ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 5, с. 476-491
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 539.1
ОЦЕНКА ПРОТИВОПАВОДКОВОГО ЭФФЕКТА ДЕЙСТВУЮЩИХ И ПЛАНИРУЕМЫХ ВОДОХРАНИЛИЩ В БАССЕЙНЕ СРЕДНЕГО АМУРА НА ОСНОВЕ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
© 2015 г. Ю. Г. Мотовилов*, В. И. Данилов-Данильян*, Е. В. Дод**, А. С. Калугин*
*Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: motol@pochta.ru **ОАО "РусГидро" 127006Москва, ул.Малая Дмитровка, 7 Поступила в редакцию 13.10.2014 г.
Предложена технология гидроинформационной поддержки управления риском наводнений, основанная на использовании физико-математических моделей формирования речного стока и движения воды в речной системе в сочетании с базами данных гидрометеорологической, водохозяйственной и картографической информации, системами управления этими базами. Рассмотрены результаты применения указанной технологии для оценки противопаводковой функции действующих и планируемых водохранилищ на реках Зея и Бурея, эффекта регулирования стока этими водохранилищами, направленного на снижение риска наводнений на 850-километровом участке Среднего Амура.
Ключевые слова: Амур, паводок, моделирование, действующие и планируемые водохранилища, противопаводковые емкости, эффекты регулирования стока.
DOI: 10.7868/S032105961503013X
Наводнение, вызванное катастрофическим паводком на Амуре в 2013 г., стало одним из наиболее масштабных стихийных бедствий XXI в. по продолжительности, площади распространения, числу пострадавших и экономическому ущербу. Катастрофические последствия этого наводнения стимулировали ряд организационных мероприятий по государственной поддержке и долговременным инвестициям в научные исследования этих экстремальных природных явлений с целью создания научно-обоснованной стратегической программы защиты от наводнений во всех паводкоопасных регионах России. Разработка такой программы должна быть связана с оценками опасности и риска наводнений, управления риском для паводкоопасных участков речных систем, а ее реализация должна включать в себя, в первую очередь, планирование и разработку структурных мероприятий по защите населения и объектов экономики, в том числе создание водохранилищ с резервными противопаводковыми емкостями, строительство дамб на паводкоопас-ных участках и т.п. Разработка таких мероприя-
тий должна опираться на современные неструктурные меры по прогнозированию наводнений, оценке их риска и масштабов с учетом возможных изменений климата и хозяйственной деятельности в речном бассейне. Инструментальной основой указанных технологий могут стать физико-математические модели гидрологических процессов в речных бассейнах в совокупности с современными средствами информационного и технологического обеспечения этих моделей (базы данных гидрометеорологической информации, тематические цифровые электронные карты и космические снимки различного пространственного разрешения, средства управления базами данных и геоинформационной обработки пространственной информации и т.д.) [1, 2].
Интенсивные исследования Амурского наводнения вызвали, начиная с 2014 г., нарастающий поток научных публикаций, в которых рассматриваются основные факторы формирования катастрофического наводнения в бассейне Амура в июле—сентябре 2013 г. [1, 3, 5, 7], даются оценки
Рис. 1. Расположение действующих (черные круги), планируемых и строящихся (серые) гидроузлов в бассейнах рек Зея и Бурея.
повторяемости характеристик паводка [1, 7], исследуется роль Зейского и Бурейского водохранилищ в снижении паводковой опасности на участке Среднего Амура [4, 5, 7]. В работах [1, 2] впервые оценено влияние регулирования этими водохранилищами паводка 2013 г. на водный режим рек с помощью физико-математической модели формирования стока ЕСОМАG [8] и одномерной гидродинамической модели движения воды в речной системе.
В настоящей статье показаны возможности применения этих моделей для оценки влияния действующих и планируемых водохранилищ в бассейнах рек Зея и Бурея на снижение опасности наводнений на Среднем Амуре (рис. 1).
ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ
СТОКА ДЕЙСТВУЮЩИМИ ВОДОХРАНИЛИЩАМИ В БАССЕЙНАХ РЕК ЗЕЯ И БУРЕЯ НА ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ В ИХ УСТЬЯХ
Расчеты стока в бассейнах Зеи и Буреи, численные эксперименты по оценке влияния действующих и планируемых водохранилищ на гидрологический режим в устьях этих притоков Амура проводились по модели формирования стока ЕСОМАG. Калибровка параметров модели для водосбора р. Зеи в его горной части до Зейского гидроузла (г/у) проводилась по данным наблюдений за период 2000—2009 гг., а для водосбора р. Буреи до Бурейского г/у — за период с 2005 (после наполнения чаши водохранилища) по 2009 г. Проверка на независимых годах для обоих водо-
Таблица 1. Результаты испытаний модели ECOMAG в бассейнах рек Зеи и Буреи по критерию соответствия
2
Нэша—Сатклифа
Река, объект S
Калибровка 2000 (для Буреи 2005) - 2009 гг. Валидация 2010-2013 гг.
р. Зея, приток в Зейское водохранилище 0.72 0.80
р. Зея, г/п Белогорье 0.79 0.86
р. Бурея, приток в Бурейское водохранилище 0.80 0.80
сборов проводилась за период 2010—2013 гг. [1, 2]. В табл. 1 приведены значения критерия Нэша—Сатклифа ^ S соответствия рассчитанных и фактических гидрографов для этих объектов (отметим,
что чем ближе ^ S к единице, тем выше точность моделирования).
Для уточненной оценки параметров модели формирования стока в более равнинной части бассейна р. Зеи ниже Зейского г/у для калибровки параметров модели были также привлечены данные наблюдений за стоком на г/п Белогорье, находящемся на приустьевом участке р. Зеи. Из табл. 1 видно, что результаты испытаний модели в бассейнах Зеи и Буреи в большинстве случаев показывают хорошие оценки качества моделирования (^ S > 0.75). Кроме того, на рис. 2а показаны фактический и рассчитанный гидрографы стока на г/п Белогорье за паводковый период 2013 г., из которого видно их близкое соответствие как по
форме, так и по экстремальным значениям (^ S = = 0.93). Можно лишь отметить, что время фактического наступления основных пиков расходов воды в сентябре 2013 г. сдвинуто на 2 дня позже по сравнению с модельными величинами, что, по-видимому, объясняется увеличением коэффициента шероховатости русла при выходе воды на пойму, что не учитывается в данной версии подмодели руслового стекания модели БСОМАО.
Кроме принятого в гидрологии критерия соответствия рассчитанных и фактических гидрографов Нэша—Сатклифа для водохозяйственных расчетов важно оценить соответствие рассчитанных и фактических объемов притока воды к водохранилищам, осредненных за более длительные временные интервалы. Поэтому в работе [2] для Зейского и Бурейского водохранилищ были построены графики связи рассчитанных и фактических объемов притока воды к водохранилищам по месяцам и кварталам и оценена степень тесноты этих связей с помощью корреляционного отно-
шения Я2, меняющегося от 1 (функциональная связь) до 0 (отсутствие связи). Значения корреляционного соотношения линейной связи рассчитанных и фактических объемов притока составили соответственно 0.92 и 0.96 для Зейского водохранилища и 0.91 и 0.93 для Бурейского, что также свидетельствует об удовлетворительном соответствии результатов моделирования фактическим данным.
На рис. 2 показаны также результаты двух численных экспериментов по оценке влияния регулирования стока Зейским и Бурейским г/у на изменение гидрографов и на снижение максимальных расходов в устьях этих рек. В первом эксперименте моделирование гидрографа стока в устьях Зеи и Буреи выполнялось с учетом фактических сбросов из водохранилищ; во втором — в створах Зейского и Бурейского г/у в качестве сбросов задавался гидрограф притока воды к водохранилищам, т.е. задавался гипотетический сценарий отсутствия Зейского и Бурейского водохранилищ. На рис. 2 хорошо видна противопаводковая функция регулирования этих водохранилищ в 2013 г.
Следует обратить внимание на то, что гидрограф стока в устье р. Зеи, рассчитанный по сценарию 2, имеет три примерно равнозначных пика: 7, 11 и 20 августа 17.0—17.5 тыс. м3/с. Гидрограф стока, рассчитанный по сценарию 1 при фактических сбросах из Зейского водохранилища, имеет два неравноценных пика 12 и 21 августа, первый из которых ниже — 12.5 тыс. м3/с (по факту 13.8 тыс. м3/с), а второй, основной, выше — 14.6 тыс. м3/с (по факту 14.3 тыс. м3/с).
Более детальный анализ результатов расчетов показал, что пик 7 августа в устье р. Зеи по сценарию 2 обусловлен, главным образом, обильными осадками и пиком максимального притока в Зей-ское водохранилище (11.7 тыс. м3/с) в самом начале августа (01.08.2013), прохождением и распластыванием этой волны паводка по руслу
О, м3/с 20000
16000
12000 -
8000 -
4000 -
(а)
V
VI
VII
VIII
IX
10000
8000
6000
4000
2000
(б)
2--
VIII
--3
IX Месяцы
0
Рис. 2. Фактический (1) и рассчитанные гидрографы стока в устьях рек Зея (а) и Бурея (б) в 2013 г. с учетом (2) и без учета (3) регулирования водохранилищ.
р. Зеи. Ввиду значительной срезки этого пика притока Зейским г/у (на 01.08.2013 срезка составила ~10 тыс. м3/с) на гидрографе стока, рассчитанном по сценарию 1, этот пик вообще не проявляется. Причем разница в расходах, рассчитанных по двум сценариям, на 7 августа составила ~7.5 тыс. м3/с.
Расчеты показали, что формирование максимальных расходов в устье р. Зеи в период прохождения пика 12 августа было обусловлено обильными осадками, в особенности в западной и южной частях бассейна, в результате чего сформировались максимумы на гидрографах стока небольших южных притоков р. Зеи. Максимальная разница
расходов воды в устье Зеи, рассчитанных на эту дату по двум сценариям, составила 5.1 тыс. м3/с.
На формирование основного пика гидрографа стока (21 августа), рассчитанного по сценарию 1, оказало влияние как общее увеличение водности рек за счет выпавших осадков, так и повышенные сбросы из Зейской водохранилища. Но основную роль сыграло совпадение по времени этих факторов с прохождением пика волны паводка на р. Се-лемдже. Разница в максимальных расходах воды по двум сценариям в устье р. Зеи
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.