Прогноз декадного стока по русловым запасам на реке Ока

Прогноз декадного стока по русловым запасам на реке Ока

Содержание

1. Введение

. Физико-географическая и гидрометеорологическая характеристика бассейна реки Оки

. Теоретические основы метода прогноза по запасам воды в русловой сети

. Расчетная часть

. Выводы

. Литература

1. Введение

Многие отрасли народного хозяйства, деятельность которых связана с использованием водных ресурсов, нуждается в различного рода гидрологических прогнозах. Особенно широко используются гидрологические прогнозы для планирования работы гидроэлектрических станций, систем промышленного и бытового водоснабжения и орошения, а также для обеспечения и планирования судоходства и лесосплава.

Гидрологические прогнозы широко используются для предупреждения об опасных гидрологических явлениях, в частности для предупреждения о прохождении паводков, о наводнениях, зажорах, заторах и т.д. Для районов с развитой промышленностью и большой плотностью населения в долинах рек подобные предупреждения, в особенности о катастрофических паводках, представляют большую ценность, так как помогают своевременно подготовиться и по возможности уменьшить ущерб от разливов рек.

2. Физико-географическая и гидрометеорологическая характеристика бассейна реки Оки

Рассматриваемая территория расположена в пределах Русской равнины. Площадь водосбора реки Оки F = 245000км², общее количество рек в бассейне 19234, где 1616 рек - реки больше 10км, а 17618 рек - реки меньше 10км. Густота речной сети 0,37 км/км². длина реки Оки 1500км.

Рельеф

Поверхность в общем равнинной территории района представляет собой чередование низменных равнин и возвышенностей с колебанием абсолютных отметок в пределах 100-300 м.

Основная часть рассматриваемой территории еще в мезозое вступила в стадию континентального развития, в период которой сформировались крупные элементы рельефа. На формирование рельефа большое влияние оказало геологическое строение и тектонические особенности Русской платформы.

Описываемая территория не менее четырех раз перекрывалась ледниками, но на формирование рельефа в основном оказала влияние деятельность трех последних ледниковых покровов: днепровского, московского и валдайского. Формы поверхности, возникшие в результате деятельности ледников, в последующее время в разной степени были преобразованы воздействием флювиальных и эрозионных процессов.

Бассейн реки Оки относится к провинции водно-ледниковых и аллювиальных равнин (Окско-Донская низменность). Здесь характерны обширные плоские поверхности с отметками 150-180м. Черты современного рельефа низменности определились еще в дочетвертичное время. Поверхностными отложениями, покрывающими более древние породы, служат морены, флювиогляциальные пески и супеси, а также продукты их перемывки. Мощность четвертичной толщи местами достигает 100м, чаще же она не превышает 5-10м.

Равнинные пространства Окско-Донской низменности слабо расчленены долинно-балочной сетью.

Геологическое строение.

Рассматриваемая территория расположена в центральной части кристаллического фундамента Русской платформы, в основном в пределах Московской впадины, заполненной толщей осадочных пород мощностью 1500-3000м.

Осадочная толща представлена системами нижнего палеозоя, девона, карбона, Перми и мезо-кайнозоя.

Наиболее древние отложения верхнего девона представлены известняками, доломитами, мергелями с прослоями ангидрита и гипса. В мередиальном направлении по линии г.Ковров - г.Касимов широко распространены породы каменноугольной системы.

Отложения карбона представлены преимущественно известняками.

Отложения мезозойской системы (юра-мел) встречаются в сложном пространственном комплексе (междуречье Москвы и Оки).

Коренные породы обычно выходят на поверхность по берегам рек, а в междуречьях почти повсеместно перекрыты четвертичным чехлом.

Наличие обширных площадей, сложенных карбонатными породами, местами выходящими на поверхность или перекрытыми маломощными водопроницаемыми отложениями, определяют развитие карстовых форм на территории района, главным образом в виде воронок, провалов, западин, карстовых озер и трещин.

Почвы

Почвенный покров разнообразен по составу. Наиболее распространенными являются дерново-подзолистые почвы, представленные всеми видами по степени оподзоленности; значительное развитие имеют подзолисто-болотные и болотные почвы.

По механическому составу дерново-подзолистые почвы очень разнообразны и представлены песчаными, супесчаными, суглинистыми и глинистыми разновидностями. На левобережной части бассейна реки Оки основной фон составляют средне- и легкосуглинистые почвы, а на правобережье - глинистые и тяжелоглинистые.

Дерново-слабоподзолистые почвы приурочены к пескам и супесям на зандровых равнинах и в древних ложбинах стока. Распахиваемые участки дерново-подзолистых почв на покровных суглинках легко подвергаются эрозии, особенно на склонах с большими уклонами.

С дерново-подзолистыми сочетаются болотные и торфяно-болотные почвы, занимающие все отрицательные формы рельефа, а также развитые на плоских водоразделах, сложенных слабоводопроницаемыми породами.

Растительность

Бассейн реки Оки расположен в подзоне смешанных и широколиственных лесов.

Смешанные широколиственно-еловые леса подзоны характеризуются очень разнообразным составом и степенью залесенности. Преимущественное распространение имеют сочетание елово-березовых, хвойно-мелколиственных, осиново-березовых, осиново-сосновых лесов наряду с чисто еловыми, березовыми лесами и сосновыми борами.

Разнообразие состава тесно связано с рельефом, экспозицией склонов, характером и увлажненностью почво-грунтов.

Лесистость бассейнов рек в пределах подзоны изменяются очень сильно. Участки с наиболее плодородными почвами и рельефом, удобным для распашки, практически безлесны. В пределах Окско-Донской низменности и Приволжской возвышенности естественная растительность почти не сохранилась. Залесенность бассейна верховьев Оки, не превышает 5-10%.

Залесенность в подзоне широколиственных лесов (бассейн реки Осетра, Упы, низовьев р.Прони) определяется в основном наличием участков, неудобных для сельскохозяйственного использования и составляет 15-20%.

Луговая растительность.

В долине реки Оки имеются крупные луговые массивы. Суходольные луга занимают в основном лесные опушки, поляны и вырубки. Плохо дренируемые западины, ложбины, окраины болот заняты низинными лугами. Большое распространение имеют пойменные луга.

Значительная часть площади занята под культурную растительность. Наибольшую часть сельскохозяйственных угодий занимают зерновые культуры (40-60% от площади пахотных земель), затем овощные (5-10%). В посевах зерновых преобладают озимая рожь, озимая и яровая пшеница, овес, в посевах технических культур - сахарная свекла. Из овощных культур наибольшие площади отводят под картофель.

Речная сеть

Бассейн реки Оки вытянут с запада на восток. Густота речной сети от 0,2 до 0,5 км/км², в среднем 0,37 км/км². Водосборы притоков асимметричные, преимущественно грушевидной формы. Долины рек преимущественно трапецеидальные и ящикообразные, в пределах Среднерусской возвышенности V-образные.

Долины притоков реки Оки, за исключением рек Среднерусской возвышенности, террасированы.

Поймы малых рек ровные, луговые, у средних и больших рек пересечены ложбинами. Русла малых рек извилистые, с песчаным или глинисто-песчаным дном. Реки в основном мелководны, преобладающие глубины малых рек 0,8-1,5 м, средних рек 1,5-2,5 м, больших 2,5-3,5 м. На перекатах на реках всех размеров глубина менее 1 м и только на отдельных плесах достигает 4-10м. Скорости течения изменяются от 0,2-0,4 м/с на плесах до 1,2-1,5 м/с на перекатах.

Продольные профили рек, как правило, вогнутые. Преобладающие средневзвешенные уклоны малых рек 0,7-1,1 ‰, средних 0,4-0,6‰, больших 0,1-0,2‰.

Реки характеризуются малой естественной зарегулированностью стока: 74% годового стока приходится на весну, 17% на лето-осень и 9% на зимний период.

Уровенный режим летне-осеннего периода

Уровенный режим рек характеризуется четко выраженным высоким весенним половодьем, низкой летней меженью, прерываемой дождевыми паводками, и устойчивой продолжительной зимней меженью.

Летне-осенняя межень.

Весеннее половодье сменяется периодом низких уровней воды - летне-осенней меженью. Низкие уровни в период открытого русла наступают преимущественно в июле-августе. Низкие уровни достаточно устойчивы, пределы изменения их в многолетнем разрезе на реке Оке до 1,5м.

Многолетняя амплитуда колебания низших уровней определяется размером, водностью и зарегулированностью стока реки.

Наиболее высокие значения низших уровней отмечены в годы с дождливыми летне-осенними сезонами, а наиболее низкие - в засушливые бездождные годы.

Дождевые паводки.

Летне-осенняя межень ежегодно нарушается дождевыми паводками, число и величина которых изменяются и по годам и по территории.

В годы с дождливыми летне-осенними сезонами на реках проходило от 3 до 7-8 паводков, а в засушливые годы существенных повышений уровня не наблюдалось. Обычно паводки имеют островершинную форму и характеризуются резким подъемом и спадом уровня.

Средняя интенсивность подъема во время высоких дождевых паводков составляет 20-180 см/сутки, а наибольшая до 300-350 см/сутки. На больших реках паводки не всегда четко выражены и имеют вид пологой или растянутой многовершинной волны.

Высшие уровни дождевых паводков в среднем значительно ниже максимумов весеннего половодья, однако в отдельные годы на малых и средних реках высота паводочного подъема может превышать наибольшую высоту подъема половодья (за один и тот же год).

В летне-осенний период поймы затопляются исключительно редко.

Климат

Рассматриваемая территория расположена в зоне умеренно континентального климата с холодной зимой и умеренно теплым летом. Континентальность климата увеличивается с севера-запада на юго-восток. Основные климатические характеристики и их изменение по территории района определяется влиянием общих и местных факторов: солнечной радиации, циркуляции атмосферы, подстилающей поверхности.

По географическому положению район находится под воздействием воздушного циклона с Атлантики.

В начале осени преобладает западный тип атмосферной циркуляции, сопровождающийся обычно активной циклонической деятельностью, значительными аномалиями температуры воздуха зимой и отрицательными летом. Западный тип атмосферной циркуляции характеризуется значительной устойчивостью и нередко сохраняется на протяжении до двух месяцев. На востоке и юго-востоке территории циклогенез менее активен.

С октября по май в результате воздействия сибирского максимума западная циркуляция нередко сменяется восточной, что сопровождается малооблачной погодой, большими отрицательными аномалиями температуры воздуха зимой и положительными летом.

Менее вероятна в данном районе мередиональная циркуляция, которая связана с мощными арктическими вторжениями воздушных масс и сопровождается резкими понижениями температуры воздуха.

Осадки.

Территория относится к зоне влажного климата. Средняя многолетняя сумма осадков 600-800 мм. На распределение осадков оказывает влияние циклоническая деятельность и рельеф местности.

Годовые суммы осадков изменяются по времени в широких пределах. В многоводные годы повторяемость один раз в 20 лет суммы осадков на 33-40% выше, а в маловодные на 30-40% ниже нормы.

В течение года осадки распределяются неравномерно. Большая их часть (60-70%) выпадает в теплый период года, с апреля по октябрь, с максимумом в июле. Наименьшее количество осадков наблюдается в феврале.

Жидкие осадки составляют 65-75%, твердые 15-25% и смешанные около 10-15% общего количества осадков.

Средняя сумма осадков за теплый период 450 мм. Наибольшие суточные осадки достигают 100-120мм.

Интенсивность осадков меняется в широких пределах и тесно связана с их продолжительностью. Продолжительность выпадения осадков изменяется очень сильно: от нескольких минут до нескольких суток. В среднем продолжительность осадков (за суточные интервалы) около 6 часов. Наибольшая продолжительность отмечается в декабре-феврале(7-10 час), а наименьшая в мае-августе 2-3 часа.

Описание прогнозного створа

Прогнозный створ Касимов расположен в 6 км к западу от города в с.Бабино-Булыгино, в 2 км выше устья р.Сынтулка.

Прилегающая местность - слабоволнистая равнина, поросшая зрелым смешанным лесом и занятая сельскохозяйственными угодьями.

Долина реки трапецеидальная. Правый склон долины крутой, высотой до 20м, каменистый, поросший кустарником; левый - более пологий, высотой 8-10 м, песчаный, поросший лесом. Пойма на участке поста левобережная, шириной 1,5-2 км, открытая, с отдельными понижениями, возвышенностями и озерами. При уровнях воды 350-400 см вода начинает выходить на пойму через протоку, расположенную в 300-500 м ниже поста. При дальнейшем повышении уровня вода начинает поступать на пойму еще через две протоки, расположенные выше поста. Полностью пойма затопляется при уровне воды 750 см.

Русло извилистое, в районе поста прямое, песчаное, у правого берега каменистое, слабодеформирующееся. Ширина реки в межень 350-400 м. Берега крутые: правый - сливается со склоном долины, каменистый, левый - высотой 8,0-1,0 м, сложен суглинками.

3. 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.

4. Расчетная часть

гидрометеорологический декадный сток вода

Разработка методики прогноза декадного стока по объему воды в русловой сети по данным о расходах воды

1. Методика прогноза декадного стока по объему воды в русловой сети будет разрабатываться для створа г.Касимов, расположенным на реке Оке. Площадь водосбора до створа г.Касимов 130000 км².

Сначала вычертим гидрографическую схему бассейна до створа г.Касимов. Нанесем на нее изохроны и все створы, по которым имеются данные о расходах воды.

Русловую сеть выше прогнозного створа разобьем на участки, разделенные стоковыми створами.

Гидрографическая схема бассейна.

. Определим средневзвешенное на участке время добегания

Таблица 1.

Определение среднего времени добегания на участке р. Оки выше п.Касимов.

3. На последние числа календарных декад вычисляем средние на участках расходы воды. Расчет ведем за три года с июня по август. Средний на участке расход, исходя из предположения о его линейном распределении по длине, вычисляется по формуле

где Qk - средний суточный расход воды в нижнем створе участка на дату t;

ΣQв,t - сумма средних суточных расходов воды верхних створов участка на эту же дату.

Таблица 2.

Средние на участках расходы воды

. Вычисляем объемы воды на отдельных участках и во всей русловой сети.

В пределах каждого участка объем воды вычисляется по формуле

wt = 86400τ ∙ Qt,

где τ - средневзвешенное время добегания на участке в сутках;

Qt - средний на участке расход воды в момент времени t.

Объем воды в русловой сети большого бассейна может быть найден как сумма на отдельных его участках, т.е.

Ws,t = Σwi,t,

где Ws,t - суммарный объем воды в русловой сети бассейна в момент времени t;

wi,t - объем воды в русловой сети i-ого участка в этот же момент времени.

Таблица 3.

Объем воды в русловой сети на начало декад

Таблица 4.

Средние расходы воды г.Касимов на Оке

. По таблице 3 и 4 строим график связи Qt+10 = f(Ws,t /86400)

Разработка методики прогноза декадного стока по объему воды в русловой сети по данным об уровнях воды

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.

. Сначала рассчитаем коэффициент водности

Таблица 5.

Вычисление коэффициентов водности в створах бассейна р.Оки выше г.Касимов

. По данным о среднесуточных уровнях воды на последние числа календарных декад вычисляем средневзвешенные уровни воды на участках.

Таблица 6.

Вычисление средневзвешенных уровней воды на участках р.Оки

. Вычисляем условные объемы воды на участках и во всей русловой сети.

wt = Ht ∙ τ

Таблица 7.

Условные объемы воды в русловой сети

4. По данным таблиц 4 и 7 строим прогноcтическую зависимость

Qt+10 = f(W^ys,t)

Поверочные прогнозы и их оценка

Поверочные прогнозы среднедекадных расходов воды в замыкающем створе дадим за два года (1978 год - год, включенный в разработку методики, и 1979 год - невошедший в нее).

Для прогнозов за 1979 год необходимо вычислить объемы воды в русловой сети.

Средние на участках расходы воды за 1979 год.

Объем воды в русловой сети на начало декад за 1979 год

Вычисление средневзвешенных уровней воды за 1979 год

Условные объемы воды в русловой сети за 1979 год

Поверочные прогнозы выпускаются c использованием графиков связи

Qt+10 = f(Ws,t /86400) и Qt+10 = f(W^ys,t)

По суммарным объемам с линии связи графика снимаем величины средних расходов воды на последующую декаду. Оцениваются прогнозы величиной отклонения прогнозного значения расхода от фактического, выраженного в процентах от рассчитанного значения среднедекадного расхода воды в замыкающем створе.

Таблица 8.

Поверочные прогнозы декадного стока по фактическим объемам, река Ока - г.Касимов

Таблица 9.

Поверочные прогнозы декадного стока по условным объемам, река Ока - г.Касимов

5. Выводы

В данном курсовом проекте мы разрабатывали методику прогноза декадного стока по объему воды в русловой сети по данным о расходах воды и данным об уровнях воды.

Методика считается эффективной, если средняя величина относительной ошибки не превышает 15%. В нашем примере обе методики являются эффективными, т.к. средняя величина относительной ошибки δ1 = 6,28% и δ2 = 7,24%.

Это показывает, что для оценки русловых запасов можно использовать данные не только о расходах воды, но и об уровнях воды.

Литература

1. Ю.М.Георгиевский „ Краткосрочные гидрологические прогнозы ",  Л.: издание ЛПИ, 1982г.

. Б.А.Апполов, Г.П.Калинин, В.Д.Комаров „Гидрологические прогнозы",  Л.: Гидрометеоиздат, 1960г.

. Ю.М.Алехин „Краткосрочные прогнозы стока на равнинных реках",  Л.: Гидрометеоиздат, 1956г.

. Ресурсы поверхностных вод. Том 10. Верхне-волжский район.

. Гидрологические ежегодники за 1977, 1978, 1979 и 1980 год. Том 4 выпуск 1-3