книги из ГПНТБ / Аполлов, Б. А. Курс гидрологических прогнозов учебник

внесен значительный вклад в решение проблемы формирования половодья и паводков, в изучение процессов снеготаяния, водоот­ дачи снежного покрова, поглощения воды бассейном, в том числе во время весеннего таяния снега, истощения запасов воды в бас­ сейне, формирования стока в горах, появления и начала ледостава па реках, озерах и водохранилищах, вскрытия рек и очищения ото льда водохранилищ. Важное место в проведении этих иссле­ дований, а также в разработке практических методов прогнозов занимало и занимает математическое моделирование.

Модель как средство научного исследования представляет со­ бой абстрактную (мысленную) или физическую (материальную) систему, которая так отражает или воспроизводит изучаемое явле­ ние или процесс, что обеспечивает получение информации, необхо­ димой для более глубокого познания этого явления пли количе­ ственного описания данного процесса. Модели дают возможность

задачи. С помощью численного эксперимента они позволяют иссле­ довать взаимодействие между различными факторами и получить объективное представление о тех зависимостях или упрощенных схемах, которые могут быть использованы для разработки практи­ ческих приемов прогноза применительно к ограниченным эмпири­ ческим данным. Модели позволяют также определить потребность в дополнительных данных наблюдений и оценить возможную точ­ ность прогнозов в зависимости от точности исходных данных. На­ конец, пользуясь данными наблюдений, мы можем установить, на­ сколько хорошо принятая модель соответствует той объективной реальности, из которой выведена сама модель.'

Нередко под моделированием стали понимать анализ систем и решение с помощью ЭВМ достаточно сложных задач, включаю­ щих оптимизацию параметров. Иногда анализ систем как метод исследования даже противопоставляется обычным методам физи­ ческого анализа и синтеза. Такое противопоставление, конечно, нельзя считать правильным, ибо анализ систем не может разви­ ваться в отрыве от физического анализа, а интерпретация его ре­ зультатов целиком зависит от правильного понимания соответ­ ствующих физических процессов.

При всей важности генетического анализа и моделирования для разработки методов прогнозов практическая успешность таких раз­ работок зависит в конечном счете от наличия эмпирических дан­ ных, их репрезентативности, полноты и точности.

Известно, что на процессы стока влияет очень много факторов,

во времени обусловливает огромные трудности при создании физи­ чески строгих методов предвычисления речного стока. Много труд­ ностей возникает и при разработке способов предвычисления ледо­ вых явлений на реках, озерах и водохранилищах. Все это приводит к тому, что каждый метод прогноза представляет собой в общем

10

В 90-х годах прошлого столетня В. Г. Клейбером, Д. Д. Гнусипым и А. Н. Квицинским были разработаны первые способы краткосрочных прогнозов уровней судоходных рек России. Прогноз уровня предлагалось давать, опираясь на закономерности переме­ щения водных масс в речном русле, используя при этом в качестве исходных данных только измерения уровня воды на водомерных постах, расположенных вверх по течению.

Научная проблема долгосрочного прогноза высоты весеннего половодья, решение которой имело бы большое практическое зна­ чение, была четко и широко поставлена известным русским клима­ тологом, и географом А. И. Воейковым после катастрофически высокого половодья на реках центральной части России в 1908 г. Несмотря на это разработка проблемы тогда не началась.

Из дореволюционных исследований надо отметить интересную работу Э. М. Ольдекопа, в которой рассматривалась зависимость стока горных рек Средней Азин от осадков. Работа имела явно прогностическую направленность.

В 1919 г. был создан Российский (ныне Государственный) гид­ рологический институт и начали проводиться работы по системати­ ческому изучению гидрологического режима рек, озер, болот и вод­ ных ресурсов. Создание института в годы, когда молодое социали­ стическое государство еще вело напряженную борьбу на фронтах гражданской войны, свидетельствует о том большом внимании, ко­ торое уделялось В. И. Лениным и Советским правительством пер­ спективам использования водных ресурсов.

С созданием Государственного гидрологического института на­ чинаются исследования и по гидрологическим прогнозам. С извест­ ной условностью можно наметить следующие периоды в развитии

когда решение некоторых задач гидрологических прогнозов дости­ галось путем установления чисто эмпирических зависимостей. Можно назвать зависимости высоты половодья, времени вскрытия реки или стока от факторов, которые, как тогда считалось, оказы­ вают на предсказываемое явление наибольшее влияние. Эти работы принесли несомненную пользу — привели к получению не­ которых практических приемов прогнозов и способствовали выясне­ нию условий и факторов формирования половодья, паводков, за­ мерзания рек и т. п. Для этого периода характерно широкое при­ менение метода линейной, в том числе множественной, корреляции. Необходимо отметить исследования, выполненные Л. К. Давыдовым,

11

Б. А. Аполловым, А. В. Огиевоким, О. Т. Машкевич, П. М. Машуковым.

В1922 г. В. Н. Лебедевым была предложена формула для дол­ госрочного прогноза высоты половодья, включающая балловые оценки высоты снежного покрова, увлажнения бассейна и циклоничности весны. Конечно, она уже давно устарела, но для своего времени представляла интерес.

В1924 г. Л. К. Давыдовым была опубликована работа, в ко­ торой рассматривались как вопросы прогнозов стока горных рек,

так и вопросы организации службы гидрологических прогнозов

вСредней Азии.

В1924—1927 гг. Е. В. Оппоков и В. А. Назаров выполнили ряд проработок по краткосрочным прогнозам уровней рек бассейна Дне­ пра по методу соответственных уровней.

В1929 г. была создана Гидрометеорологическая служба СССР, одной из задач которой явилось обеспечение народного хозяйства

и населения сведениями о текущем и будущем состоянии рек и озер. С этого времени уже стала складываться служба гидроло­ гических прогнозов в виде секторов гидрологических прогнозов

вместных управлениях Гидрометслужбы. Руководящим научным

иметодическим центром стал отдел гидрологических прогнозов Центрального бюро погоды в Москве.

Уже первые исследования по гидрологическим прогнозам носили ясно выраженный прикладной характер. В связи с этим рано по­

явилась возможность для составления оперативных прогнозов, в том числе прогнозов высоты половодья для ряда рек и прогнозов стока некоторых рек Средней Азии за вегетационный период. Характерно, что на время строительства Волховской п Днепров­ ской ГЭС-—первенцев плана ГОЭЛРО— были созданы первые в нашей стране Бюро гидрологических оповещений, возглавлявшиеся Н. В. Лебедевым и А. В. Огиевским. В бюро были выполнены исследования по долгосрочным прогнозам высоты половодья, сро­ ков вскрытия и замерзания рек и др. В работах А. В. Огиевского, относящихся к этому периоду, получили дальнейшее развитие также прогнозы по методу соответственных уровней.

Наиболее характерным для второго периода, т. е. со второй половины 30-х до середины 40-х годов, является применение в ис­

поглощения талых вод речным бассейном, развитие метода изохрон и выполнение первых расчетов дождевых паводков по методу еди­

основы генетического анализа процесса формирования половодья равнинных рек (М. А. Великанов) и производятся первые исследо­ вания теплового баланса снежного покрова весной с целью расчета интенсивности снеготаяния (В. И. Рутковский). Разрабатываются первые методы прогнозов летнего стока рек (работы С. Ю. Белин-

12

кова, К. П. Воскресенского, М. И. Гуревича) и методы долгосроч­ ных прогнозов вскрытия и замерзания рек Европейской террито­ рии СССР (Г. Р. Брегман, Г. Я. Вангенгейм).

С 1938 г. руководящим научным и методическим центром по гидрологическим прогнозам становится Государственный гидроло­ гический институт. Им проводится большая работа по дальнейшей организации службы гидрологических прогнозов в государствен­ ном масштабе. В 1941 г. выходит из печати первое практическое руководство по основным приемам гидрологических прогнозов и первая инструкция по выпуску, учету и оценке прогнозов.

Развитие и разработка новых методов прогнозов на основе успехов в изучении прежде всего процессов формирования поло­ водья и паводков, закономерностей перемещения водных масс в руслах рек и питания рек в летний период, подготовка квали­ фицированных кадров и организационное укрепление службы гид­ рологических прогнозов позволили резко расширить в эти годы оперативную деятельность секторов гидрологических прогнозов местных управлений Гидрометслужбы. Увеличилась оперативная работа отделов гидрологических прогнозов Государственного гидро­ логического института и Центрального бюро погоды в Москве. К 1940 г. число выпускаемых ежегодно различных гидрологических прогнозов и предупреждений превысило по стране 40 тысяч.

Необходимо сказать, что с 1936 г. начинается значительное рас­ ширение снегомерных наблюдении в бассейнах равнинных и гор­ ных рек. С этого же времени организуются наблюдения на агро­ метеорологических станциях за промерзанием и влажностью почвы.

В годы Великой Отечественной войны вся деятельность службы гидрологических прогнозов была перестроена и велась соответ­ ственно требованиям военного времени. В 1943 г. на базе гидро­ логических отделов Центрального института погоды и Государ­ ственного гидрологического института были созданы два гидроло­ гических отдела Центрального института прогнозов, ныне ордена Ленина Гидрометеорологического научно-исследовательского центра (Гидрометцентра СССР), ставшего главным научно-методическим центром страны по всем видам гидрометеорологических прогнозов.

Быстрое расширение водного хозяйства в послевоенные годы по­ ставило ряд новых задач перед службой гидрологических прогно­ зов. Создание крупнейших водохранилищ на Волге, Каме, Днепре, Оби и ряде других рек потребовало прогнозов сезонного, кварталь­ ного, месячного притока к каждому водохранилищу, а также уве­ личения выпуска краткосрочных прогнозов речного стока. Для луч­ шего гидрологического обеспечения водного транспорта стали нужны краткосрочные прогнозы ледовых явлений на реках и водо­ хранилищах.

К числу наиболее значительных научных достижений третьего периода относятся:

— разработка приближенной теории движения паводка, изу­ чение механизма регулирования стока русловой системой, дина­ мики запасов воды в речной сети и добегания воды по руслам

13

(работы Г. П. Калинина и П. И. Милюкова, В. И. Сапожникова, A. Г. Левина, А. П. Жидикова, Д. Л. Соколовского и И. А. Шнкломанова, А. В. Огиевского, II. А. Железняка, Ю. В. Горбунова,

Е. С. Змиевой, В. М. Лыло, Т. Т. Макаровой, Т. И. Великановой, B. В. Романова, О. И. Крестовского, В. А. Романенко и др.);

Б. М. Гинзбурга, Е. И. Савченковой, Т. Н. Макаревич, И. В. Ба­ лашовой и др.);

— исследования таяния и разрушения ледяного покрова на реках, озерах и водохранилищах (работы Л. Г. Шуляковского, C. Н. Булатова, Н. Д. Ефремовой и др.).

Эти достижения и разработка па их основе более совершен­

СССР, гидрологов-прогнозистов Государственного гидрологиче­ ского института и зональных научно-исследовательских гидро­ метеорологических институтов (Украинского, Среднеазиатского и др.). Особо должна быть отмечена научно-методическая работа

И. Я. Лисера, П. Л. Медреса, А. А. Пасторса, Г. Ф. Пастуховой, B. Н. Рухадзе, В. В. Салазанова, И. М. Черноиваненко и др.). Ими выполняется, кроме оперативной работы, разработка спосо­ бов прогнозов по конкретным водным объектам на всей терри­ тории СССР, отличающейся большим разнообразием физико-гео­ графических условий, а следовательно, и разнообразием водного и ледового режима рек и озер.

О б е с п е ч е н и е н а р о д н о г о х о з я й с т в а о п е р а т и в ­

ный транспорт широко используют гидрологические прогнозы при планировании выработки электроэнергии, работы речного флота, размеров посевных площадей, распределения воды между ороси­ тельными системами и ряда других важных хозяйственных меро­ приятий. Прогнозы позволяют определять оптимальные, наиболее

14

эффективные, режимы работы ГЭС и эксплуатации водохрани­ лищ. Напомним, что большинство гидроузлов имеет комплексное народнохозяйственное назначение и используется для выработки электроэнергии, улучшения условий судоходства, орошения, водо­ снабжения, а также позволяет предотвратить наводнения на уча­

личных долгосрочных гидрологических прогнозов и свыше 100 ты­ сяч краткосрочных.

С каждым годом возрастает роль гидрологических прогнозов

впроизводственной деятельности различных отраслей народного хозяйства. Подсчитано, что использование прогнозов притока воды

вводохранилища крупных ГЭС дает возможность повысить вы­ работку ими электроэнергии на 1,5—2% даже при соблюдении всех оговоренных правилами эксплуатации ограничений в регули­ ровании стока, связанных с удовлетворением потребностей вод­

ного транспорта, рыбного, сельского и коммунального хозяйства. В годы повышенной водности рек Средней Азии можно дополни­ тельно орошать в среднем не меньше 300 тыс. га подготовленных для этого земель. Прогнозы стока этих рек на весь вегетацион­ ный период выпускаются уже в январе—феврале.

Приведем несколько примеров, когда ответственные оператив­ ные решения по управлению водохозяйственными системами при­ нимаются на основе прогнозов стока.

По долгосрочному прогнозу приток воды в Цимлянское водо­ хранилище на Дону за период половодья 1969 г. ожидался очень

сокращены до санитарного минимума и установлен очень строгий режим водопользования. Только благодаря этому к 20 мая уда­ лось наполнить водохранилище до отметки 34, 35 м абс. (нор­ мальный проектный горизонт НПГ = 36,00 м абс.) и с трудом обес­ печить в дальнейшем судоходство на Дону ниже Цимлянского гидроузла. Без принятия этих мер народное хозяйство понесло бы

15

большой убыток. В то же время, поскольку ожидался малый при­ ток воды в водохранилище и сбросы воды в нижний бьеф должны быть, естественно, небольшими, что не приведет к обычному зато­ плению поймы, были засеяны все пойменные земли ниже Цимлян­ ской ГЭС. Фактический приток воды за период половодья был 6,1 км3, т. е. на 10% больше, чем ожидался. Отметим, что по дан­ ным за многолетний период средняя величина притока воды за период половодья в Цимлянское водохранилище равна 14,8 км3, наибольшая 35,0 км3 и наименьшая 3,9 км3, а весной 1972 г. при­ ток был рекордно малым — лишь 3,4 км3. Долгосрочный прогноз притока воды в этом году тоже полностью оправдался.

При естественном водном режиме на Нижней Волге весной

(см. рис. 1) положение резко изменилось. Теперь при использо­ вании вод Волги и Камы в период половодья сталкиваются инте­ ресы энергетики, водного транспорта, рыбного, сельского н ком­ мупаль иого хозяйства.

Для наполнения всех водохранилищ весной обычно требуется около 60—65 км3 воды (см. рис. 2). Чтобы обеспечить затопление нерестилищ и лугов ниже Волгограда, нужно дать на Нижнюю Волгу не меньше 90—100 км3 воды. Таким образом, в годы с ве­ сенним стоком меньше 150—160 км3 возникает трудное положение: энергетика и речной транспорт, естественно, заинтересованы в на­

прогнозы весеннего притока воды в каждое водохранилище Волж­ ско-Камского каскада (см. рис. 1). Имея прогнозы, определяют общий объем попуска воды на Нижнюю Волгу. Затем путем сравнительных расчетов выбирается такой график (гидрограф) попуска, когда при уже принятом объеме попуска будет обеспе­

глубина и продолжительность затопления. Расчеты проводятся на основе приближенной теории движения паводочной волны, раз­ работанной Г. П. Калининым, с помощью ЭВМ, в том числе ана­ логовых ЭВМ ПР-27 и ПР-43. Эти ЭВМ выпускаются нашей промышленностью и предназначены специально для расчетов расхо­ дов воды при неустановившемся движении речного потока. Рас­ четы показали, что при объеме попуска, близком к минимально необходимому, надо давать крутой подъем попуска, так как тогда происходит более быстрое заполнение русловой емкости на участке Волгоград—Астрахань. Попуск из Волгоградского водохранилища должен начинаться не раньше того времени, когда температура воды у Астрахани повысится настолько, что рыба пойдет на не­ рест. Обычно такая температура наступает в конце апреля — на­

16

на прогнозе, были проведены большие работы по расчистке сброспых каналов, обвалованию населенных пунктов, подготовке водо­ хранилищ к приему паводковых вод, укреплению оградительных дамб и гидротехнических сооружений. Прогноз оправдался. Рас­ ходы воды на многих реках, в том числе на Сырдарье, Амударье, Теджене, Мургабе, Нарыне, Карадарье, были близки или пре­ вышали ранее наблюдавшиеся за многолетний период. В резуль­ тате своевременно принятых мер ущерб для народного хозяйства республик Средней Азин в 1969 г. был сведен до минимально воз­ можного в исключительно сложных и опасных гидрологических условиях этого года.

Особенно напряженная обстановка сложилась в марте — июне этого года с пропуском исключительно высокого половодья через Кайраккумский н Чардаринский гидроузлы на Сырдарье. В марте возможности сброса воды в нижний бьеф Чардаринского водо­ хранилища были весьма ограничены из-за опасности образования заторов льда и больших затоплений в среднем и нижнем течении

был разработан график пропуска половодья через эти гидроузлы, предусматривавший сброс части вод в Арнасайскую впадину. Трудно представить размеры бедствия, которое могло бы быть, если бы отсутствовали прогнозы и предупреждения об исключи­ тельно высоком половодье на Сырдарье, на основании которых было своевременно осуществлено регулирование стока водохрани­ лищами.

В 1965 г. по долгосрочному прогнозу, составленному еще в ян­ варе, ожидалась, наоборот, очень низкая водность большинства рек республик Средней Азии. Прогноз, который полностью оправ­ дался, дал возможность своевременно принять необходимые меры по наиболее рациональному использованию ресурсов поверхност­ ных н подземных вод и тем самым обеспечить выполнение плана производства хлопка и риса в условиях маловодья. Были про­ ведены зимне-весенние влагонакопительиые поливы полей, эко­ номно расходовались запасы воды в водохранилищах, была ча­ стично реконструирована ирригационная сеть в целях улучшения

и т. д.

Приведем еще один пример. С 1967 г. четыре водохранилища, созданные в верховьях Москвы-реки и ее притоков, стали каждую весну изымать из естественного стока около 450 млн. м3, т. е. почти половину. Затем, по мере надобности, они отдают накопленную воду. В результате столице, во-первых, больше не грозят наводне­ ния, о которых говорилось выше, и, во-вторых, обеспечено водо­ снабжение летом и зимой. Но возникла проблема весенней сани­ тарной промывки русла Москвы-реки в пределах города. Здесь река сильно подперта Перервинской плотиной и имеет вследствие этого настолько небольшие скорости течения, что они не обеспечи­

18

вают самоочищения русла. Плотина же может быть открыта лишь при расходе воды, превышающем 700 м3/с. Если это сделать при меньшем расходе воды, то скорости реки тоже достаточно повы­

последствиям. В то же время в результате наполнения упомянутых водохранилищ весной естественный максимальный расход воды Москвы-реки у столицы упал до 300—600 м3/с. Вот и возникла задача повышения этого расхода воды на 2—3 дня до 700—800 м3/с за счет попусков из водохранилищ.

Выяснилось, что такие попуски могут даваться лишь в много­

до проектных отметок. Но и в многоводные годы попуски должны быть рассчитаны так, чтобы они наложились на пик естественного стока и на 2—3 дня повысили его до 700—800 м3/с. Следовательно, чтобы принять решение о санитарной промывке русла Москвы-реки и рассчитать попуски из водохранилищ, надо иметь долгосрочный прогноз весеннего притока воды в эти водохранилища и кратко­ срочный прогноз расходов воды, формирующихся за счет есте­ ственного стока с бассейна Москвы-реки ниже водохранилищ. Такие прогнозы составляются Гидрометцентром СССР.

Строительство каждого крупного гидроузла занимает несколько лет. В этот период прогнозы стока, максимальных расходов воды, вскрытия и замерзания совершенно необходимы. Уже отмечалось, что на период строительства первых ГЭС па Волхове и Днепре создавались специальные бюро гидрологических оповещений. В на­ стоящее время обеспечение прогнозами такого строительства вхо­ дит в задачи Гидрометслужбы. Приведем один пример очень эффективных гидрологических прогнозов во время строительства ГЭС.

В 1966 г. руководство строительства Красноярской ГЭС (рис. 4) за три месяца было предупреждено о том, что половодье на Ени­ сее будет экстремально высоким. Прогноз полностью оправдался. Учитывая прогноз, строители провели большие работы по наращи­ ванию перемычек котлована для защиты его от затопления. Работы обошлись в 2,2 млн. руб. Если бы этого не было сделано, строи­ тельству был бы причинен ущерб, в десятки раз превосходящий затраты, не считая существенного нарушения графика работ по постройке ГЭС.

Как уже отмечалось, своевременное предупреждение об угрозе наводнения позволяет снижать убытки, которые оно вызывает. Примером большой экономической эффективности таких преду­ преждений может служить долгосрочный прогноз высоты поло­ водья па реках Северо-Запада Европейской территории СССР

в 1966 г. По прогнозу, который оправдался, половодье ожидалось исключительно высоким. По сведениям, собранным Северо-Запад­ ным управлением гидрометслужбы, только в одной Новгородской области благодаря прогнозу были предотвращены убытки на сумму