн - соответственно расходы воды в верхнем, нижнем створах и на притоке.

Суммируя изменения объемов воды за некоторый период времени, получим объем русловых запасов (W) над некоторым начальным объемом. По величинам объема и среднего расхода воды на участке строят кривые объемов W = f(Qср) за ряд характерных лет, совмещая их на одном графике и проводя огибающую по наиболее наклонным участкам кривой к оси расходов. Эта кривая отвечает условиям отсутствия притока воды от осадков.

Рассмотренные способы дают возможность определить объем воды только в той части русловой сети бассейна, которая освещена пунктами гидрометрических наблюдений. Объем воды в мелкой русловой сети не учитывается.

После определения объемов воды Wi для отдельных участков находится суммарный объем воды Ws во всей русловой сети водосбора (объем воды во всей русловой сети равен сумме объемов воды на отдельных участках) и строится графическая зависимость

 

QT+t = f(Ws)t.

 

Метод соответственных объемов применим в основном в летне-осенний и зимний сезоны в условиях незначительного притока воды в период прогноза. В период весеннего половодья и крупных дождевых паводков значительная приточность в течении периода, на который дается прогноз, не позволяет установить зависимость QT+t = f(Ws)t. Косвенно учесть приточность можно путем построения зависимости отдельно для периода подъема и спада половодья.

Для прогноза максимума половодья рекомендуется использовать зависимость вида

 

Qmax t+τ = f(Wt).

 

Дата выпуска прогноза (и дата определения объема воды в русловой сети) приурочивается к моменту наступления максимума половодья на одной из малых рек, где пик половодья из года в год наступает в более ранние сроки, а волна половодья одномодальна. Возможно, даже за дату выпуска прогноза принимать среднюю дату пика половодья несколько больших рек, на которых максимум наступает всегда раньше, чем на большой реке. Заблаговременность прогноза равна средней продолжительности сдвига между максимумом малой и большой реки. С целью предсказания времени наступления пика половодья возможно построение связи вида

 

∆τ = f(Wt),

 

где ∆τ - разность между датами пика половодья в створе большой реки и на малой реке.

 

Расчетная часть

гидрометеорологический декадный сток вода