УДК 556.043
Автоматизированная система обобщения основных гидрологических характеристик в пунктах гидрометрических наблюдений за многолетний период
А. В. Кокорев*, А. В. Рождественский
А. Г. Лобанова*
Рассмотрена новая автоматизированная система инженерных гидрологических расчетов, предназначенная для обобщения данных гидрологических наблюдений за многолетний период и использования в практике строительного проектирования, а также при решении разных гидрологических задач инженерной гидрологии. Большое внимание уделено расчету кривых обеспе-ченностей по неоднородным данным гидрометрических наблюдений и с учетом исторических сведений о выдающихся значениях гидрологических характеристик, оценке случайных и систематических погрешностей определения выборочных параметров и, что особенно важно, расчетных квантилей. Методология, заложенная в основу автоматизированной системы, полностью соответствует нормативному документу СП 33-101-2003 "Определение основных расчетных гидрологических характеристик ".
Введение
Создание автоматизированной системы обобщения гидрометеорологической информации предполагает два последовательных этапа:
— разработку программного комплекса, обеспечивающего статистические расчеты многолетних колебаний гидрологических характеристик в пунктах гидрометрических наблюдений за многолетний период;
— разработку программного обеспечения для пространственного обобщения гидрометеорологической информации, в том числе с использованием географических информационных систем (ГИС) и региональных зави-си мос тей.
В настоящей статье рассмотрена первая задача автоматизации инженерных гидрологических расчетов по данным в пунктах гидрометрических на блюде ний.
Постановка задачи
Непрерывное совершенствование методов гидрологических расчетов вызывает необходимость в регулярном пересмотре и совершенствовании комплекса вычислительных программ статистической обработки гидроло-
* Государственный гидрологический институт; e-mail: lobanovaantonina@mail.ru.
гической информации, поэтому возникла необходимость в создании нового вычислительного комплекса программного обеспечения инженерных гидрологических расчетов.
Рассмотрим основные трудности использования существующей автоматизированной системы статистической обработки гидрологической информации в пунктах гидрометрических наблюдений за многолетний период и преодоление этих трудностей в новом комплексе вычислительных программ.
Вычислительные программы по учету выдающейся гидрологической информации при построении кривых обеспеченностей отсутствуют. Как правило, эта информация содержит сведения о катастрофических гидрологических явлениях и поэтому является наиболее ценной при определении расчетных гидрологических характеристик. Это относится в первую очередь к построению эмпирических и аналитических кривых обеспеченностей, учитывающих несколько выдающихся значений максимальных расходов и уровней воды, наблюдавшихся за пределами или в пределах данных наблюдений. Так, учет катастрофического максимального расхода воды в предгорной части бассейна р. Кубань в 2002 г., который отмечался в период регулярных наблюдений, и учет максимальных уровней воды на р. Лена у городов Ленск и Якутск за пределами регулярных наблюдений позволили достичь вполне удовлетворительного согласования эмпирических и аналитических кривых обеспеченности. При отсутствии программного обеспечения учет исторической информации вызывал большие трудности при инженерных гидрологических расчетах.
При визуальном подборе отношения коэффициента асимметрии к коэффициенту вариации СУСу, наилучшим образом соответствующего эмпирическим данным в верхней части кривой обеспеченности при оценке максимальных расходов воды, в нижней части кривой обеспеченности часто, наоборот, ухудшается согласование эмпирических и аналитических кривых обеспеченностей. Это, скорее всего, косвенно указывает на возможную неоднородность рядов больших и малых максимальных расходов и уровней воды. В новом комплексе вычислительных программ этой ситуации можно избежать путем усечения в любом месте кривой обеспеченности вверх и вниз от заданного значения обеспеченности, что реализует принцип наименьших квадратов отклонения (по ординате или абсциссе) эмпирической кривой обеспеченности от аналитической.
При оценке параметров и квантилей распределения случайные погрешности исходных данных нередко оказывают систематическое влияние на их значения [3]. Вместе с тем в существующих пакетах вычислительных программ погрешности не рассчитываются. Оценки случайных и систематических погрешностей, выполненные во всем диапазоне изменения гидрологических характеристик [19, 20], позволяют более точно осуществлять их расчет, что реализовано в предлагаемом программном комплексе. Кроме того, сведения о случайных погрешностях выборочных параметров и квантилей необходимы в последующем анализе полученных результатов расчета. Без сведений о случайных средних квадратических погрешностях выборочных параметров и квантилей невозможно использовать расчеты по совокупной оценке расчетных гидрологических характеристик, получен ных с помощью раз ных ме тодов.
Составные кривые обеспеченности используются при неоднородности формирования разных гидрологических характеристик [6]. К числу причин, вызывающих неоднородность данных гидрометрических наблюдений, относятся и формирование максимальных расходов воды талого и дождевого стока, и формирование минимальных расходов воды летней и зимней меженей, и влияние бессточных понижений местности в степных и полупустынных районах СССР (России), а также многие другие причины [6]. При статистической обработке неоднородных данных гидрологических характеристик необходимо их разделение на однородные совокупности с последующей статистической обработкой известными методами и получением итогового расчета, основанного на совокупности данных расчета всех неоднородных совокупностей. В новом комплексе вычислительных программ это обстоятельство учитывается.
Необходимость выполнения нового полномасштабного цикла работ по обобщению гидрологической информации, накопленной к настоящему времени, не вызывает сомнений [24]. Актуальность этой задачи обусловлена также общей активизацией хозяйственной деятельности в России и появлением многочисленных крупных проектов, особенно при расчетах перехода разного рода труб для транспортировки нефти и газа через реки. Однако в современных условиях выполнение работ по обобщению накопленных гидрологических данных немыслимо без применения специализированных компьютерных программ.
Новая автоматизированная система обобщения гидрологической информации в пунктах гидрометрических наблюдений может применяться в территориальных УГМС Росгидромета. Наличие такого программного комплекса позволит УГМС в дальнейшем регулярно (раз в пять лет и всякий раз при прохождении катастрофических гидрологических явлений) корректировать результаты обобщений с использованием данных наблюдений за последние годы. В этом случае УГМС получат также возможность уверенно осуществлять инженерные гидрологические расчеты для решения практических задач в области строительного проектирования, водопользования и водоохранных мероприятий при минимальных затратах труда. Не вызывает сомнений, что качество выполняемых гидрологических расчетов улучшится, а значит увеличится и надежность гидрологического обоснования разрабатываемых проектов.
В современных условиях решение этой общей задачи предполагает три основ ных направле ния ра бот:
— создание электронных архивов записи многолетних рядов гидрологических характеристик, включающих в полном объеме накопленную к настоящему времени гидрологическую информацию, объем которой в среднем по сети увеличился по сравнению с периодом последних выполнявшихся обобщений более чем в два раза;
— апробацию и систематическое применение новейших методов расчета гидрологических характеристик в пунктах гидрометрических наблюдений;
— создание, апробацию и систематическое использование программных средств, автоматизирующих выполнение гидрологических расчетов в полном соответствии с современными методами.
Принятая при программировании методология
Современная методология пространственно-временного обобщения гидрологической информации, подлежащая реализации в виде автоматизированной компьютерной технологии, изложена в нормативном документе СП 33-101-2003 [12], а также в серии методических рекомендаций по определению расчетных гидрологических характеристик при наличии [7], недостаточности [8, 21] и отсутствии данных гидрометрических наблюдений [9, 16] в исследуемом пункте, а также в методических рекомендациях по оценке однородности данных гидрологических наблюдений [6]. До настоящего времени не потеряли методологической ценности и ранее изданные документы [5, 10, 11, 14]. Кроме того, имеются научно-методические разработки, внедрение которых способно существенно усовершенствовать методику расчетов, но не имевшие ранее широкого применения вследствие своей сложности и практической недоступности для реализации вручную [18, 19].
Особенности нового комплекса вычислительных про грамм
При создании современного комплекса вычислительных программ статистической обработки гидрологической информации в пунктах гидрометрических наблюдений за многолетний период учитывался опыт разработки и многолетнего практического использования предшествовавших версий программ аналогичного назначения. К ним относятся пакет DOS программ DASHCA включая программы OSA, MSA [4] и другие, разработанные в лаборатории расчетов стока ГГИ, а также Windows программы Frequency и CorRows, разработанные ранее в ВФ ГГИ и включенные в пакет программ HydroNet2004.
С учетом опыта применения предшествовавших программ в представляемой разработке значительно упрощены правила подготовки исходной информации для выполнения расчетов. Все операции по подготовке данных выполняются с помощью программы Excel, а требования к ним легко осваиваются пользователями и не предполагают специальной подготовки в области информатики. Все записи результатов расчета производятся в текстовые файлы,
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.