Определение водных ресурсов территории – одна из главных задач воднобалансовой гидрологии. Оценка водных ресурсов стока важна для многих отраслей. Данные о водности рек необходимы речникам, жилищно-коммунальному, водному и сельскому хозяйству, туристам и рыболовам. Изменчивость водности рек часто создает проблемы тем, кто использует их ресурсы. В засушливом климате при отсутствии рек местный элементарный склоновый сток, равный разности осадков и испарения, может быть довольно значительным и способен даже на равнине формировать длительные наводнения. Для горных условий характерны быстро формирующиеся паводки.
Внедрение компьютеров и сетевых технологий в практику гидрологических и климатических исследований в последние десятилетия позволило решать задачи, которые 30–40 лет назад были неосуществимы. Гигантские базы метеорологических и гидрологических данных (с различной дискретностью), выставленные в интернете, представляют собой интересный материал для исследований. Использование базы суточных метеоданных для воднобалансовых расчетов и картографических генерализаций их результатов создает возможность выполнять географический анализ пространственного распределения статистических параметров гидрологических характеристик даже в районах, малоизученных в гидрологическом отношении. Так, например, на территории России и бывших союзных республик протекает около трёх миллионов водотоков, но о стоке 99,8 % этих рек и речек мало что известно, и нужно использовать косвенные методы для изучения их водности.
На крупных и средних реках в постоянных створах ежедневно в течение многих лет измеряют уровни воды и по этим данным вычисляют объемы стока воды с водосборной площади через створ – за каждые сутки, каждый месяц и каждый год. Малые же реки практически слабо изучены или совсем не изучены в отношении их водных ресурсов.
Целью исследования является выяснение возможности использования результатов воднобалансовых расчетов для оценки водных ресурсов малоизученных речных бассейнов с суточным разрешением.
В Водном кадастре страны собраны миллионы значений измеренных уровней и расходов воды для нескольких тысяч створов изученных рек за много десятилетий, но ежегодно для сотен неизученных водотоков водные ресурсы приходится вычислять косвенными способами. Методы прямых измерений стока и его косвенных вычислений по уравнению водного баланса взаимно дополняют друг друга, позволяют взаимно контролировать результаты.
Материалы и методы исследования
В течение 1960–2000-х гг. в Омском сельскохозяйственном институте были выполнены (начиная с 1962 г. – на ЭВМ «Минск-1», «Минск-32», «ЕС-1022») большие объемы воднобалансовых расчетов по системе уравнений математической модели метода ГКР [8, 9, 13] для всех регионов Сибири, зоны БАМ, Казахстана, Срединного региона СССР по данным об осадках и температурах сотен метеостанций – но только по месячным интервалам среднего статистического года и за непрерывные цепи расчетных интервалов конкретных лет. В 1975 г. расчет для одной станции за 36 лет (по 8 расчетных интервалам в году) занимал 3 минуты. В 1990–2000-е годы с переходом на современную компьютерную технику процесс расчетов ускорился. Появилась возможность делать автоматическое картографическое генерирование полей гидрологических характеристик, например, с помощью ГИС-программы Surfer. На рис. 1 приведена карта слоя годового стока, построенная по результатам воднобалансовых расчетов стока для сотен метеостанций.
Рис. 1. Фрагмент карты слоя годового стока Y (мм/год) (по результатам расчета элементов водного баланса для 490 станций Срединного региона [1, с. 45])
Результаты исследования и их обсуждение
Полученные в ходе расчетов характеристики стока, влажности почвы, суммарного испарения позволяют производить статистический анализ их частотных распределений и получать значения статистик. Построенные карты стока, влажности почвы и суммарного испарения за конкретные месяцы и годы позволили изучить динамику водных балансов огромных территорий, ранее совершенно не освещенных данными подобного рода [4, 5, 6, 10, 11, 12].
Расчеты по данным метеостанций с суточным разрешением стали возможны, когда появились гигантские базы данных, выставленные бесплатно в интернете, например, meteo.ru, созданная в Обнинске [14].
Несколько лет назад в Омском государственном педагогическом университете и Омском филиале Института математики СО РАН на той же теоретической базе [1, 2, 14] была разработана СУБД WEATHER APP (программист ‒ канд. физ.-мат. наук С.А. Хрущев), позволяющая производить расчеты элементов текущих водных балансов по суточным интервалам за непрерывный ряд лет для сотен метеорологических станций территории и практически мгновенно генерировать поля элементов водного баланса, то есть строить карты изолиний за любые конкретные сутки, декаду, месяц, год или за средний многолетний интервал [2, 3].
На рис. 2 представлен фрагмент результатов расчета элементов водного баланса элементарного водосбора по исходным данным о температурах воздуха и суточных суммах атмосферных осадков метеостанции Сочи, полученный с помощью СУБД WEATHER APP с использованием базы метеоданных meteo.ru [14].
Рис. 2. Фрагмент результирующей таблицы расчетов текущих водных балансов с суточным разрешением по данным метеостанции Сочи (ноябрь-декабрь 1972 г.), полученной с применением СУБД WEATHER APP
Гидрографы стока рек в 20 веке можно было построить только по ежесуточным измеренным уровням и вычисленным по ним расходам воды. Теперь многолетние цепи гидрографов с суточным разрешением можно получить без трудоёмких и дорогостоящих измерений в реке одним нажатием клавиши.
На рис. 3 показана цепь гидрографов элементарного стока в районе метеостанции Сочи, а на рис. 4 выполнено сравнение расчетных и измеренных нормированных значений ежемесячных значений стока в долях от среднего за 6 лет [6]. Расчет сделан на примере данных метеостанции Сочи, расположенной на высоте 57 м. Для сравнения использован измеренный сток в русле р. Сочи (створ с. Пластунка, площадь водосбора 238 км2, средняя высота бассейна над уровнем моря 870 м, а наибольшая высота бассейна – около 1918 м). Гидрограф рассчитанного суточного стока, суммированного по месяцам для последовательности различных по водности лет, полученный по методу В.С. Мезенцева, показан на рис. 5.
Рис. 3. Гидрографы элементарного стока с суточным разрешением, построенные по результатам расчета элементов текущих водных балансов для метеостанции Сочи [6]. По вертикальной оси отложены суточные суммы слоя стока, мм/сут
Рис. 4. Сравнение рассчитанного и измеренного стока в районе г. Сочи: ряд 1 – измеренные в р. Сочи у с. Пластунка относительные средние месячные расходы воды; ряд 2 – рассчитанные по водному балансу для метеостанции г. Сочи относительные средние месячные слои стока
Рис. 5. Гидрограф рассчитанного суточного стока суммированного по месяцам для последовательности различных по водности лет
Выводы
Таким образом, база метеорологических данных о ежесуточных осадках и температурах воздуха meteo.ru и примененная компьютерная программа СУБД WEATHER APP позволяют вычислять с достаточной для многих практических целей точностью суточные значения стока и других элементов водного баланса – сугубо гидрологические характеристики. Это особенно важно для практики расчетов стока неизученных областей суши, для определения водных ресурсов неизученных водосборов. Полученные гидрографы стока дают возможность оценить изменчивость стока во времени, предсказать статистически обоснованные экстремальные значения, рассмотреть статистическую вероятность наступления паводков и меженей. Такая информация о малоизученных реках и временных водотоках востребована широким кругом заинтересованных ее потребителей.
Рецензенты:
Карнацевич И.В., д.г.н., профессор кафедры географии и методики обучения географии, ФГБОУ ВПО «Омский государственный педагогический университет», г. Омск;
Григорьев А.И., д.б.н., профессор кафедры прикладной экологии и природопользования ФГБОУ ВПО «Омский государственный педагогический университет», г. Омск.
Работа поступила в редакцию 25.10.2013.