ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 3, с. 268-278
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.166+16.047(476)
АНАЛИЗ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОГРАФОВ ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ РЕК БЕЛАРУСИ
© 2015 г. В. Ф. Логинов*, А. А. Волчек**, Т. А. Шелест***
*Институт природопользования НАНБеларуси 220114 Беларусь, Минск, ул. Скорины, 10 ** Брестский государственный технический университет 224017 Беларусь, Брест, ул. Московская, 267 ***Брестский государственный университет им. А.С. Пушкина 224016 Беларусь, Брест, бульвар Космонавтов, 21 E-mail: volchak@tut.by Поступила в редакцию 15.11.2013 г.
Рассмотрены условия формирования паводков на реках Беларуси в различные сезоны года. Проанализированы гидрографы дождевых паводков. Изложена методика построения гидрографов дождевых паводков при отсутствии данных гидрометрических наблюдений, усовершенствованная путем уточнения и упрощения некоторых вычислений и повышения достоверности определения характеристик паводочного стока.
Ключевые слова: дождевой паводок, гидрограф, обеспеченность, факторы.
DOI: 10.7868/S0321059615030074
Водный режим рек Беларуси в годовом разрезе характеризуется высоким весенним половодьем, относительно низкой летней меженью, периодическими паводками. В осенне-зимний период обычно наблюдается несколько повышенная водность рек в результате выпадения значительных осадков. Во внутригодовом распределении стока выделяются два максимума — весенний и осенний и два минимума — летний и зимний. На весну приходится 44—67% годового стока.
Паводки на реках Беларуси бывают почти ежегодно и наблюдаются в различное время года. На дождевые паводки приходится в среднем 15—20% (в отдельные годы — до 40% и более) годового стока рек. Максимальные расходы воды дождевых паводков могут превышать максимумы половодий. Особенно часто это наблюдается в бассейнах рек Припять, Западный Буг и Вилия. С середины 1980-х гг. отмечается тенденция увеличения случаев превышения половодий дождевыми паводками на всех реках страны.
При решении ряда практических задач (проектировании водохранилищ, прудов, оценке затопления пойм, пропуске высоких вод через дорожные сооружения, разработке мероприятий по борьбе с наводнениями, отводе вод от сооруже-
ний в период их строительства и т.д.), помимо максимального расхода, необходимы сведения о продолжительности паводка, интенсивности его подъема и спада. Распределение стока паводка во времени отражают гидрографы дождевых паводков.
Цель настоящего исследования — анализ и моделирование гидрографов дождевых паводков рек Беларуси в случае недостаточности или отсутствия данных гидрометрических наблюдений. Проблема определения характеристик паводков в этих условиях представляется одной из главных. Так, в Беларуси на более чем 20 тыс. рек и ручьев приходится только 123 гидрологических поста. Существующая методика построения гидрографов дождевых паводков при отсутствии данных гидрометрических наблюдений на реках предусматривает наличие рек-аналогов. Однако подобрать реку-аналог при современной разреженной сети гидрологических постов достаточно сложно. Кроме того, в связи наблюдаемыми изменениями условий формирования стока (вследствие увеличения антропогенной нагрузки и изменения климата) возникла необходимость уточнения существующих методов расчета гидрологических характеристик.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В основу исследования положены материалы наблюдений Управления гидрометеорологической деятельности Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь за максимальными расходами воды дождевых паводков за период от начала инструментальных наблюдений до 2010 г., среднесуточными расходами воды рек в период 1981—2010 гг. и суточными атмосферными осадками по метеостанциям Беларуси в период 1960—2010 гг.
В настоящее время нормативными документами для расчета одновершинных гидрографов дождевых паводков при отсутствии данных гидрометрических наблюдений для условий Беларуси рекомендован метод, предложенный Г.А. Алексеевым. Формула для расчета одновершинного гидрографа имеет следующий вид [5]:
а(1-х)2
у = 10
(1)
а
где у = —— отношение расхода воды О к макси-
Ор
мальному среднему суточному расходу 0Р заданной обеспеченности Р, %; х = — — время от нача-
* п
ла паводка, выраженное в долях от продолжительности подъема паводка при этом — время, соответствующее О от начала паводка; а — параметр, зависящий от коэффициента формы гидрографа X:
(2)
К = кп = ДХ), к
(3)
должительность подъема паводка, а ординат у — на максимальный расчетный расход воды ([5], приложение Б, табл. Б. 10) по формулам:
Ь = (4)
а = уОр, (5)
где 0Р = дРЛ — расчетный максимальный среднесуточный расход воды дождевого паводка, м3/с (А — площадь водосбора, км2); 1п — продолжительность подъема дождевого паводка, сут, определяемая по формуле
0.0П6ХЛР
Чр
(6)
0.0116к
(# — модуль максимального среднесуточного расхода воды дождевого паводка, м3/(с км2); ^ — продолжительность подъема паводка, сут; к — слой стока за паводок, мм).
Коэффициент формы гидрографа X, абсцисса расчетного гидрографа х и ордината у принимаются в зависимости от коэффициента несимметричности гидрографа к, вычисляемого по следующей формуле ([5], приложение Б, табл. Б. 10):
где кп — слой стока за период подъема паводка, мм.
Расчетный коэффициент несимметричности гидрографа к8 при отсутствии данных гидрометрических наблюдений на реке принимается по данным наблюдений на реке-аналоге.
Координаты расчетного гидрографа и О определяются путем умножения абсцисс х на про-
(дР — расчетный модуль максимального среднесуточного расхода воды паводка, м3/(с м2); кР — слой стока расчетной обеспеченности, мм).
Таким образом, для построения расчетного гидрографа в случае отсутствия данных гидрометрических наблюдений необходимо определить: максимальный среднесуточный расход воды, слой стока расчетной обеспеченности, коэффициент несимметричности паводка.
АНАЛИЗ ГИДРОГРАФОВ ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ
Паводки по характеру формирования и форме проявления бывают весьма разнообразны, в значительной мере отражают динамику формирующих их дождей. Вследствие большого числа комбинаций формирующих факторов гидрографы дождевых паводков уникальны.
На реках Беларуси наиболее часто отмечаются однопиковые паводки. Вероятность появления двухпиковых паводков составляет в среднем ~20%. Трехпиковые паводки — явление еще более редкое. Они встречаются в 10% случаев и реже. Многопиковые (более трех пиков) паводки на реках страны встречаются крайне редко.
Явление паводков с несколькими пиками обусловлено прежде всего характером выпадения осадков. Двух- и трехпиковые паводки формировались осенью 2009 г. в бассейне Западной Двины, в 1998 г. — на многих реках Беларуси, летом 1988 г. — в бассейне Западного Буга, в отдельные годы на разных реках страны. Например, в 1998 г., когда выпало аномально большое количество осадков, дождевые паводки на большинстве рек Беларуси формировались неоднократно и гидрографы их имели разнообразные формы (рис. 1).
На малых реках форма гидрографов паводков, как правило, островершинная с резкими подъемами и спадами. Здесь даже кратковременный
х
е, мз/с 100 80 60 40 20 0
22.912.10 1.11 21.11 11.12 р.Проня — д. Летяги
е, м3/с 1000
800
600
400
200
0
4.6 24.7 12.9 1.11 21.12 Дата
р. Западная Двина — г. Витебск
1.60 21.7
9.90
р. Уборть — д. Краснобережье
15.4 24.7 1.11 9.20 р. Цна — д. Дятловичи
12.9 1.11 21.12 р. Друть — д. Городище
Рис. 1. Гидрографы дождевых паводков 1998 г.
25.5.14.6 4.7 24.713.8 2.90 р. Вилия — д. Стешицы
дождь вызывает подъем уровня и часто образует небольшую паводочную волну. На больших реках максимальные уровни могут удерживаться несколько суток. На некоторых реках (Дрыса, Нища, Ясельда) гидрографы часто приобретают зубчатую форму.
Продолжительность дождевых паводков зависит от многих факторов (площади водосбора, типа дождя, зарегулированности озерами и болотами и др.). Средняя продолжительность дождевых паводков на малых и средних реках Беларуси (с площадью водосбора <10 тыс. км2) составляет ~32 сут; причем на реках бассейна Припяти она наибольшая--39 сут, в бассейне Западной Двины ~30, Немана и Западного Буга ~28, Днепра ~29 сут. На больших реках продолжительность паводков гораздо больше — в среднем ~50 сут и изменяется от 45 сут на реках Западная Двина и Неман, 50 сут на р. Днепр до 62 сут на р. Припяти. Паводки с меньшей продолжительностью вызываются кратковременными дождями и ливнями, а с большей — обложными дождями. На зарегулированных озерами и болотами реках Полесья продолжительность летних и осенних паводков, которые нередко сливаются и вместе образуют несколько или одну большую волну, может достигать нескольких месяцев.
Наибольшее значение при построении гидрографов паводков имеет продолжительность подъ-
ема, которая определяет скорость формирования паводка. Средняя продолжительность подъема паводков в бассейне Припяти составляет 16 сут, на остальных реках Беларуси ~11 сут. Существенны различия и между реками с разной площадью водосбора. На больших реках подъем может продолжаться по 3—4 недели и более.
Продолжительность (в среднем 21 сут) спада обычно больше продолжительности подъема паводка. Она также увеличивается на больших водосборах (в среднем 26) и уменьшается на малых (17). Нередко на спаде паводка выпадают осадки, тогда гидрографы паводков приобретают многовершинную форму. На реках в северной и западной частях страны время подъема заметно меньше, чем спада. В бассейне Днепра и Припяти форма паводков более симметричная.
ВРЕМЕННАЯ ПРИУРОЧЕННОСТЬ ДОЖДЕВЫХ ПАВОДКОВ
Изучена приуроченность наибольших в году дождевых паводков к определенным сезонам года за период инструментальных наблюдений на реках страны. При этом паводки были разделены на 3 группы по времени формирования: весенние (апрель—начало июня), летние (июнь—начало сентября) и осенние (сентябрь—ноябрь). Границы сезонов могут смещаться в зависимости от предшествующей гидрометеорологической ситуации.
Так, например, при продолжительном растянутом половодье в случае выпадения осадков н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.