1. Вероятностный характер процессов речного стока. Постановка задачи расчетов стока.

Речной сток является итогом взаимодействия сложного комплекса процессов, составляющих наземную часть круговорота воды в природе. На водосбор поступают жидкие осадки→часть испаряется, часть впитывается почвой, часть стекает в русловую сеть→происходит русловая трансформация склонового стока. Вода, впитавшаяся почвой либо передвигается вдоль склона над водоупорами, а затем попадает в речную сеть, либо испаряется или расходуется на пополнение запасов подземных вод. Вода, просочившаяся сквозь грунтовую толщу, достигает русла (кроме ушедшей в глубокие водоносные горизонты более крупных рек). Поступающие твердые осадки формируют снежный покров, который затем тает. В толще снежного покрова во время таяния идут процессы теплообразования. Первые порции талой воды задерживаются в верхних слоях снега. После заполнения водоудерживающей емкости излишки воды из верхних слоев стекают в нижние, где часть идет на замерзание. Заполнив всю водоудерживающую емкость снежного покрова, вода поступает на почву, а затем аналогично дождевым осадкам. Общая особенность речного стока: его ход во времени зависит от выпадения осадков и хода метеорологических элементов, формирующих состояние поверхности и почвогрунтов бассейна при относительно неизменных условиях, выражающих физико-географический характер водосбора. Характерная особенность атмосферы – турбулентный характер происходящих в ней движений, вызывающих неустойчивость метеоэлементов во времени и пространстве. Причина турбулентности – гидродинамическая неустойчивость воздушных потоков. Задача прогноза погоды превращается, таким образом, в рассмотрение эволюции во времени распределения вероятностей состояний атмосферы от начального распределения, получаемого при объективном анализе метео наблюдений. Т.е. для каждого будущего момента ti можно указать только вероятность pi{xi-δ<εi≤xi+δ} того, что тот или иной параметр процесса εi примет значение между двумя заданными числами (xi-δ) (xi+δ). Эта вероятность будет зависеть от t, xi, δ. Такие процессы суть типичные вероятностные процессы. Вероятн-ый характер гидрометео-их процессов – их объективное св-в, не связанное со степенью изученности. Чтобы процесс стока приобрел вероятн-ый характер достаточно лишь крупномасштабной турбулентности атмосферы. Другой источник случайности в формировании стока заключен в самом процессе стока – его многофакторности. Многие ряды событий и явлений, порождающих процесс стока, реализуются независимо друг от друга, что порождает многочисленные варианты их сочетаний и связей. Вероятностная природа колебаний стока не исключает присутствия в них динамических составляющих, связанных с годовым циклом метео элементов. Также они проявляются в многолетних колебаниях стока. Динамические закономерности учитываются в виде зависимости стока либо от координаты времени, либо от гидрометео обстановки периода, предшествующего исследуемому. Вероятн-ые закономерности отражаются в виде функций распределения вероятностей ожидаемых величин стока, либо отклонений от оценочных значений, получаемых при учете динамических закономерностей.

Потребности народного хозяйства в предвидении стока можно объединить в две группы: первая связана с эксплуатацией водохозяйственных систем и установок, использованием рек как транспортных путей, источников водоснабжения и орошения, предупреждением об опасности гидрол-их явлений. Вторая – с долговременным водохозяйственным планированием и проектированием ГТС на реках. Для потребностей первой группы нужен прогноз с предвычислением с различной заблаговременностью элементов водного режима на дату или период. Прогноз считается целесообразным, если погрешности прогноза меньше равновероятных им отклонений явления от среднемноголетнего значения. Для второй группы требуется прогноз на период работы ГТС – от нескольких лет до десятилетий. Ставя задачу построения метода прогноза, подразумевают, что эмпирические данные отвечают модели: y=П(Х)+δ, где у – предиктант, Х – предикторы, П – решающее правило, δ – ошибка прогноза. Методы прогноза делятся на: теоретические (соответствуют математическим моделям явления) и эмпирические (результат обработки наблюдений). Для выбора оптимального правила в искомую функцию вводят неизвестные параметры, оценка которых по эмпирическим данным в соответствии с принятыми критериями оптимальности составляет задачу построения правила П’: у=П’(Х;А)+δ, где А – вектор оптимизируемых параметров. По характеру связи между предикторами и предиктантами методы прогноза: детерминистические (опирающиеся на динамические модели) и стохастические или вероятностные (предикторы и предиктанты рассматриваются как случайные величины). Вероятностные модели используют, если невозможно контролировать все факторы, определяющие поведение объектов. Исследуется функция распределения вероятностей предиктанта в зависимости от значений предиктора F(y/X): F(y/X)=F’(y/X)+δ, где F’(y/X) – эмпирическая оценка искомой ФРВ F(y/X), δ – ошибка прогноза. Иногда F(y/X)=F(y), т.е. у не зависит от Х, тогда используется ФРВ F(y). В гидрологии это называется расчетом той или иной характеристики стока. При решении практически задач считают, что климат и речной сток не успевают существенно измениться за рассматриваемый период, т.е. принимается гипотеза стационарности процесса стока. На этом основании характеристики процесса стока за период наблюдений переносятся на будущий период. Задача гидрологических расчетов, вытекающая из концепции стационарности, сводится к определению фазово-однородных величин стока заданной обеспеченности. Под этим подразумеваются характеристики стока (расход, объем, слой), наблюдающиеся в разные годы. Основой для построения ФРВ служит выборка характерной величины стока: за один год – одно значение. Увязка величин стока с ежегодной обеспеченностью удовлетворяет потребности водохозяйственного проектирования, в котором эта вероятность выступает как мера гарантии бесперебойной работы установки.