В статье представлены результаты расчета и прогноза весеннего и максимального стока основных рек бассейна р. Елек. Приведены данные наблюдении за стоком за многолетний период и статистические параметры стока полученные по четырем периодам. На основе гармонического анализа данных осадков были составлены сценарные прогнозы стока весеннего половодья.
Ключевые слова: весенний сток, весеннее половодье, ряд наблюдения, статистические параметры, уравнение регрессии, прогноз весеннего стока, гармонический анализ.
Введение. Река Елек является левым притоком р. Жайык (Урал). Общая длина реки 623 км, площадь водосбора 41300 км2. Воды р. Елек интенсивно используется для промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения. Поэтому, прогнозирование весеннего стока основных рек бассейна р. Елек играет важную роль. Прогнозирование весеннего стока дает возможность предусмотреть все возможные ситуации в бассейне реки и влияние изменения объема воды на экономику в последующие годы.
Основными притоками бассейна р. Елек являются реки Каргала, Большая Хобда, Карахобда, Сарыхобда. Расчет статистических характеристик весеннего стока этих рек сопровождается восстановлением имеющихся рядов наблюдений, так как на основных реках бассейна р. Елек наблюдения за весенним стоком в отдельные годы отсутствуют. В этих условиях возникает необходимость восстановления пропущенных величин стока [1,2].
Восстановление рядов наблюдения иопределение характеристик стока. В районе бассейна р. Елек функционировало ряд пунктов наблюдений за режимом стока с продолжительностью от 1 года до 75 лет. Но, к сожалению, в бассейне нет ни одной реки, имеющей непрерывный ряд наблюдений. К примеру, на р. Елек — г. Актобе отсутствуют данные годового стока за 2000–2006 и 2013–2015 гг. величина годового стока не определялась. Восстановление рядов наблюдения основных рек бассейна реки Елек было произведено по методу аналогии. При восстановлении рядов наблюдения в виде рек-аналогов были использованы гидропосты р. Елек — г. Актобе, Большая Хобда — с. Новоалексеевка, Карахобда — с. Альпайсай. При выборе реки-аналога коэффициент парной корреляции между аналогом и исследуемой рекой должен быть R > 0,70. С помощью использования годового стока в виде аналога, были восстановлены ряды наблюдения максимального и весеннего стока.
Сток р. Елек искажен с 1975 г. регулирующим влиянием Актюбинского и Каргалинского водохранилищ многолетнего регулирования. В связи с этим, статистические характеристики весеннего стока рассчитаны в 4-х вариантах: за период естественного режима (1940…1974 гг.), за период нарушенного режима (1975…2015 гг.), за период наблюдений и за расчетный период с учетом восстановления естественного стока (таблица 1) [3].
Оценка точности определения нормы и коэффициентов вариации весеннего стока имеет особо важное значения для равнинных рек Казахстана, сток которых характеризуется высокой изменчивостью, а часто и зарегулированностью. Оценка точности определения статистических характеристик весеннего стока была определена за период наблюдений и за расчетный период.
Случайные средние квадратические ошибки выборочных средних определены по зависимости:
(1)
где, n — число лет наблюдений; r — коэффициент автокорреляции; σQ — случайная среднеквадратическая ошибка стока. Это уравнение применяется при коэффициенте автокорреляции между смежными членами ряда r < 0,5. Как правило, для рядов годового стока r = 0,2–0,3. Коэффициент автокорреляции максимальных расходов для основные рек бассейна р. Елек принят равным 0,10.
Средние квадратические ошибки коэффициентов вариации были определены по зависимости:
(2)
где, n — число лет наблюдений; r — коэффициент автокорреляции; Cv — коэффициент вариации.
Оценка точности определения статистических характеристик весеннего стока была определена по (1) и (2) формулам. По бассейну реки случайные средние квадратические ошибки выборочных средних за период наблюдений составили от 12,2 до 27,8 %, а для расчетного периода этот показатель изменялся от 9,62 до 20,7 %.
Таблица 1
Статистические характеристики слоя весеннего стока основных рек бассейна р. Елек
|
Река— пункт |
Период наблюдений |
Число лет наблю-дений |
Характеристики слоя весеннего стока |
|||||||||||
|
За период наблюдений |
1940–2015гг. |
1940–1974гг. |
1975–2015гг. |
|||||||||||
|
h, мм |
Cv |
Cs |
h, мм |
Cv |
Cs |
h, мм |
Cv |
Cs |
h, мм |
Cv |
Cs |
|||
|
Елек — ж.д.разд.47 |
1955,58–84,87–90 |
32 |
42,4 |
0,84 |
1,2 |
42,8 |
0,81 |
1,4 |
41,6 |
0,90 |
1,6 |
43,7 |
0,75 |
1,34 |
|
Елек — г. Актобе |
1940–74,2013 |
35 |
48,9 |
0,73 |
1,3 |
46,4 |
0,62 |
1,5 |
48,9 |
0,73 |
1,3 |
44,0 |
0,50 |
1,45 |
|
Елек –с. Целинный |
2004, 2006–15 |
11 |
16,08 |
0,92 |
4,1 |
29,9 |
0,92 |
1,5 |
37,1 |
0,90 |
1,2 |
23,8 |
0,84 |
1,35 |
|
Елек — с. Шелек |
1949–74,2013–15 |
26 |
24,0 |
0,81 |
2,1 |
24,7 |
0,90 |
1,9 |
30,4 |
0,90 |
1,8 |
19,7 |
0,73 |
1,66 |
|
Каргала — с.Каргалинское |
1957–74,2013–15 |
21 |
57,2 |
0,64 |
0,8 |
67,4 |
1,18 |
3,6 |
68,8 |
0,69 |
1,3 |
66,2 |
1,50 |
3,49 |
|
Косистек — с.Косистек |
1957–61,63–2004,2006–15 |
57 |
86,0 |
1,12 |
5,5 |
89,6 |
1,14 |
3,6 |
97,9 |
1,01 |
2,2 |
82,4 |
1,33 |
3,96 |
|
Бол.Кобда — с.Кугала |
1983–84,86–91,2006,2008–15 |
17 |
7,00 |
0,85 |
1,6 |
15,2 |
0,95 |
1,9 |
19,7 |
0,90 |
1,5 |
11,2 |
0,83 |
1,35 |
|
Каракобда –Альпайсай |
1963–84,86–12 |
49 |
26,4 |
0,79 |
1,2 |
32,1 |
0,92 |
1,7 |
40,5 |
0,86 |
1,6 |
24,6 |
0,88 |
1,47 |
Для количественной оценки эффективности приведения нормы стока к многолетнему периоду используется показатель эффективности К:
(3)
где, R- коэффициент парной корреляции, n-число лет совместных наблюдении.
Показатель эффективности приведения коэффициента вариации к многолетнему периоду определяется по аналогичной формуле
(4)
Показатель эффективности К характеризует процент уменьшения погрешности среднего и коэффициента вариации при приведения ряда к многолетнему периоду [4].
По (3) и (4) формулам были определены показатели эффективности нормы и коэффициента вариации. На р. Елек — г. Актобе Ку=97,0 и КСv=73,5, а на гидропосте Шелек были равны к 97,6 и 85,7.
Прогноз весеннего стока. Для построения прогноза стока на ближайшие десятилетия были использованы прогностические данные об ожидаемых осадках и температуре воздуха на этот же период. Было три источника для получения таких данных:
– результаты моделирования изменения осадков и температуры на перспективу по современным общепризнанным моделям;
– уточненные данные результатов моделирования рядов осадков и температуры на период до 2030–2040 гг. [5];
– данные, полученные на основе гармонического анализа индексов общей циркуляции атмосферы и рядов температуры и осадков [6,7].
Более надежными, по нашему мнению, являются данные моделирования скорректированные в Казгидромете. Но, метод коррекции, основанный на анализе динамики временных рядов, не представлялся вполне убидительным, поскольку физика процесса описывалась не вполне определенно. По этой причине мы привлекли также данные третьего метода.
Идея метода построения сценариев на перспективу проста и физически хорошо обоснована: изменение климата в любой точке возможно только при изменении общей циркуляции атмосферы. Следовательно, необходимо проанализировать совместно временные ряды крупномасштабной циркуляции температуры и осадков, чтобы установить: наличие климатических колебаний температуры и осадков в прошлом; связь этих климатических колебании с колебаниями индексов общей циркуляцей атмосферы. На основе таких связей можно строить сценарии изменения изучаемых параметров на перспективу. В результате гармонического анализa индексов общей циркуляции были выделены вековые и полувековые гармоники, ответственные за климатические колебания. В предположении, что эти гармоники в индексах общей цикуляции сохранятся, автором метода был построен сценарий изменения осадков и температуры по бассейнам рек Урал, Илека, Ишима и Центрального Казахстана [8,9].
Прогнозы слоя весеннего стока и максимального стока были определены по гидропостам г. Актобе, с. Шелек и с. Каргалинское, так как, в основном здесь находятся большие водохранилища. При прогнозировании слоя весеннего стока на 2025, 2030 годы по постам р. Елек — г. Актобе, р. Елек — с. Шелек, р. Каргала — с. Каргалинское была использована эмпирическая зависимость 
. Здесь, u–показатель увлажненности почвы; s–запас воды в снеге и ледяной корке; x1–осадки, выпадающие на поверхность снега; x2–осадки от даты схода снега до конца половодья. На основе гармонического анализа данных осадков составлены сценарные прогнозы слоя весеннего стока и максимального стока по основным постам бассейна (таблица 2,3).
Таблица 2
Ожидаемые величины суммарного слоя стока весеннего половодья вбассейне р. Елек
|
Река-пункт |
h, мм (1975–2015гг.) |
Уравнение |
R |
s/σ |
Ожидаемые величины, h, мм
|
|
|
2025 г. |
2030 г. |
|||||
|
Елек — г. Актобе |
44,0 |
y = 0,43ХIX-X+0,17 XXI-III+5,48 |
0,58 |
0,81 |
47,0 |
48,4 |
|
Елек — с. Шелек |
25,1 |
y = 0,23ХIX-X+0,11 XXI-III+1,13 |
0,61 |
0,79 |
25,5 |
26,3 |
|
Каргала — с. Каргалинское |
60,0 |
y = 0,63ХIX-X+0,18 XXI-III+12,1 |
0,60 |
0,80 |
65,2 |
67,4 |
Таблица 3
Ожидаемые значения максимальных расходов от слоя весеннего половодья
|
Река-пункт |
h, мм |
Уравнение |
Ожидаемые величины, Qmax, м3/с |
||
|
2025г. |
2030г. |
2025г. |
2030г. |
||
|
Елек — г. Актобе |
47,0 |
48,4 |
y = 14,7х + 18 |
709 |
729,5 |
|
Елек — с. Шелек |
25,5 |
26,3 |
y = 56,5х — 4,95 |
1436 |
1481 |
|
Каргала — с. Каргалинское |
65,2 |
67,4 |
y = 6,29х + 31,9 |
442 |
456 |
По таблице 2 можно увидеть что слой весеннего стока на р. Елек — г. Актобе в 2025, 2030 гг. возрастет на 6,8–10 %. А на постах р. Елек — с. Шелек и р. Каргала — с. Каргалинское слой весеннего стока увеличится на 1,6–4,8 и 8,7–12,3 % относительно периода 1975–2015 гг. С помощью прогностических данных слоя весеннего половодья были рассчитаны значения максимального расхода по основным трем пунктам бассейна.
Заключение. Был произведен расчет и прогноз весеннего и максимального стока основных рек бассейна р. Елек. А также, данные наблюдения стока были приведены в многолетний период и статистические параметры стока определены по четырем периодам. На основе гармонического анализа данных осадков были составлены сценарные прогнозы стока весеннего половодья. В результате, было определено, что значения слоя весеннего стока увеличится на 1,6–12,3 %. Используя эти результаты были спрогнозированы значения максимального стока на 2025 и 2030 годы. Было определено, что значения максимального расхода в последующие годы будет изменяться в пределах от 442 до 1436 м3/с.
Литература:
1 Ресурсы поверхностных вод СССР. Нижнее Поволжье и Западный Казахстан. Т.12-Вып.2. Урало-Эмбинский район — Л.: Гидрометеоиздат, 1970. — С. 512
2 Ресурсы поверхностных вод СССР. Нижнее Повольжье и Западный Казахстан. Т.12.-Вып.3. Актюбинская область. — Л.: Гидромеоиздат, 1966. — С. 514
3 Свод правил. СП 33–101–2004. Определение основных расчетных характеристик. — М.: Стройиздат, 2004 — С. 72
4 Рождественский А. В., Ежов А. В., Сахарюк А. В. Оценка точности гидрологических расчетов — Л.: Гидрометеоиздат, 1990. — С. 276
5 Долгих С. А., Смирнова Е. Ю., Сабитаева А. У. К вопросу о построении сценариев изменения климата // Гидрометеорология и экология. 2006, № 1, С. 7–19
6 Чередниченко А. В. Изменение климата, как отклик на его глобальные изменения // Гидрометеорология и экология. — 2010. –№ 1. — С. 17–26
7 Чередниченко А. В. Проявление динамики индексов циркуляции для Атлантико-Европейского сектора во временных рядах температуры и осадков // Гидрометеорология и экология. — 2010. — № 1. — С. 27–36
8 Кожахметова Э. П., Загидуллина А. Р., Аппасова Т. Б. Точность воспроизведения температуры воздуха и осадков на территории Казахстана климатическим архивом СRHTS 2.1.// Гидрометеорология и экология — 2013. № 2/1 (38) — С. 30–41
9 Груза Г. В., Ранькова Э. Я. Вероятностные метеорологические прогнозы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1983. — С. 270
