Полуостров Ямал, расположенный на крайнем севере Западной Сибири, испытывает влияние многих негативных для инфраструктурных объектов физико-географических факторов, способствующих формированию в реках в многоводные дружные весны больших расходов воды, выходу их из берегов, подтоплению и затоплению обширных территорий, разрушению промышленных и хозяйственных объектов. При строительном проектировании и эксплуатации сооружений необходимо иметь надежные данные об элементах водного режима рек, в первую очередь, об их максимальном стоке. Однако, таких данных нет в достаточном количестве из-за отсутствия на полуострове стационарных стоковых пунктов гидрологических наблюдений. Имеющиеся данные получены экспедициями разных организаций, они кратковременные (в период меняющегося климата), приведение их к многолетнему периоду затруднено отсутствием рек-аналогов. Определение расчетных значений элементов половодья в пунктах наблюдений произведено в соответствии с нормативными документами, в случае получения сомнительных результатов, обусловленных особенностями формирования максимального стока, примененный способ расчета корректировался или использовался нестандартный подход. По расчетным значениям главных элементов половодья, слоя стока (h) и максимальных расходов воды (Q), исследованных рек получены связи между Q и h на конкретных гидрологических постах (ГП), их связи, а также отношения максимального модуля стока q1% к h1%, с площадью водосбора. На основании установленных закономерностей принята редукционная формула для расчета максимальных расходов воды различной обеспеченности неизученных рек полуострова, в которую входят, согласно нормативным документам, слой стока и коэффициент дружности половодья K0.
Приводится редукционная формула для расчета Q в монографии «Гидрология заболоченных территорий зоны многолетней мерзлоты Западной Сибири». Она отличается от вида формулы, рекомендованной нормативными документами: произведение параметров K0·h заменено на элементарный максимальный модуль стока 1%-ной обеспеченности. Формула недостаточно обоснована данными наблюдений, рассматриваются причины этого.
Для расчета h и Q различной обеспеченности с использованием кривых обеспеченности определены региональные значения коэффициентов вариации (Cv) и отношения Cs/ Cv (Cs – коэффициент асимметрии).
Находящийся на крайнем севере Западной Сибири, полуостров Ямал богат нефтью и газом, его интенсивное освоение началось с 90-х гг. XX века. Из неблагоприятных физико-географических условий, которым подвергаются здесь хозяйственные объекты, особое место принадлежит рекам. В многоводные дружные весны они выходят из берегов и вызывают подтопление и затопление обширных территорий, нарушают работу и вызывают разрушение промышленных и хозяйственных объектов. Для уменьшения и предотвращения подобных последствий при строительном проектировании и эксплуатации объектов необходимо иметь надежные данные о водном режиме рек, в первую очередь об их максимальном стоке. Однако и к настоящему времени таких данных набирается недостаточно. Причиной этого является отсутствие на Ямале и на соседних Гыданском и Тазовском полуостровах стационарных пунктов гидрологических наблюдений (гидрологических постов, ГП) на реках со стоком, формирующимся в пределах зоны тундры. До 1990 г. на юго-западе тундры Западной Сибири действовало три стоковых ГП (позже – два, из них один на р.Щучьей). Сток этих рек не вполне характерен для полуострова. Имеющиеся данные наблюдений получены экспедициями разных организаций, но они эпизодические, кратковременные, не охватывающие, как правило, основную фазу водного режима рек – весенне-летнее половодье. В связи с этим рекомендации по определению главных характеристик половодья, слоя стока (h) и максимальных расходов воды (Q) неизученных рек полуострова основывались первоначально на данных изученных рек соседних территорий, имеющих существенно иные условия формирования стока [Водогрецкий, 1973].
Первые рекомендации, разработанные на основании наблюдений на реках полуострова, опубликованы в работе [Москвин, Багров, 1990] для малых рек южной части полуострова, позже – в работе [Василенко, 1999] для малых рек Центрального Ямала, а затем – в работе [Новиков, 2009] для рек всего полуострова. В названных работах предложены формулы для расчета Q. Они основаны на ограниченном исходном материале – только на наблюдениях на малых водотоках с площадью водосбора A ≤273 км2. В работе 2009 г. в редукционную формулу, принятую нормативными документами в качестве основной для расчета максимальных расходов воды неизученных равнинных рек, внесены изменения: часть параметров заменена на другие.
В предлагаемой статье анализ и обобщение материалов выполнены с использованием большего числа пунктов наблюдений на реках от малых до крупных для полуострова Ямал. Дополнительно проанализированы данные предыдущих экспедиционных исследований.
В выводах и рекомендациях обоснована правомерность построения для полуострова редукционной формулы для расчета максимальных расходов воды в зависимости от h и К0. При анализе исходной гидрометеорологической информации использованы и обоснованы некоторые нестандартные подходы к обработке и обобщению материалов наблюдений. Однако, как указано выше, гидрологическая изученность территории полуострова остается слабой, требуется организация стационарных ГП на характерных реках.
На реках полуострова Ямал до 90% годового стока проходит в период весенне-летнего половодья. Расчет главных элементов половодья, слоя стока (h) и максимальных расходов воды (Q) при отсутствии наблюдений в расчетном створе основывается на изучении процесса их формирования и установлении основных стокоформирующих факторов, влияние которых учитывается соответствующими параметрами расчетных формул. В условиях участившихся в последние десятилетия проявлений стихийных аномальных по размеру и продолжительности значениях речного стока, возросла ответственность инженеров-гидрологов за правильность расчетных значений характеристик половодий и паводков.
В отечественной гидрологии с 1972 г. в соответствии с «Указаниями по определению расчетных гидрологических характеристик» (СН 435-72) в качестве основного метода определения максимальных расходов воды весеннего половодья неизученных равнинных рек принята следующая редукционная формула:
Рис. 1. Схема расположения гидрологических стационаров и постов экспедиций ФГБУ «ГГИ», действующих метеорологических станций Росгидромета. Обозначения: 1 — граница тундры; 2 — северная граница лесотундры; 3 — гидрологический стационар; 4 — гидрологический пост; 5 — метеорологическая станция. Цифры рядом с условными знаками 3-4 – номера гидрологических постов по табл. 1
Рис. 2. Зависимость максимальных расходов воды весенне-летнего половодья от слоя стока. Обозначения: 1 – р. Щучья — пос. Щучье (R = 0,82); 2 – руч. Осоковый (R = 0,98); 3 – р. Ярапензя (R = 0,77); 4 – р. Пя-Седей-Яха (R = 0,89); 5 р. Се-Яха — 30 км выше устья (зависимость среднесуточных расходов воды, R = 0,75) (шкалы горизонтальной оси даны разные для разных зависимостей)
На ГП р. Сё-Яха – 30 км выше устья прослеживается связь максимальных среднесуточных расходов воды со слоями стока основных волн половодья, характеризующаяся коэффициентом R = 0,75. Связь мгновенных Q с h всего половодья неудовлетворительная, рассеяние точек на ней обусловлено тем, что в условиях сильной извилистости русла реки (коэффициент извилистости – 3,0), больших размеров (до 200 м) плывущих в половодье льдин выше и ниже ГП образуются заторы льда и плотного снега. Места и размеры заторов в разные годы могут меняться, поэтому их резкий прорыв увеличивает мгновенные Q в повышенно разной степени. С прорывом заторов могут совпадать прорывы снежных перемычек в оврагах.
Тесная связь между Q и h, R = 0,82, существует на ГП р. Щучья – пос. Щучье, хотя значительно отклоняется от остальной, 28-летней, массы точек высокий Q 1958-го г. (рис. 2). Для равнинной части бассейна этой реки приемлемая связь (с R = 0,70) рассматриваемых характеристик прослеживается лишь при использовании 90% имеющихся на графике точек (17 из 19), но неучет двух точек не изменяет положения линии связи, проведенной по всем точкам.
Наличие удовлетворительных связей Q с h половодья обеспечивает получение обратным путем из формулы (1) достаточно надежных значений К0 для рек полуострова. До последнего времени оно принималось равным преимущественно 0,007 по данным рек-аналогов соседних с Ямалом южных районов. Для малых рек южного Ямала рекомендовалось значение 0,006, но реки с наиболее продолжительными экспедиционными наблюдениями имеют более высокие значения К0: Пухуча-Яха – 0,0076; р. Сё-Яха – 30 км выше устья, руч. Основной – 0,02 км ниже устья руч. Антропогенного и р. Ярапензя в 1984 и 1989 гг. (при Q обеспеченностью соответственно 4 и 3%) – 0,007; р. Морды-Яха – 8 км ниже устья р. Сё-Яха – 0,0065; в гипотетическом створе, объединяющем водосборы трех ГП на рядом расположенных реках Пахуча-Яха, Нгарка-Хасуй-Яха и руч. Безымянном (суммарная А ≤ 422 км2), вычисленное с использованием средневзвешенных значений Q и h обеспеченностью 1%, К0 = 0,0079.
Таким образом, на пяти реках полуострова и гипотетическом створе, в значительном диапазоне площадей водосборов, от 0,98 до 7640 км2, значения К0 при Q и h 1%-ной обеспеченности находится около значения 0,007 или несколько превышают его. Учитывая сложные условия формирования максимального стока рек Ямала, относительно короткие ряды наблюдений, важность хозяйственного освоения территории, обоснованным является принятие в качестве расчетного значения К0, равного 0,007, с тем, чтобы иметь некоторое гарантированное превышение расчетного Q по сравнению с получаемым при использовании К0 < 0,007. Возможность принятия наибольшего значения К0 предусматривается в документе «Пособие по определению основных расчетных гидрологических характеристик».
Параметры формулы (1) n и А1 получены автором статьи равными, соответственно, 0,17 и 1 по районной для полуострова Ямал зависимости lg(q1%/h1%) = f(lgA) (рис.3). Аналогичные значения рекомендовались для зоны тундры и раньше, согласно документу «Пособие по определению основных расчетных гидрологических характеристик», но по данным рек других регионов. Зависимость проведена с использованием данных относительно однородной совокупности модулей q1%, без учета данных ручьев Безымянного и Овражного, имеющих, как уже указывалось, аномально низкие q1%, а также без данных р. Недарма-То-Сё, максимальный сток которой формируется водами рек Морды-Яха и Сё-Яха. Коэффициент корреляции связи R = 0,92, уравнение:
. (3)
С использованием данных q1% указанных ручьев коэффициент связи R равен 0,87, параметр n = 0,15.
Коэффициенты δ и δ2 равны 1, поскольку небольшие проточные озера, а также болота промерзают и на весенний сток не влияют; δ1 и δ3 также равны 1, так как лес и распашка речных водосборов отсутствуют.
В итоге расчетная формула (1) для рек полуострова Ямал упрощается и принимает вид:
. (4)
Получена также районная зависимость максимального модуля q1% от площади водосбора, имеющая вид:
, (5)
и характеризующаяся параметром n, равным 0,17.
Расчетный слой суммарного весенне-летнего стока различной обеспеченности hp% определяется в зависимости от среднемноголетнего слоя стока половодья h0, коэффициента Cv и соотношения Cs/Cv – по данным закрытых ГП на реках-аналогах полуострова, а h0 – также по карте [Новиков, 2009]. Параметр h0, а также h1%, не зависят от площади водосбора. Значение h0 изменяется от 190 мм в центральной возвышенной части полуострова до 220-250 мм в прибрежных районах, слой половодья 1%-ной обеспеченности – соответственно от 320 до 400 мм. Коэффициенты Cv составляют 0,17-0,23, на ГП р. Щучья — пос. Щучье и равнинной части ее бассейна – 0,25 и 0,26. Отношения Cs/Cv слоя стока половодья малых рек колеблются от -6,0 до 6,7, на р. Щучьей составляют 3,0-4,0. В качестве районных принимаются средние положительные значения Cv и Cs/Cv, определенные для каждой группы исследованных рек (табл. 2). Приведенное в таблице деление рек (условное) на малые (A < 1000 км2) и большие (A > 5000 км2) принято автором, как и в [Сиско, 1977]; дополнительно выделены очень малые водотоки (A < 50км2). Принятие положительных значений Cs/Cv гарантирует получение расчетных значений h от занижения в зоне малых обеспеченностей.
Рис. 3. Графики
для рек полуострова Ямал и прилегающей южной тундры.
Расчет характеристик максимального стока неизученных рек полуострова, имеющих особенности в строении бассейна и русла, обоснованнее производить, используя не районные значения параметров стока, а конкретную реку (реки) со сходными характеристиками гидрографической сети, обусловливающими, например, отрицательные значения Cs/Cv кривых обеспеченности слоя стока половодья.
В [Новиков, 2009] предлагается определять значения hp% по формуле:
, (6)
в которой h1% принимаются равными для южной части полуострова 395 мм, для средней и северной частей – 350 мм, это средние значения для водотоков соответственно Новопортовского и Бованенковского стационаров; лp% — переходный коэффициент от p = 1% к p ? 25%. Принятие постоянных значений h1% противоречит приведенной в работе карте h1%, так как водоток, сток которого надо определить, может находиться в зоне изолиний h1%, существенно отличающихся от рекомендуемых значений.
Применение для расчета Q весенне-летнего половодья формулы (4) предпочтительнее, чем формулы (2), поскольку она получена с использованием большего объема исходной информации (табл. 3) и на основании полученных удовлетворительных связей Q = f(h) и
. Входящий в (4) коэффициент дружности половодья К0 определяется по формуле (7)
K0=qp%(A+A1)n/(hp%μp%δδ1δ2δ3). (7)
Коэффициентами дi учитывается влияние на него соответствующих характеристик водосбора, а через параметр A, косвенным образом, также длина, уклон реки, а следовательно, время добегания потока к расчетному створу (площадь водосбора является интегралом ряда стокообразующих факторов). Значение К0 в конкретном гидрологическом районе, в конкретный год, более устойчиво по территории, чем параметр A*1%. Это обусловлено тем, что K0, как отношение qp% к hp%, определяет однообразную форму гидрографа (например, высокую и относительно узкую или пониженную растянутую) на всех реках района, независимо от различия характеристик их водосборов. Слой стока половодья h, как продукт метеорологических факторов максимального стока, более плавно, чем А*, меняется по территории.
За счет повышенного в формуле (4) значения n линия регрессии 1 на рис. 3 проходит круче, увеличивая тем самым значения Q малой обеспеченности, предотвращая их занижение.
Таблица 3. Количество и размер объектов, данные наблюдений на которых использованы при установлении параметров, входящих в формулы (2) и (4)
Примечание: на р. Надуй-Яха наблюдения проводились один год.
Заключение
Совместным анализом данных относительно продолжительных комплексных исследований 14-ти рек и малых водотоков полуострова Ямал двумя экспедициями ФГБУ «ГГИ» и двух рек прилегающей южной тундры на ГП государственной сети наблюдений, с привлечением многолетних данных наблюдений на метеостанциях, получены многолетние характеристики максимального стока весенне-летнего половодья рек территории в большом диапазоне площадей водосборов, от малых до больших для полуострова. Используя их, установлены закономерности формирования слоя стока и максимальных расходов воды половодья: зависимости Q = f(h), lgq1% = f(lgA), lg(q1%/h1%) = f(lgA) и другие. На их основании получен вид редукционной формулы для расчета максимальных расходов воды неизученных рек полуострова (формула (4)), в которую входят слой стока половодья h и коэффициент дружности половодья К0, а параметр n = 0,17. Формула более обоснована данными наблюдений, чем предложенные ранее, ее следует использовать для расчетов.
Получены районные значения параметров кривых обеспеченности Cv и Cs/Cv слоя стока и максимальных расходов воды рек разных размеров и ручьев в зависимости от их местонахождения на полуострове.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку