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

12,3 млн. рублен; затраты на проведение защитных мероприятии составили около 0,5 млн. рублен.

И с п о л ь з о в а н и е г и д р о л о г и ч е с к и х п р о г и о з о в п р и п р о е к т и р о в а н и и г и д р о т е х и и ч е с к и х с о о р у ж е и и й. Наиболее эффективного использования гидрологических данных при проектировании можно достичь путем синтеза результатов научных работ как в области гидрологических расчетов, так и в области гидрологических прогнозов. Об этом говорит опыт проек­ тирования Каховской ГЭС па Днепре и Куйбышевской на Волге.

Рис. 4. Вид на Красноярскую ГЭС на Енисее и ее водохранилище со стороны нижнего бьефа.

При проектировании их водосбросных сооружений, кроме исполь­ зования стандартных способов гидрологического расчета с по­ мощью кривых обеспеченности, было произведено исследование влияния на максимальные расходы воды основных факторов их формирования. Установленные зависимости этих расходов воды от запасов воды в снежном покрове и продолжительности форми­ рования половодья были использованы для гидрологических рас­ четов. В результате представилось возможным:

— определить максимальные расходы воды при различных, в том числе и крайне неблагоприятных, сочетаниях разных величин запасов воды в снежном покрове и продолжительности половодья (с учетом погрешностей зависимостей),

— произвести на основе данных об обеспеченности различных

20

значении факторов, влияющих иа максимальный сток, расчеты кривых обеспеченности максимальных расходов воды с помощью композиционного метода.

Далее, в расчетах водосбросных сооружений была учтена тран­ сформация половодья водохранилищами при учете возможной за­ благовременности и точности прогнозов. Так, например, на рис. 5 видно, как по мере увеличения заблаговременности прогноза мак­ симального расхода воды уменьшается количество водосбросных отверстий в плотине, необходимое для пропуска расчетного поло­ водья через Каховское водохранилище. Наибольшее уменьшение длины водосливного фронта плотины имеет место при заблаговре­ менности прогноза, равной или большей времени, необходимого

особенно для ГЭС с небольшим напором, может привести к времен­ ному снижению выработки энергии.

Гидрологические расчеты, произведенные для Каховской и Куй­ бышевской ГЭС, показали, что даже при учете только закономер­ ностей передвижения паводочных волн можно надежно предвидеть сток с заблаговременностью порядка двух недель. Это позволило снизить проектную стоимость водосбросных сооружений упомяну­ тых ГЭС на несколько сотен миллионов рублей.

Безусловно, точность и заблаговременность ряда гидрологиче­ ских прогнозов не такова, чтобы полностью удовлетворить запросы народного хозяйства. Но состояние гидрологических прогнозов в значительной мере отражает уровень развития гидрологии в це­ лом, полноту гидрометеорологической информации и в ряде слу­ чаев точность метеорологических прогнозов.

В Директивах XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану раз­ вития народного хозяйства СССР на 1971—1975 гг. говорится о не­ обходимости всемерно развивать фундаментальные и прикладные

21

прикладных разделов. Директивы предусматривают значительное развитие водного хозяйства страны. В гидроэнергетике будет осу­ ществляться преимущественно сооружение гидроузлов, позволяю­ щих комплексно решать задачи производства электроэнергии, оро­

ческих основ методов. В связи с этим рассматриваются закономер­ ности движения паводков, процессов стока, инфильтрации, в том числе в мерзлую почву, испарения, снеготаяния, ледообразования и разрушения ледяного покрова на реках, озерах и водохранили­ щах, вопросы водного баланса бассейна и русла и подземного пита­ ния рек. При этом обращается большое внимание на особенности процессов стока в различных физико-географических зонах СССР

(рис. 7), а также на равнине и в горах. Уделяется внимание также математическим моделям процессов стока, использованию их в про­ гнозах и применению в прогнозах ЭВМ. В курсе освещены вопросы организации службы гидрологических прогнозов в нашей стране и обеспечения гидрологическими информациями и прогнозами народ­ ного хозяйства.

22

О м е ж д у н а р о д н о м с о т р у д н и ч е с т в е в о б л а с т и г и д р о л о г и ч е с к и х п р о г н о з о в . Возрастающая потребность человеческого общества в воде, общность и взаимосвязь гидрологи­ ческих явлений на континентах и на всей суше земного шара, а также беспокойство за будущее водных ресурсов — главные при­ чины, приведшие к организации международного сотрудничества в области гидрологии. В 1963—1964 гг. при активном участии

СССР, США, Франции и ряда других стран была разработана про­ грамма Международного гидрологического десятилетия (МГД). В ноябре 1964 г. опа была утверждена XIII Генеральной конферен-

Рис. 7. Физико-географические зоны СССР.

/ — тундра, // — лесотундра, /Я — лесная, IV — лесостепная, V — степная, VI — сухо­ стенная, VII — пустынно-степная, ѴП2 — пустынная: / — горные районы, 2 — границы зон.

дней ЮНЕСКО (международная организация по вопросам про­ свещения, науки п культуры при ООН) на период 1965— 1974 гг.

Основная задача МГД — расширение и ускорение изучения вод­ ных ресурсов в интересах их рационального использования к охраны с одновременным развитием гидрологии как науки о при­ родных водах. Программа МГД предусматривает проведение в жизнь различных проектов по разделам: сеть и наблюдения, учет водных ресурсов и составление водных балансов (мирового, от­ дельных территорий и бассейнов), научные исследования, в том числе по гидрологическим прогнозам, и подготовка специалистов гидрологов. Научная часть программы МГД включает исследова­ ния по 65 проблемам и проектам. В рамках программы опреде­ лена сеть репрезентативных и экспериментальных бассейнов в раз­ личных по физико-географическим условиям зонах земного шара.

23

Г л а в а I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ПРОГНОЗАХ

Слово прогноз произошло от двух греческих слов: «Про» (про)

§1. ОБОСНОВАНИЕ ПРОГНОЗОВ. ПОНЯТИЕ О МЕТОДЕ И МЕТОДИКЕ,

АТАКЖЕ О СОСТАВЛЕНИИ И ЗАБЛАГОВРЕМЕННОСТИ ПРОГНОЗОВ

Водные потоки движутся значительно медленнее, чем воздуш­ ные. Например, если волна половодья на р. Оке движется от г. Ка­ луги до г. Мурома примерно 15 дней, то воздушные потоки могут пройти этот путь за 1—2 дня и даже быстрее. Сравнительно мед­ ленное движение воды позволяет легко предвидеть ряд явлений и изменение водности реки; в качестве исходных данных при со­ ставлении прогноза здесь используются материалы гидрологиче­ ских наблюдений на станциях, расположенных выше по течению по отношению к пункту, для которого дается прогноз.

Метеорологические процессы вызывают изменения в состоянии водных объектов (рек, озер и т. д.) не мгновенно, а через некото­ рое время и на протяжении более или менее определенных перио­ дов. Так, например, при выпадении ливня паводок на реке разви­ вается в течение времени, значительно большего, чем продолжи­ тельность этого ливня, таяние снега не сразу приводит к большому подъему уровня реки и т. д. Таким образом, изменения в состоянии водных объектов, обусловленные процессами поступления воды на поверхность бассейна, обнаруживают запаздывание по отноше­ нию к развитию этих процессов.

На основании данных о выпавших осадках или таянии снега можно подсчитать лишь количество воды, поступившее за данный промежуток времени на поверхность речного бассейна. Чтобы знать, какая часть этой воды стечет в реки, необходимо уметь опре­ делить, сколько воды испарится и сколько задержится в почве.

Под заблаговременностью прогноза понимается промежуток времени между составлением прогноза и датой осуществления

25

предсказываемого явления. В зависимости от требований органи­ зации, использующих прогнозы, и закономерностей процессов, обусловливающих развитие гидрологических явлений, заблаговре­ менность гидрологических прогнозов обычно колеблется от 1—2 су­ ток до двух-трех месяцев, а иногда и больше.

Под методом прогноза следует понимать способ решения за­

деленных исходных гидрометеорологических материалов наблю­ дений.

Очень важно располагать несколькими методами прогноза гид­ рологического явления, которые позволили бы предсказывать его с различной заблаговременностью и по различным исходным дан­ ным. Понятно, что по мере приближения к осуществлению пред­ сказываемого явления, т. е. с уменьшением заблаговременности прогноза, точность последнего должна возрастать.

Так, прогноз величины стока за период половодья по запасу воды в снежном покрове во второй половшіе зимы будет менее точен, чем по данным о количестве снега в бассейне перед началом таяния. В свою очередь второй прогноз будет уступать по своей точности прогнозу стока за половодье по запасу воды в речной сети; но этот прогноз можно составить, когда большая часть талых вод уже стечет в реки. Очевидно, такой путь уточнения прогноза, выпущенного со значительной заблаговременностью, научно обо­ снован и его надо применять на практике.

В гидрологических прогнозах применительно к конкретным ре­ кам часто употребляется термин «методика прогноза». Методика того или иного явления разрабатывается па основе определенного метода прогноза этого гидрологического явления. Разработка ме­ тодики сводится к обработке по определенной системе конкретных данных гидрологических н метеорологических наблюдений, а также к установлению числовых значений параметров или графиков зави­ симостей. Кроме того, необходимо оценить точность установленных зависимостей и эффективность полученной методики. Разра­ ботка методики прогноза завершается составлением технической записки, содержащей краткое изложение сущности методики и за­ висимостей, с помощью которых должен составляться прог­ ноз, и оценку точности выпускаемых по данной методике прог­

нозов.

Само составление прогноза по данной методике начинается с тщательной обработки и анализа тех материалов наблюдений станций, которые характеризуют сложившиеся и учитываемые ме­

ляются ожидаемые размеры интересующего нас гидрологического явления и срок его наступления. После выпуска прогноза продол­

26

жается изучение изменении гидрометеорологических условий

вбассейне на основе поступающих со станции данных наблюдений

ив случае необходимости дается уточнение ранее выпущенного прогноза.

§ 2. КЛАССИФИКАЦИИ ПРОГНОЗОВ

Как уже отмечалось, в настоящее время народное хозяйство нуждается в таком гидрологическом обслуживании, при котором обеспечивался бы выпуск прогнозов многих гидрологических явле­ ний и притом с различной, иногда большой заблаговременностью. Для разработки методов составления прогнозов с различной за­ благовременностью, естественно, приходится учитывать и различ­ ные процессы, влияющие на развитие предсказываемого гидроло­ гического явления. Отсюда вытекают две принципиально различ­ ные классификации гидрологических прогнозов и методов их со­

прогнозы.

Согласно первой классификации, прогнозы делятся па две боль­

Согласно второй классификации, прогнозы подразделяются сле­ дующим образом:

1) прогнозы, основанные на закономерностях процессов, проис­ ходящих в русловой сети (например, прогнозы по соответственным уровням воды, запасам воды в речной системе и т. д.). Исходными данными при составлении прогнозов являются материалы гидро­ метрических наблюдений;

2) прогнозы, основанные на закономерностях процессов, проис­ ходящих в бассейне (например, прогнозы весеннего стока по запасу воды в снежном покрове, летнего и осеннего стока равнинных рек по осадкам и влажности почвы, прогнозы стока по запасам подзем­ ных вод и т. д.). Основными исходными данными при составлении прогнозов являются материалы метеорологических и гидрологиче­ ских наблюдении;

3) прогнозы, основанные на тех закономерностях атмосферной циркуляции над обширной территорией, которые обусловливают, например, время наступления похолодания (или потепления), при­ водящего к замерзанию (или вскрытию) данной реки или боль­ шей части рек данного района. Основными исходными материа­ лами при составлении прогнозов являются наблюдения на метео­ рологических станциях и синоптические карты. Поэтому нередко данные прогнозы называются гидросиноптическими.

27

В связи с последней классификацией надо сказать, что есть ряд методов, в которых решение задачи о прогнозе опирается как на закономерности процессов, происходящих в руслах, так и в бас­ сейне. Отсюда видна некоторая условность этой классифи­ кации.

В недавнем прошлом была весьма распространена классифика­ ция прогнозов по заблаговременности. Как уже отмечалось, при решении задачи о прогнозе данного явления часто принимаются во внимание закономерности различных обусловливающих его процессов, смотря по тому, какая требуется заблаговременность прогноза (в пределах возможной заблаговременности). Поэтому классификация прогнозов по их заблаговременности, конечно, не лишена смысла и удобства. Однако она менее обоснована, чем классификации, приведенные выше. Заметим, что уже давно усло­

долгосрочными. В таком смысле эти термины употребляются в даль­ нейшем.

Большинство выпускаемых в настоящее время гидрологических прогнозов относится к отдельным участкам рек, озерам и водохра­ нилищам. Например, выпускаются прогнозы максимального уровня воды весной на р. Днепре у г. Смоленска, стока р. Карадарьи у Кампырравата за вегетационный период и т. д. Такие прогнозы иногда называют локальными. Но выпускаются и так называемые территориальные прогнозы, содержащие обобщенные по террито­ рии сведения об ожидаемых размерах (и сроках) того или иного гидрологического явления. Примером таких .прогнозов могут слу­ жить долгосрочные прогнозы дат вскрытия рек или объемов весен­ него стока, представленные в виде соответствующих карт. Мето­ дика локальных п территориальных прогнозов несколько различна, па что в соответствующих главах книги обращено внимание.

§ 3. ПОГРЕШНОСТЬ И ОЦЕНКА ОПРАВДЫВАЕМОСТИ ПРОГНОЗОВ. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ МЕТОДИКИ

Из ранее изложенного следует, что предсказанные размеры и срок наступления данного гидрологического явления почти всегда будут отличаться от действительных (после осуществления пред­ сказанного явления) на большую или меньшую величину. Другими словами, почти каждый прогноз имеет определенную погрешность (ошибку).

Под погрешностью прогноза понимается разность между пред­ сказанной и действительной величинами. Например, если предска­ зывалась высота половодья на р. Оке у г. Калуги, равная 1100 см (над нулем графика водомерного поста), а была 1050 см, то по­ грешность такого прогноза будет 50 см. Знак погрешности (плюс или минус), очевидно, носит условный характер, так как он изме­ нился бы на обратный, если бы для нахождения погрешности было принято вычитать из действительной величины предсказанную.

28

Способ оценки оправдываемостп прогнозов должен быть объек­ тивным II позволять сравнивать точность прогнозов различных гидрологических явлений или прогнозов одного и того же явления, составляемых по различной методике. Эти требования могут быть

вости иногда называют природной. Так, если даются прогнозы рас­ ходов воды на 5 дней вперед во время устойчивого спада поло­ водья, то при вычислении допустимой погрешности прогнозов должна быть принята во внимание мера изменчивости наблюдае­ мых величин снижения расходов воды в течение 5 дней в указан­ ный период половодья. Или, если прогнозы вскрытия реки вы­ пускаются раньше самой ранней из наблюдавшихся дат ее вскры­ тия, то при определении допустимой погрешности прогноза надо учесть меру изменчивости дат вскрытия, вычисленную по данным многолетних наблюдений над этим явлением, и т. д.

Как известно, основной статистической мерой изменчивости слу­ чайной переменной величины является ее среднее квадратическое отклонение. Поэтому статистически будет вполне обоснованным принять за допустимую погрешность прогноза некоторую долю среднего квадратического отклонения предсказываемой величины ст или среднего квадратического отклонения величины изменения предсказываемой величины стд на протяжении периода заблаговре­ менности прогноза. На основании многолетнего опыта составления прогнозов и разработки их методики, позволяющего оценить ре­ альную в настоящее время точность предвидения гидрологических явлений, целесообразно принять за допустимую погрешность каж­ дого прогноза Ддоп вероятное отклонение предсказываемой вели­ чины от нормы или ее изменения за период заблаговременного про­ гноза, т. е.

Заметим, что величина изменчивости одного и того же предска­ зываемого явления часто должна вычисляться отдельно по сезонам,

29