Гидрологические прогнозы

Заблаговременное предсказание сведений о режиме водных объектов называют гидрологическим прогнозом. Основными характеристиками гидрологического режима, по которым составляются прогнозы, являются: высота уровней воды, расход воды и сток, глубины на перекатах, сроки вскрытия и замерзания рек и др.

Прогнозы режима рек и водоемов представляют интерес для ряда отраслей народного хозяйства: энергетики, речного транспорта, водоснабжения и других водопользователей. Прогнозы на судоходных реках имеют большое значение для эффективного использования транспортного и технического флота. На основе прогнозов планируются сроки открытия и закрытия навигации, определяются осадка и загрузка судов транспортного флота, планируются путевые работы на реках, Составление и публикацию данных гидрологических прогнозов в стране осуществляет Гидрометцентр.

Различают фоновые и локальные прогнозы. К первым относятся такие, которые охватывают районы значительной площади (например, бассейн реки). Если прогнозы относятся к определенному пункту или небольшому участку реки, то они называются локальными.

По срокам заблаговременности предсказаний прогнозы подразделяют на долгосрочные и краткосрочные. К долгосрочным относятся прогнозы с заблаговременностью более 15 суток (месяц, год и более). Краткосрочные прогнозы предсказывают наступление явлений от нескольких часов до 10-15 суток.

Долгосрочные прогнозы позволяют предсказать объем стока в половодье и максимальные расходы воды. Для решения первой задачи составляется уравнение баланса воды в бассейне за время половодья. Это уравнение имеет вид

, (3.5)

где: V_пол – объем половодья;

V_сн – объем влаги в снеговом покрове бассейна на конец зимы;

V_ин – объем потерь воды на инфильтрацию (просачивание в грунт);

V_ос – объем осадков за время снеготаяния и половодья.

Первый член в этом уравнении определяется по данным снегомерных съемок – толщины снегового покрова и его плотности на территории бассейна. Объемы инфильтрации и осадков устанавливаются расчетным путем.

Для предсказания максимального расхода воды в половодье по данным наблюдений за предшествующие годы строится график связи максимальных расходов с объемами половодий. Располагая кривой расходов, можно определить максимальный уровень воды.

Для водного транспорта наибольший интерес представляют краткосрочные прогнозы. Они охватывают следующие элементы гидрологического режима: уровни (глубины на перекатах) и расходы воды, вскрытие и замерзание рек, озер и водохранилищ и отдельные ледовые явления. Кроме того, с заблаговременностью от нескольких часов до нескольких суток предсказывается наступление штормов, наводнений и других гидрологических явлений. Прогнозы вскрытия и замерзания используют при планировании перевозок, прогнозы отдельных ледовых явлений – при зимнем отстое судов и гидротехническом строительстве. Прогнозируя уровни воды на перекатах в межень, можно предсказывать судоходные глубины.

На бесприточных или слабо приточных участках рек наиболее простым и надежным средством краткосрочного прогноза является метод соответственных уровней. Под такими уровнями понимают характерные уровни одинаковых фаз (пики половодья и паводка, низкие меженные уровни и др.), наблюдаемые по двум смежным гидрологическим постам в один и тот же период. На бесприточном участке реки уровень воды на нижнем посту меняется в зависимости от изменения уровня на верхнем посту. Таким образом, зная время добегания воды от верхнего поста до нижнего, можно с заблаговременностью предсказать уровень на нижнем посту.

Практически эта задача решается в результате определения времени добегания воды и построения графика связи соответственных уровней на верхнем и нижнем постах. С этой целью по данным уровенных наблюдений на постах строятся совмещенные графики колебания уровней воды H=f(t). На графиках (рис. 3.8) выявляются характерные точки, и для каждой пары точек находят значения соответственных уровней воды и даты их наступления. Разница во времени наступления этих уровней на верхнем и нижнем постах представляет время добегания воды. Величина зависит от высоты стояния уровней воды, и при высоких уровнях обычно она меньше, чем при низких. Если изменение времени добегания при колебаниях уровня незначительно, то допускается пользоваться средней величиной для всего рассматриваемого диапазона уровней воды.

В случае большого изменения значений времени добегания строят график связи их величин с уровнями воды на верхнем посту . С помощью этого графика можно определить время наступления на нижележащем посту интересующего нас уровня воды.

Для предсказания высоты уровня на нижнем посту по данным парных уровенных наблюдений строят график связи соответственных уровней воды. Если этих значений окажется мало, то на график наносятся данные ежедневных наблюдений за уровнями. При этом соответственные уровни по нижнему посту выбираются с учетом времени добегания воды, т.е. на момент времени, равный . Для бесприточных участков рек с устойчивым руслом графики связи соответственных уровней представляют линейную зависимость (рис. 3.9). На рис. 3.9 показан пример прогнозирования уровня воды на нижнем посту с помощью графиков связи соответственных уровней и времени добегания. В момент времени t₁ уровню воды на вышележащем посту Н_в=350 см соответствует уровень Н_н=260 см на нижнем посту. Данная высота уровня предсказана с заблаговременностью =2.5 суток.

Располагая прогнозом уровней воды, можно предсказать глубины на перекатах на момент времени . Для этого нужно иметь графики связи между глубинами и уровнями воды. Необходимость построения таких графиков обусловлена тем, что изменение глубин на перекатах не соответствует в точности изменению уровней воды. Причина этого расхождения заключается в том, что гребни перекатов могут размываться под действием текущей воды. Поэтому в общем случае прогнозируемая глубина на перекате определяется по зависимости

, (3.6)

где: T₂ – прогнозируемая глубина на момент времени t₂;

DH=H₂ – H₁ – изменение высоты уровня воды за период времени (t₂ – t₁);

DZ=Z₁ – Z₂ – изменение отметки дна за период времени (t₂ – t₁);

H₁ и Z₁ – соответственно высота уровня и отметка дна в момент времени t₁;

H₂ и Z₂ – то же в момент времени t₂.

Допустим, на спаде уровней воды за период времени Dt =t₂ – t₁ произошел размыв гребня переката на величину DZ=Z₁ – Z₂. Высота уровня за это время изменилась на величину DH=H₂ – H₁. Отсюда прогнозируемая глубина на перекате в момент времени t₂

(3.7)

Эти рассуждения иллюстрируются приведенной на рис. 3.10 расчетной схемой, составленной для случая понижения отметки гребня переката. Аналогичным образом могут быть составлены расчетные схемы и для других возможных вариантов прогнозирования глубин.

Для выявления характера изменения отметок дна переката от уровня воды строят так называемые перекатные графики T=f(H). В общем случае эти графики имеют достаточно сложные очертания, обусловленные особенностями перекатов. При прогнозировании глубин эти зависимости можно считать линейными. Возможны три основных случая (рис. 3.11).

Если угол наклона кривой T=f(H) более 45° к оси абсцисс, то это означает, что при снижении уровня воды на величину DH глубина на перекате уменьшилась на величину DT₁<DH. В этом случае дно переката размывается на величину DZ₁=DH – DT₁.

В другом случае, когда угол наклона меньше 45°, получаем DT₂>DH, и соответственно, дно переката намывается на величину DZ=DT₂ – DH. В третьем случае, когда угол наклона кривой T=f(H) равен 45°, имеет место равенство DT₃=DH и изменение глубины в точности совпадает с изменением уровня воды. Отсюда получаем, что DZ=DH – DT₃=0 и дно на перекате остается стабильным.

Таким образом, прогнозирование судоходных условий на реках представляет собой достаточно сложную задачу. Ввиду зависимости гидрологического режима от целого ряда факторов, меняющихся с течением времени, прогнозы уровней и глубин носят приближенный характер.

Краткосрочные прогнозы сроков ледовых явлений основаны на установлении связи дат наступления нулевой температуры за многолетний период с соответствующими датами вскрытия и замерзания реки. В этом случае точность прогноза зависит от точности предсказания даты наступления нулевой температуры.