Лекция 4 Моделирование развития и функционирования водохозяйст­венной системы

Вопросы:

1. Учёт нестационарности речного стока яри оценке перспектив его использования.

2. Восстановление естественных характеристик речного стока.

1. Учёт нестационарности речного стока при оценке перспектив его ис­пользования

Сложившаяся практика гидрологических и водохозяйственных расче­тов опирается на представления о стационарности стока и обусловливающих его гидрометеорологических процессов. При этом подходе нарастающие изъ­ятия воды или изменение располагаемых водных ресурсов вследствие регу­лирования стока учитываются выполнением расчетов для нескольких уров­ней развития водохозяйственной системы (ВХС), для каждого из которых принимаются стационарными, как режим стока, так и режим изъятий воды**.

В последнее время на повестку дня ставится учет нестационарности стока, обусловленной глобальным потеплением; на этой позиции стоит большое число климатологов, хотя количественные оценки глобального по­тепления не всегда совпадают. Еще менее достоверными пока что являются региональные оценки климатических изменений, в особенности соответст­вующие изменения составляющих водного баланса. Это заставляет по-новому подходить как к назначению параметров водохозяйственных устано­вок, так и к составлению правил их эксплуатации. Оба этих класса задач опи­раются на оценки располагаемых водных ресурсов в условиях нестационар­ного водного режима.

Ниже излагаются некоторые общие соображения по затронутым вопро­сам.

1. Учет нестационарности стока и других составляющих водного ба­ланса необходим, если сохранение гипотезы о стационарности не может быть .распространено по крайней мере на 100-летие: 60 — 70 лет накопления на­турных данных и 20 — 30 лет проектирования, создания и ввода в нормаль­ную эксплуатацию ВХС. Большая длительность наблюдений в а стоком встречается редко, а более длительный период эксплуатации не поддается анализу из-за условностей в оценке требований потребителей к водохозяйст­венной установке.

* Разумеется, такой подход обуславливает появление погрешностей в результатах при наличии в ВХС водохранилищ многолетнего регулирования стока.

2. При расчете режима водохозяйственных установок основное значе­ние из составляющих водного баланса имеет речкой сток — возможное из­менение его параметров. Однако, при анализе режима естественных водных объектов (озер, внутренних морей) в равной мере важно учитывать также возможное изменение осадков и испарения с поверхности водоема. Разумеет­ся, во всех случаях нельзя упускать из виду изменение водопотребления, в особенности орошаемым земледелием.

Оценка нестационарности элементов водного баланса обязательно должна учитывать изменение как нормы, так и других статистических харак­теристик годового стока: изменчивости, асимметрии и автокоррелированности, а также внутригодового распределения стока. Вероятно, в процессе раз­вития соответствующих исследований на первых этапах придется вводить те или иные гипотезы в отношении изменений асимметрии и автокоррелированности. Что касается изменчивости (коэффициента вариации) и внутриго­дового распределения, то тенденции в динамике этих характеристик должны быть предметом пристального внимания с самого начала работ. Действи­тельно, именно располагаемые водные ресурсы в маловодные периоды (годы, сезоны) определяют условия водообеспечения потребителей и эффект водо­хозяйственных установок и мероприятий.

3. При одновременном нарушении всех указанных выше характеристик режима водного объекта изменение водных ресурсов и эффекта водохозяйст­венных установок не обязательно должно идти монотонно или с трендом од­ного знака. При нарушении всего двух параметров - нормы и изменчивости (например, при одновременном их увеличении) суммарный эффект может меняться во времени даже по знаку, поскольку рост нормы обусловливает увеличение располагаемых водных ресурсов, а рост изменчивости — умень­шение их в маловодные годы.

Возможное изменение имеющихся водных ресурсов в результате изме­нений режима стока показано в табл. 5. В ней приведены результаты расчета по изменению водных ресурсов при многолетнем регулировании стока на ре­ке с коэффициентом вариации годового стока C_Vo ⁼ 0,5 и коэффициента его автокорреляции 0,2 при многолетней составляющей емкости водохранилища, равной норме стока v₀. В табл. 2. приведено изменение обеспеченности водо­отдачи по числу бесперебойных лет вследствие отклонения нормы стока и коэффициента его вариации на ±10%.

В рассмотренном примере изменение нормы стока влияет сильнее па обеспеченность водоотдачи, чем одинаковое относительное изменение коэффициента вариации. Однако вполне вероятно, что вариация может претер­петь большие относительные изменения как менее устойчивая величина, характеризующаяся большими случайными ошибками. При других сочетаниях числовых значений статистических параметров нарушение изменчивости может сильнее повлиять «а результаты, чем такое же относительное наруше­ние нормы стока.

Таблица 2.

 

Обеспеченность	водоотдачи
Норма	Изменчивость Cvo> %
	0,9	1,0	1,1
0,9v0	88,4	83,3	81,0
l,0v0	93,2	90,6	87,7
I.IVq	97,5	94,5 93,0

2. Восстановлен ие естественных характеристик речного стока

Преобразование природных ландшафтов и интенсивное использование речного стока в народном хозяйстве приводят к нарушению естественного гидрологического режима рек, изменению составляющих водного баланса речных водосборов.

Выделяют три основных вида хозяйственного влияния на речной сток:

— антропогенная деятельность, нарушающая естественные формирования стока (регулирование речного стока и русл, осушение болот и заболоченных земель, вырубка и восстановление лесов, агро-лесомелиорации, урбанизация и др);

— изъятие воды из русловой сети (промышленно-коммунальное и сель­скохозяйственное водоснабжение, орошение земель, эксплуатация подзем­ных вод, переброска стока);

— изменения климата (газового состава атмосферы, в частности повыше­ние концентрации С0₂ - парниковый эффект, влагооборота в атмосфере и Др.)

Исследования влияния хозяйственной деятельности на речной сток в первую очередь необходимы:

— для изучения пространственно-временных закономерностей колебаний стока, обобщения его характеристик по территории и высотным зонам, оцен­ки водных, ресурсов бассейнов рек, регионов, областей;

— составления водохозяйственных балансов, разработки и осуществления мероприятий по комплексному использованию и охране водных ресурсов;

— определения расчетных гидрологических характеристик при строи­тельном и водохозяйственном проектировании;

— решения экологических задач, направленных на предотвращение ожи­даемых и смягчение происшедших неблагоприятных нарушений природной среды в результате антропогенных изменений стока.

При этом приходится решать следующие основные задачи:

— восстановление значений естественного стока рек и оценка его измене­ния под влиянием хозяйственной деятельности;

— прогноз стока рек, соответствующего определенном уровню хозяйст­венного освоения водосбора.

Под восстановлением стока понимают приведение его характеристик к условиям хозяйственного освоения водосбора, соответствующим естествен­ному (условно-естественному) периоду. За естественный (условно-естественный) принимают период от начала гидрометрических набльодений, в течение которого ряды стока с определенной доверительной вероятностью являются однородными.

Оценка исходной информации подразделяется на общую и статистиче­скую.

Общую оценку осуществляют с помощью анализа комплексного гра­фика (рис. 2), на который наносят гидрологические (сток, осадки и др.) и во­дохозяйственные характеристики (годы сооружения водохранилищ, каналов, промышленно-коммунальных и оросительных водозаборов и др.). Анализи­руя график, можно выявить моменты нарушения гидрологического режима и его характеристик в связи с хозяйственной деятельностью.

При антропогенных процессах, развивающихся во времени относи­тельно медленно (орошение, осушение, сведение лесов и т. п.), но охваты­вающих значительные площади водосбора, гидрологические последствия проявляются на комплексном графике в виде тренда (тенденции), а при разо­вых водохозяйственных мероприятиях (создание водохранилищ, переброска стока и т. п.) - в виде скачка.

Статистическая оценка исходной гидрометеорологической информа­ции осуществляется с помощью статистических критериев однородности.

Перед количественной оценкой антропогенного изменения стока уста­навливают момент (год, месяц), с которого началось нарушение естественно­го режима стока, одним из трех способов.

1.3а начало антропогенного влияния принимают момент проведения того или иного крупного хозяйственного мероприятия, осуществляемого на водосборе или в русле реки.

Этот способ применяют как основной лишь в случаях создания круп­ных водохранилищ или межбассейновых перебросок стока, когда достоверно известны даты ввода их в эксплуатацию.

2. Нарушение гидрологического режима устанавливают по интеграль­ному графику связигде-последовательная сумма го­дового (сезонного) стока реки в замыкающем створе, режим которой нару­шен хозяйственной деятельностью;- последовательная сумма годового

стока реки-аналога, не искаженного антропогенным влиянием за весь период наблюдений.

Рис.2. Комплексный график хронологического хода гидрологических

характеристик р. Днепра у г. Каховки за 1890 - 1980 гг.: 1 - сокращённая интегральная кривая годового стока; 2 - сток в замы­кающем створе (Q); 3 - интегральная кривая стока; 4 - суммарный гидрограф притока по бассейнам - индикаторам (SQ_np); 5 - коэффициент индикации (а = 2Q_np/Q); 6 и 7 - год ввода в эксплуатацию водохранилищ и каналов; 8 -средняя систематическая ошибка

Момент начала нарушения гидрологического режима Т соответствует точке перелома в ходе кривой.

3. Антропогенное изменение водного режима оценивают путем графи­ческого анализа временных колебаний значений коэффициентов индикации а с учетом изменения всех основных элементов водного баланса и хронологи­ческих характеристик хозяйственной деятельности.

Для водосборов, на которых можно выделить зону формирования с ес­тественными характеристиками стока, коэффициент индикации

где- суммарный притокиз зоны формирования, m^j/c;-сток в

замыкающем створе, м /с.

Наличие скачка или перелома во временном ходе коэффициента инди­кации а говорит о влиянии хозяйственной деятельности на сток. На реках с естественным водным режимом в графической зависимоститренд от-

сутствует, нет и скачков.

Согласно СНиП 2.01.14-83 восстановление стока осуществляется двумя группами методов:

— статистическими (регрессионными) с использованием парной и множе­ственной корреляции;

— водно-балансовыми с учетом изменения всех элементов водного балан­са речного водосбора и русла.

В основе первой лежит представление о правомерности экстраполяции корреляционных связей между стоком и стокообразующими факторами, по­лученных за естественный период, на период, нарушенный влиянием антро­погенной деятельности. Изменение стока при этом оценивается по разности между рассчитанным по уравнению регрессии и измеренным в натуре сто­ком.

Вторая группа основана на анализе изменения элементов водного ба­ланса под влиянием отдельных видов хозяйственной деятельности. В этом случае можно дифференцированно учитывать влияние каждого вида хозяйственной деятельности и их совместное влияние на сток, как в русловой сети, гак и на водосборе.

Водно-балансовые методы позволяют рассчитать не только происшед­шие, но и ожидаемые в перспективе изменения водности рек.

Выбор метода диктуется как конечной целью, так и наличием исходной информации.

Когда исходная информация достаточна, целесообразно параллельно применять статистические и водно-балансовые методы. Окончательная оцен­ка антропогенных влияний дается на основе сравнения результатов, полу­ченных независимыми методами. Расхождение в оценках не должно превы­шать 20%. В противном случае необходимы дополнительный анализ и, если возможно, дополнительная информация.

Коротко рассмотрим эти методы.

Статистические методы. Они позволяют восстановить годовой и сезон­ный сток рек и оценить его изменение под влиянием комплекса факторов хо­зяйственной деятельности.

Расчет выполняют в такой последовательности:

— определяют зависимость стока от основных стокообразующих факто­ров за естественный период (условно-естественный);

— по найденной зависимости восстанавливают естественный сток за пе­риод с нарушенным водным режимом;

— по разности наблюденного и восстановленного стока оценивают его изменение под влиянием комплекса факторов хозяйственной деятельности.

Для определения зависимости стока от основных стокообразующих факторов по данным наблюдений используют метод парной или множест­венной линейной регрессии.

В общем виде уравнение множественной регрессии имеет вид:

где - годовой (сезонный) сток за естественный (условно-естественный) период, м; свободный член;характеристика естествен­ных факторов (приток из зоны формирования, сток рек-аналогов, осадки и др.), m^j;- коэффициенты регрессии.

Используют только те уравнения регрессии, для которых выполняются условия:

По уравнениям регрессии восстанавливают сток за период с нарушен­ным режимом.

Количественная оценка влияния факторов хозяйственной деятельности на сток определяется по разности между рассчитанными наблюденнымстоком:

По результатам расчетов, выполненных по нескольким уравнениям регрессии, устанавливают снижение стока. При невозможности получения нескольких уравнений регрессии оценка антропогенных изменений стока производится по одному варианту.

Среднеквадратическая погрешность расчета вычисляется по уравнению:

где и среднеквадратические погрешности соответственно восстановления и измерения стока;- число лет в периоде, для которого оп­ределяетсяРезультаты оценки изменений стокаможно считать надежными,

если их абсолютное значение

где- доверительный интервал погрешности расчета в долях ее сред-неквадратического значения.

При оценке надежности расчетадоверительная вероятность принимается равной 0,95; в этом случае= 2.

Для восстановления и оценки изменения средних за многолетний пери­од значений годового стока допускается применять графические и графоана­литические способы расчета.

Если сток реки нарушен с самого начала инструментальных гидромет­рических наблюдений, то его восстановление производится и оценивается по отношению к условиям хозяйственного освоения водосбора, соответствую­щим началу инструментальных наблюдений.

Водно-балансовые методы. Для восстановления годового и сезонного стока используют уравнение:

где- восстановленный сток, м ; - сток, измеренный в за-

мыкающем створе;- из-

менение стока под влиянием водохранилищ, орошения, перебросок, промышленно — коммунального и сельскохозяйственного водопогребления, осушения болот и заболоченных земель, вырубок леса и лесовосстановления, агролесомелиоративных мероприятий, m^j.

Антропогенноевлияние оценивают с помощью уравнения:

Изменение стока под влиянием таких факторов, как промышленно-коммунальное и сельскохозяйственное водопотребление, переброска стока, определяют по данным единой государственной системы учета вод и их использования в народном хозяйстве. При отсутствии таких данных применя­ют приближенные способы их учета.

Для прогноза годового и сезонного стока рек на определенный уро­вень хозяйственного освоения водосбора используют уравнение:

где- прогнозируемый сток, м ;— естественный сток в замыкающем створе, м"⁵;- изменение стока под влиянием водохранилищ, орошения, перебро-сок,промышленно - коммунального и сельскохозяйственного зодопотребле-ния, осушения болот и заболоченных земель, вырубок леса и лесовосстанов-ления, агролесомелиоративных мероприятий, м³.

Для оценки возможных в перспективе изменений стока используют уравнение

Перспективнаяоценка изменения стока может быть выполнена для лет различной водности.

Для средних условий в качестве исходной информации принимают средние многолетние значения гидрометеорологических элементов.

Для расчета изменений стока в маловодные или многоводные годы ис­пользуют данные наблюдений за период не менее 10-15 лет. Затем строят эмпирическую кривую обеспеченности и определяют потери стока под влия­нием того или иного фактора хозяйственной деятельности различной обеспе­ченности.

Ориентировочно можно принять, что в исключительно маловодные (р = 95%) и многоводные (р = 5%) годы снижение стока под влиянием отдель­ных видов хозяйственной деятельности соответствует обеспеченности 5 и 95%.

Точность расчета по восстановлению речного стока и его антропоген­ных изменений оценивается среднеквадратическим значением совокупной погрешности составляющих уравнений:

Результаты оценки изменений стокаможно считать надежными, если их абсолютное значение:

При доверительной вероятностидоверительный интервал погрешности

Контрольные вопросы:

1. Что является причиной изменения составляющих водного баланса речных водосборов?

2. Поясните понятие "статистические критерии однородности". Для чего они нужны при проектировании ВХС.

3. Как определяется влияние фактора хозяйственной деятельности на сток?

4. Для чего необходимо учитывать кестагшонарность стока и других составляющих водного баланса при проектирований ВХС?