Метод долгосрочного прогноза уровней воды (включая заторные) на участках среднего течения Енисея (г. Енисейск, Подкаменная Тунгуска, Тасеева-Машуковка)

Описание метода
В основу методики положены исследования Л.Е. Шуляковского, который показал возможность использования регрессионных моделей, учитывающих факторы, наиболее полно характеризующие условия формирования максимальных уровней воды.
Далее представлены результаты реализации этого подхода на участках рек Томь, Енисей и Тасеева.

Для разработки методик прогноза максимальных уровней сначала подбирались оптимальные уравнения для обобщенных параметров, характеризующих условия формирования максимальных уровней. Они представляют линейные комбинации соответствующих гидрометеорологических предикторов, измеряемых в пунктах наблюдений гидрометеорологической сети.

К ним относятся:
1) характеристика толщины льда и изменение толщины льда по длине участка реки;
2) показатель теплозапасов почвы;
3) показатели температуры воздуха в марте и апреле;
4) показатели влагообеспеченности (количества осадков) апреля или марта-апреля;
5) показатель снегонакопления;
6) осенний сток.

Набор этих предикторов определяется сначала из физических соображений, далее проверяется их репрезентативность на основе корреляции с максимальными уровнями воды.

Используемые предикторы:
• Запасы воды в снеге в пунктах наблюдений, характеризующие количество поступившей на водосбор талой воды.
• Температура воздуха в марте (декадная, месячная),- косвенно характеризует тип весны. Например, при низкой температуре марта более вероятна холодная погода в первой половине апреля и последующее интенсивное потепление в конце апреля - начале мая, усиливающее концентрацию весеннего половодья. Теплое начало марта, чаще сопровож-дается растянутым половодьем.
• Температура почвы характеризует теплофизические процессы впитывания и повторного замерзания талой воды с возможным образованием запирающих слоев на открытых участках. Вертикальный градиент температуры в почвенном слое косвенно харак-теризует запас влаги в почве (чем меньше градиент, тем больше влагозапас).
• Температура воздуха в апреле характеризует величину таяния и оставшегося в бассейне снегозапаса, переходящего на начало мая.
• Количество весенних осадков отражает дополнительное поступление воды и косвенно - влажность воздуха и потери воды на испарение.
• Осенний сток характеризует запасы влаги и льдистость почвы к моменту начала снеготаяния, либо водность реки в период замерзания и пропускную способность русла.
• Максимальная толщина льда указывает на его объем и прочность и предопределяет заторность реки в период вскрытия.
• Уровень воды на дату появления ледовых образований или на дату установления ледостава, минимальный и максимальный уровни за зимний период, а также превышение максимального уровня над уровнем воды на момент установления ледостава - отражают ледовые условия, наличие заторов льда в зимний период и пропускную способность русла.

Линейные комбинации перечисленных предикторов - это соответствующие обобщенные показатели.

Весовые коэффициенты в этих комбинациях определяются на основе множественной корреляции отобранных предикторов с максимальным уровнем воды.

Далее вычисляются значения всех обобщенных показателей за каждый год и путем множественной регрессии устанавливаются линейные зависимости между обобщенными показателями и максимальными уровнями воды. Это и есть искомые уравнения для прогнозов.

Предложенный путь позволяет использовать преимущества физического подхода (на этапе «конструирования» обобщенных показателей) и объективного статистического анализа (на этапе получения прогностических уравнений).

В расчетах использовались данные наблюдений за последние 35-50 лет.


Методика прогноза максимального уровня воды
р. Тасеевой у п. Машуковка

Створ расположен на р. Тасеевой в 46 км от ее впадения в Ангару.
Устье р. Тасеевой находится примерно в 60 км от места впадения р. Ангары в р. Енисей.
До пуска Красноярской ГЭС на участке Тасеевой от устья до расчетного створа практически каждый год возникали заторы. Заторы льда обусловлены более поздним вскрытием Ангары, что приводило к остановке ледохода в устьевом участке Тасеевой. Однако, при благоприятных гидравлических условиях в устье, наблюдались случаи, когда тасеевский лед подныривает под ангарский и затора не образуется или он небольшой (скопление льда распространяется вверх по течению Тасеевой не более 7 километров).

Образование затора в устье не сказывается на ходе уровня в расчетном створе (п. Машуковка) [Е.С. Маркова]. После ввода в эксплуатацию Красноярской ГЭС, как показал анализ, в связи с изменением гидрологического режима Енисея, устьевой участок Ангары теперь в 40% случаев вскрывается раньше, чем устьевой участок Тасеевой. В такие годы ледостав на Ангаре не является естественным препятствием для льда, выносимого р. Тасеевой. Но при соответствующих гидрометеорологических условиях вскрытия, когда Ангара вскрывается позднее, чем Тасесва, затор может распространиться по р.Тасеевой до с. Машуковки и даже выше по течению, вплоть до места впадения р.Усолки, как это было в 1969 и 1988, 2004 и в некоторые другие годы.

На рассматриваемом участке гидрологический режим определяется сложным взаи-модействием водного и ледового режимов трех названных рек (Енисей, Тасеева, Ангара), что нашло отражение в наборе предикторов прогностических уравнений. Отобранные предикторы характеризуют изменение уровней воды в гидрологической системе, снегонакопление, относительное стаивание снега до перехода среднесуточной температуры воз-духа через ноль градусов, пропускную способность русла в месте впадения р. Тасеева в Ангару и весенние осадки. Максимальный уровень воды весеннего половодья р. Тасеева - с. Машуковка (НТмах) наступает в среднем 7 мая, крайние сроки - 22 апреля и 26 мая.



Методика прогноза максимального уровня воды,
р. Еписей - г. Енисейск

После создания на Енисее высоконапорной плотины Красноярской ГЭС, в нижнем бьефе ежегодно образуется полынья длиной от 60 до 300 км. Одним из комплексных пока-зателей теплового состояния реки является температура воды ниже плотины, а также рас-стояние до кромки ледостава, либо величина продвижения кромки льда за некоторый фиксированный период времени. В пунктах, расположенных на небольшом расстоянии от кромки, установление ледостава происходит значительно позже, а вскрытие - раньше. Сроки наступления и продолжительность ледостава в этих пунктах является репрезентативными комплексными гляциогидрологическими показателями Например, на р. Енисей - г. Енисейск, максимальный уровень воды наступает, как правило, на 10-60 (1998) дней по-сле прохождения ледохода и связан с величиной и интенсивностью поступления воды с промежуточной площади водосбора на участке ниже Ангаро-Енисейских ГЭС.



Описание переменных уравнения (4) и (5) даны в таблице.

Длина замерзающего участка р. Енисей от кромки ледостава до г. Енисейска изменяется от года к году, составляя в среднем 300-350 км. Первые две переменные уравнения (4) характеризуют ледовый и водный режим в период установления ледостава и вскрытия. Средняя дата наступления НЕmах - 11 мая; крайние - 28 марта (1983). 30 мая (1974). Продвижение кромки ледостава в марте - апреле (ΔТ2) характеризует сроки вскрытия и степень дружности весны: раннее вскрытие означает раннюю и затяжную весну с невысоким подъемом уровней воды. Запас воды в снеге, SЕ, отражает влияние «снежности» зимы. Значительные осадки в марте - апреле дают дополнительный приток с площади Красноярская ГЭС - г. Енисейек, включая Ангару.

Таблица 1. Описание переменных и обобщенных показателей в уравнениях (1), (2), (3)

Таблица 2. Описание переменных и обобщенных показателей в уравнении (4) и (5)

Таблица 3. Результаты долгосрочных прогнозов максимальных уровней воды
на р. Енисей - г. Енисейск в 2005-2006 гг.
(допустимая ошибка прогноза: 94 см)

Год Нмах наблюденный Нмах рассчитанный по уравнению (4)/ ошибка прогноза Нмах рассчитанный по уравнению (5)/ ошибка прогноза
2003 693 830/137 7687/-74
2004 1089 978/137 1014/75
2005 768 856/-88 795/-27
2006 877 888/-11 854/23


Методика прогноза максимального уровня воды р. Енисей у д. Подкаменная Тунгуска (расположена на 2 км ниже устья Подкаменной Тунгуски)

В данном створе максимальные уровни воды бывают как заторного, так и не заторного происхождения. Средняя дата вскрытия 21 мая; крайние – 30 апреля (1997), 7 июня (1980). Сроки наступления Нmах весеннего половодья в 70% случаев совпадает с началом ледохода.



Таблица 4. Описание переменных и обобщенных показателей

Комплексный показатель ΔН1 характеризует пропускную способность участка реки. Показатель L1 характеризует суровость зимы, следовательно, толщину и прочность льда. Комплексный показатель D2 характеризует условия весны.


Результаты испытаний

В отделе гидрологических прогнозов долгосрочный прогноз максимального уровня весеннего половодья на р. Енисей у г. Енисейска до настоящего времени составляется по методике И.М.Чернова «Метод долгосрочного прогноза водности и максимальных уров-ней весеннего половодья на Енисее», 1970 г.

Исходными данными в уравнениях регрессии являяются:
1. снегозапасы на конец марта;
2. толщина льда;
3. планируемые сбросы воды ГЭС на май - июнь.

Методика позволяет выпускать прогноз максимального уровня с заблаговременностью 1-1.5 месяца.

В 2006г. в отделе гидропрогнозов проводились испытания по новой методике ОРиВГП. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1
р. Енисей - г. Енисейск (допустимая ошибка - 94 см)
Год Прогноз ОГП Прогноз НИЦ факт. Н мах Ошибка ОГП Ошибка НИЦ
2004 950 978 1089* 139 111
2005 790 856 768 -22 -88
2006 810 888 886 76 -2


Оправдываемость прогнозов ОРиВГП - 2/3 - 67%.
Оправдываемость прогнозов ОГП - 273 - 67%

Ряд данных наблюдений для реализации методики ОГП (И.М. Чернова) отсутствуют и задавались приближенно по наблюдениям ближайших пунктов.

Прогноз максимального уровня воды на р. Енисей у д. Подкаменная Тунгуска выпускается с 1970 года, по методике И.М.Чернова «Метод долгосрочного прогноза водности и максимальных уровней весеннего половодья на Енисее».

Методика ОРиВГII. для прогноза максимального уровня воды р. Енисей - д. Подкаменная Тунгуска предлагает три формулы.
Результаты испытаний привены в таблице 2 за последние 10 лет.

Таблица 2
р. Енисей - г. Енисейск (допустимая ошибка - 118 см)
Год Факт Прогноз ОГП Ошибка ОГП Прогноз НИЦ
1 ф-ла ошибка 2 ф-ла ошибка 3 ф-ла ошибка
1997 1765 1850 -85 1807 -42 1684 81 1774 -9
1998 1770 1650 120 1754 16 1756 14 1723 47
1999 2018 1850 168 2070 -52 2035 -17 2065 -47
2000 1784 1600 184 1774 10 1796 -12 1836 -52
2001 2089* 1800 289 2043 46 2003 86 2069 20
2002 2072 1900 172 2104 -32 2112 -40 2086 -14
2003 1771 1750 21 1648 123 1660 111 1653 118
2004 1882 1850 32 1969 -87 1964 -82 1948 -66
2005 1636 1650 -14 1772 -136 1785 -149 1745 -109
2006 1797 1700 97 1738 26 1762 3 1701 63


Оправдываемость прогнозов ОГП - 6/ 10 - 60%.
Оправдываемость прогнозов ОРиВГП. по формуле 1 – 8/10 - 80%.
Оправдываемость прогнозов ОРиВГП. по формуле 2 - 9/10 - 90 %.
Оправдываемость прогнозов ОРиВГП. по формуле 3 - 10/10 - 100%.

Методика ОРиВГП для прогноза максимального уровня воды р. Тасеева - п. Машуковка испытывалась в отделе гидропрогнозов в 2005-2006 гг.
Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Таблица 3
Год Факт Hmax Формула 1 Формула 2 Формула 3
Hmax прогноз ошибка Hmax прогноз ошибка Hmax прогноз ошибка
2005 724 591 133 542 182 596 128
2006 750 781 -31 779 -29 777 -27


Оправдываемость прогнозов по 1 формуле - 1 / 2 - 50%.
Оправдываемость прогнозов по 2 формуле - 1 / 2 - 50%.
Оправдываемость прогнозов по З формуле - 1 / 2 - 50%.


Рекомендации Техническиого совета Среднесибирского УГМС
от 14 ноября 2006 г.:

- отметить актуальность и своевременность разработки данного метода прогноза;
- учитывая положительные результаты испытания методики долгосрочного прогно-за уровней воды (включая заторные), на участках среднего Течения Енисея – г. Енисейск, д. Подкаменная Тунгуска рекомендовать ее к внедрению в качестве основного расчетного метода в отделе гидрологических прогнозов Гидрометцентра Красноярского ЦГМС-Р;
- продолжить оперативные испытания методики долгосрочного прогноза уровней воды (включая заторные) р. Тасеева – п. Машуковка, в марте-мае 2007 г.


Авторы:
Д.А. Бураков - главный гидролог, д.г.н.
В.Ф. Космакова - ведущий инженер Красноярского ЦГМС-Р
E-mail: sugms@meteo.krasnoyarsk.ru
Тел.: (3912) 23-89-50


© Методический кабинет Гидрометцентра России