Многолетние колебания стока рек Новосибирской области

Коэффициент вариации, или изменчивости Cv, годового стока служит мерой оценки колебания годовых величин стока относительно его нормы. Он служит для сравнения отдельных статистических рядов, например годовых величин стока разных рек, в отношении их изменчивости или рассеяния точек на кривой. При наличии длительных наблюдений предусматриваются два метода определения Cv в зависимости от изменчивости годового стока [14, 15, 17].

Если изменчивость годового стока невелика и характеризуется коэффициентом вариации Cv ? 0,50, рекомендуется следующая формула:

(2.3)

ki - модульный коэффициент стока каждого года;

n - число лет наблюдений (число членов статистического ряда).

Qi - расход воды за год, м3/с;

Q0 - средний расход воды за весь период наблюдений м3/с.

При n < 20 формула (2.3) используется в виде:

(2.5)

Коэффициент асимметрии Cs характеризует несимметричность ряда величин стока относительно его среднего значения. Это менее устойчивый параметр кривой распределения или обеспеченности, а для надежного его определения требуется ряд наблюдений над стоком более 100 - 150 лет. По имеющимся рядам наблюдений можно установить лишь приближенное значение коэффициента асимметрии. Для этой цели используется формула:

(2.6)

Формула (2.3) представляет собой выражение второго момента площади кривой распределения относительно центральной ординаты, а метод определения

Cv и Cs по формулам (2.3) и (2.6) называется методом моментов.

При наличии достаточно длинного ряда наблюдений (более 30 - 40 лет) величина Cs может быть установлена путем последовательного подбора его значений, исходя из условий наилучшего соответствия эмпирическим точкам принятой теоретической кривой обеспеченности, ординаты которой вычислены при одном из заданных значений Cs/Cv.

Эмпирическую ежегодную вероятность превышения (Р) гидрологических характеристик определяют по формуле:

, % (2.7)

m - порядковый номер членов ряда гидрологической характеристики;

n - общее число членов ряда.

По данным свода правил [16] предлагается новая формула для определения коэффициента асимметрии:

(2.8)

Для коэффициента вариации используется формула (2.5)

Расчет коэффициентов вариации и асимметрии, и кривые обеспеченности приводятся в приложении В. Для сравнения коэффициент асимметрии был посчитан по двум формулам: Cs по формуле (2.6) и Cs/ по формуле (2.8). По полученным данным видно, что значения коэффициента асимметрии, посчитанные по двум разным формулам отличаются незначительно.

Зависимость коэффициентов изменчивости от климатических факторов

позволила построить карту (рисунок 2.10), в основу построения которой положены значения Cv по 33 пунктам, отнесенные к центрам водосборов. Точность определения коэффициента изменчивости по приведенной карте в среднем составляет около 10% (таблица 2.3).

Таблица 2.3 - Отклонение величин коэффициента изменчивости годового стока, определенных по карте, от вычисленных по рядам фактических наблюдений

Коэффициенты изменчивости годового стока рек колеблются по территории области в пределах 0,2 - 1,55 (рисунок 2.10). Для сравнения с данной картой так же предложена карта из СНиПа 2.01.14 - 83 (рисунок 2.11), который прилагается к справочной литературе [14]. При сравнении этих карт видно, что карта, предложенная в данной дипломной работе, более полно отражает изменение годового стока по территории области. А так же для составления этой карты были пересчитаны (для всех 20 пунктов) коэффициенты изменчивости по новым формулам [14, 15].

Исходя из полученных значений параметров кривой обеспеченности норма стока, Cv и Cs , произведен расчет годового стока изученных рек обеспеченностью 1, 5, 10, 25, 50, 75, 80, 90, 95, 97 и 99% по формуле:

,% (2.8)

Кр - модульный коэффициент, обеспеченностью Р%

М0 - средней многолетний модуль стока, л/с·км2

(2.9)

Фр - относительные отклонения ординат биноминальной кривой обеспеченности от середины (единицы) при Cv =1. Значения Фр принимаются по таблице из справочной литературы [15] при найденном значении Cs.

Указанные расчетные величины приведены в таблице 2.1.1.

Таблица 2.1.1 - распределение средней квадратической ошибки вычисления нормы годового стока

2.3 Рекомендации по расчету годового стока неизученных рек

При отсутствии материалов наблюдений расчет нормы годового стока рек области рекомендуется производить тремя способами:

1. по аналогии с соседними изученными реками или участками рек;

2. по карте среднего годового стока;

3. по графикам связи годового стока со средней высотой их водосборов.

По карте (рисунок 2.2) норма стока определяется для центра водосбора неизученной реки путем прямолинейной интерполяции между изолиниями стока. В случае пересечения водосбора реки несколькими изолиниями эта характеристика вычисляется как средневзвешенное значение величин стока с площадей, ограниченных соседними изолиниями.

В лесной зоне карта среднего годового стока применима для всех площадей водосбора за исключением водотоков с площадями водосборов менее 10 км2.

Коэффициенты изменчивости годового стока неизученных рек наряду с методом гидрологической аналогии рекомендуется определять по карте (рисунок 2.10), построенной без ограничения площадей и обеспечивающей точность в среднем около 10%. Коэффициент асимметрии годового стока рекомендуется определять по аналогии с изученными реками, а при отсутствии аналога принимать по соотношению Cs = 2Cv.

Приведенные данные позволяют с той или иной точностью определить величину годового стока или водные ресурсы любой из рек области.

Эти же данные позволяют произвести оценку водных ресурсов исследуемой территории в объемном выражении.

Рисунок 2.10 - Коэфициенты изменчивости годового стока

3. Внутригодовое распределение стока

Расчет распределения стока по месяцам и сезонам для всех изученных рек при периоде наблюдений 10 лет и более произведен по методу В. Г. Андреянова. В соответствии с принятой методикой расчет распределения стока в году произведен раздельно: для сезонов, так как сезонное распределение зависит, как правило, от водности года, и по месяцам внутри сезонов, так как последнее зависит от водности сезона. Расчет характеристик внутригодового распределения стока производился по водохозяйственным годам, начинающимся с многоводного сезона.

3.1 Распределение стока по сезонам

Календарные сроки сезонов при расчетах внутригодового распределения стока приняты едиными для всех лет и общими для всех водных объектов области с округлением до целого месяца. Исходя из этого выделены следующие три сезона: весна (апрель - июнь), лето - осень (июль - ноябрь), зима (декабрь - март). За лимитирующий (меженный) период по всем рекам приняты оба маловодных сезона (лето - осень и зима), а за лимитирующий сезон - зима, как наиболее маловодный из двух сезонов. Постоянство принятых границ сезонов, как во времени, так и в пространстве, упрощает статистическую обработку характеристик сезонного стока различных гидрологических районов. Значения сезонного стока рассчитаны по 20 пунктам с периодом наблюдений 25 лет и более.

В качестве средних многолетних значений сезонного стока приняты их относительные (в % от годового) величины, полученные в основном за период фактических наблюдений, а переход к абсолютным величинам (мм) осуществлен при помощи соответствующих значений годового стока. Определение параметров кривых обеспеченности (Cv и Cs) произведено графоаналитическими способами при ряде наблюдений 10 лет и более. Значения, характеризующие среднее распределение сезонного стока, а так же величины Cv и Cs, помещены в таблице 3.1.

На всех реках области распределение сезонного стока зависит от водности года. С увеличением водности доля стока маловодных сезонов в годовом, как правило, увеличивается, и сток по сезонам распределяется более равномерно.

В зависимости от условий формирования гидрологического режима отдельных рек, определяющих различную степень их естественной зарегулированности, внутригодовое распределение стока в пределах области отличается довольно значительным разнообразием.

3.2 Распределение стока внутри сезонов

Для расчета внутрисезонного распределения стока составляются таблицы для всех пунктов наблюдений (смотри приложение Г), в которых выделены три группы водности сезонов (многоводная, средняя, маловодная) по одинаковому числу лет. Для каждой группы водности располагают величины месячных расходов внутри каждого сезона (в том числе отдельно внутри лета и осени) в порядке убывания. Путем деления итоговых величин Qмес за каждый месяц на соответствующую итоговую величину за весь сезон находим осредненное процентное распределение стока по месяцам сезона для каждой из трех групп водности. В соответствии с полученными данными составляется таблица 3.2, в которую перенесены значения расходов по месяцам (в % от сезонного стока) для трех групп водности.

4. Максимальный сток весеннего половодья

Максимальные расходы весеннего половодья на реках области обычно проходят в апреле - мае и только в некоторых случаях наблюдаются отклонения от указанных сроков. Так, например, на крупных реках Барабинской лесостепи (реки Омь, Тартас), отличающихся большой естественной зарегулированностью стока и более распластанной формой половодья, прохождение максимумов наблюдается в отдельные годы в середине июня.

4.1 Расчет слоя весеннего стока и максимальных расходов половодья при наличии материалов наблюдений

Определение максимальных расходов воды и слоя весеннего стока заданной расчетной обеспеченности при наличии рядов наблюдений достаточной продолжительности произведено по теоретическим кривым. Параметры этих кривых определены методом моментов [18].

Объем весеннего половодья принят суммарным с включением грунтового и частично дождевого стока на спаде половодья. При определении слоя стока за начало половодья принимался первый день с заметным увеличением расхода воды, а за окончание - день в конце кривой спада. Определение конца половодья в ряде случаев выполнялось приближенно, поскольку на гидрографе дождевой сток в конце половодья часто затруднительно отделить от весеннего.

Наибольшие значения слоя стока и максимальных расходов (приложение Б) за период наблюдений на реках Новосибирской области, а также полученные в результате расчетов (приложение Д) значения коэффициентов вариации и асимметрии приведены в таблице 4.1.

4.2 Распределение слоя стока весеннего половодья по территории и его многолетняя изменчивость

Обобщение материалов по среднему слою стока за половодье произведено в виде карты изолиний (рисунок 4.1). Значения слоя стока равнинных рек при построении карты отнесены к центрам водосборов. На величину стока средних и больших водотоков основное влияние оказывают зональные факторы (климат, ландшафт и др.), на сток же малых рек существенно влияют и азональные факторы. При построении карты во внимание принималась зависимость слоя стока только от зональных факторов. Кроме того, на многих реках нарушен естественный режим, что также исключает возможность использования данных по этим рекам для построения карты. В частности, при картировании не учитывались данные по рекам Бакса, Каргат.

Для некоторых рек района замкнутого стока характерно увеличение слоя весеннего половодья с уменьшением площади водосбора [18]. Это объясняется тем, что с уменьшением площади водосбора в данном районе уменьшается доля замкнутых бессточных участков.

Особенности распределения средних значений весеннего стока на территории области определяются преимущественно условиями снегонакопления и различными потерями талых вод. Снегозапасы плавно увеличиваются к северу и юго-востоку. В этом же направлении растет и слой стока. Необходимо отметить, что, несмотря на незначительную величину снегозапасов (25-30% годового количества осадков), основная масса стока рек формируется талыми водами, которые дают 70-87% объема годового стока.

Для проведения изолиний среднего слоя весеннего стока в восточной части области, где территория более возвышена, использовалась зависимость этого стока от высоты водосбора (рисунок 4.2 - 4.4). Несмотря на небольшой диапазон высот, сток рек предгорной зоны Правобережья с увеличением высоты заметно возрастает. Очевидно, здесь влияние высоты водосбора вместе с увеличением осадков проявляется за счет возрастания уклонов и густоты гидрографической сети, то есть улучшения условий стока.

Наряду со значительными изменениями по территории весенний сток рек области отличается большими колебаниями во времени. Коэффициент вариации слоя стока весеннего половодья колеблется от 0,3 - 0,5 на востоке территории до 0,9 - 1,0 на юго-западе. Такие высокие значения коэффициентов вариации обуславливаются большой изменчивостью во времени основных факторов формирования весеннего половодья, в первую очередь, потерь талых вод на инфильтрацию и аккумуляцию. В маловодные годы многочисленные понижения рельефа области замкнутого стока выпадают из водосбора рек, уменьшая тем самым приток воды в речную сеть. В многоводные же годы болота, озера и западины переполняются водой, ранее бессточные озера становятся сточными, водосборная площадь рек резко возрастает, что увеличивает приток воды в реки. Таким образом, плоский рельеф местности с большим числом замкнутых понижений оказывает существенное влияние на колебания весеннего стока. Определенное влияние оказывают и временные земляные плотины. Как правило, они быстро размываются весенними водами и существенно не искажают максимальный сток. Однако в маловодные годы разрушение плотин не происходит, тем самым и без того небольшой сток задерживается в искусственных водоемах и становится катастрофически малым. С учетом зонального изменения коэффициента вариации (Cv) по территории и отсутствия редукции Cv от площади составлена карта коэффициента вариации слоя весеннего стока (рисунок 4.5). Интегральной характеристикой, определяющей величину Cv, является норма слоя весеннего стока h. График связи этих характеристик приведен на рисунке 4.6. Аналитическое выражение этой связи имеет вид:

(4.1)

Коэффициент вариации максимальных расходов половодья близок к Cv слоя весеннего стока (смотри таблицу 4.1).

4.3 Расчет элементов весеннего половодья по неизученным рекам

Для расчета среднего многолетнего слоя стока следует пользоваться приведенной картой (рисунок 4.1). Кроме карты среднего многолетнего слоя весеннего половодья составлена карта слоя стока за половодье 1%-ной обеспеченности (рисунок 4.7), по которой можно получить непосредственно расчетное значение h1% малоизученных и неизученных рек. Данная карта составлена по подсчитанным данным таблицы 4.2.

Для расчета максимальных расходов воды весеннего половодья по неизученным рекам рекомендуется эмпирическая редукционная формула вида

, м3/с (4.2)

Qp - расчетный максимальный расход воды вероятностью превышения Р%, м3/с;

qp - расчетный максимальный модуль стока вероятностью превышения Р%, м3/с·км2;

hp - слой суммарного весеннего стока (без срезки грунтового питания) той же вероятности превышения, мм;

F - площадь водосбора до расчетного створа, км2;

Ко - параметр, характеризующий дружность половодья на малых реках;

n - показатель степени редукции отношения qp/ hp в зависимости от площади водосбора;

д - коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды рек, зарегулированных озерами (д1) и водохранилищами (д);

д2 - коэффициент, учитывающий снижение максимального расхода воды в

залесенных и заболоченных бассейнах;

м - коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов воды.

Для определения показателя степени редукции формулы (4.2) построена зависимость q1%/h1%=f(F) (рисунок 4.8). Показатель степени редукции n определяется как тангенс угла наклона связи q1%/h1%=f(F), построенной в логарифмических координатах при постоянной величине коэффициентов д, д2 и м. Так как в основу расчета положены слой стока и максимальные расходы 1%-ной обеспеченности, то коэффициент м для них равен единице. Коэффициент зарегулированности стока озерами д для большинства рек принят равным единице, так как озерность водосборов часто не превышает 1%. Таким образом, при проведении линии на верхнем графике рисунка 4.8 необходимо учесть лишь постоянство параметра д2, который определяется по формуле:

(4.3)

fл - степень залесенности бассейна, %;

fб - степень заболоченности бассейна, %.

Для этого на график связи q1%/h1%=f(F) (рисунок 4.8) были нанесены лишь данные по рекам с относительно небольшим диапазоном коэффициента fл от 0,25 до 0,35 [19]. Тангенс угла наклона этой связи, или показатель редукции n, равен 0,26. Коэффициент дружности половодья Ко вычисляется для каждого створа по формуле:

(4.4)

Его изменение по территории области приведено на рисунке 4.9. Для рек, зарегулированных проточными озерами, коэффициент д определяется по формуле:

(4.5)

где f?оз - средневзвешенный коэффициент озерности, равный

(4.6)

где F - площадь водосбора в расчетном створе реки, км2;