Расчет основных характеристик весеннего стока южных притоков реки Урал в пределах Республики Казахстан

Представлены результаты расчета слоя весеннего стока и максимального расхода воды южных притоков реки Урал. Характеристики стока приведены в многолетний период и статистические параметры определены по трем периодам. Произведена оценка точности расчета параметров годового стока.

Ключевые слова: слой весеннего стока, максимальный сток, уравнение регрессии, метод аналогии, статистические параметры, разностная интегральная кривая.

Река Урал является одной из рек, которая преимущественно питается талыми водами. Годовой сток состоит из 70–80 % весеннего стока реки. В это время уровень воды поднимается до 2–2,5 метров. Главной особенностью Урала является высокая изменчивость стока. Общий сток Урала может быть в несколько раз больше в многоводный год, чем в маловодный.

Основные южные притоки реки Урал — Чаган, Чижа-1, Чижа-2, Деркул. Эти притоки по месту расположения считаются равнинными. В настоящее время на этих реках действуют 5 гидрологических постов, где ведутся наблюдения за расходами воды. Характеристики годового стока этих рек изучены в 70-е годы прошлого века [5]. Эти материалы нуждаются в уточнении с учетом данных последних лет и влияния возможных изменений климата, хозяйственной деятельности в бассейне. Даже с учетом данных наблюдений последних 30–35 лет фактический ряд недостаточен для оценки параметров стока с требуемой точностью, поэтому характеристики стока необходимо привести к многолетнему периоду [3,4].

Исходные данные ирезультаты исследования. Для определения статистических характеристик весеннего стока реки Урал выбран расчетный период. На основе анализа разностных интегральных кривых слоя весеннего стока реки Урал у пяти пунктов выбраны годы с 1940 по 2015 г.

Восстановление рядов годового стока произведено методом аналогии с использованием уравнения регрессии. Реки-аналоги выбраны в соответствии с требованиями, принимая R_кр>0,70 [3,4].

Также, весенний сток за годы отсутствия восстановлен по данным годового стока данных рек. Таким образом, значения R в пяти пунктах — соответственно составляет 70–95 (рисунок 1).

Рис. 1. График связи между а — слоем весеннего стока и среднегодовым расходом воды h=f(Q_ср), б — максимальным стоком и слоем весеннего стока Q_max=f(h)

, (1)

где R-коэффициент парнойкорреляции, n-число лет совместных наблюдении.

Показатель эффективности характеризует процент уменьшения среднего при приведении ряда к периоду N.

Показатель эффективности приведения коэффициента вариации к многолетнему периоду определяется по аналогичной формуле

. 100 % (2)

Показатель эффективности К характеризует процент уменьшения погрешности среднего и коэффициента вариации при приведения ряда к многолетнему периоду.

По результатам расчетов показатель эффективности нормы стока — 97–76 %, коэффициента вариации — 77–56 %.

Из-за забора воды для нужд различных отраслей экономики с 1974 года, сток южных притоков реки Урал считается зарегулированным [1]. Поэтому характеристики весеннего стока определены в трех вариантах: по данным фактических наблюдений, за многолетний период 1940–2015 гг., и за последний сорокалетний период с 1974 по 2015 гг.

Результаты расчета характеристик весеннего стока реки Урал по трем пунктам представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Таблица 2

Характеристики слоя весеннего стока южных притоков р.Урал

Анализ результатов, приведенных в таблице 1, показывает существенные изменения максимального стока. Так, норма слоя весеннего сток за 1940–1974 г у р.Чижа-1 — с.Чижа-1 составил 40,2 мм, а за 1975–2015 составил 35,1 мм. Из сопоставления значений весенних стоков, видно их снижение на 12,8 %.

А у р.Чижа-2 — с.Чижа-2 весенний сток за 1940–1974 г составил 56,7 мм, за 1975–2015 г 58,5 мм. Из сопоставления значений двух периодов, можно заметить, что норма слоя весеннего стока, наоборот увеличилась на 3,2 %.

Норма слоя весеннего стока за 1940–1974 г у р.Чаган — с.Чувашинское равна 53,6 мм, а за период с 1975 по 2015 г — 45,4 мм. Величина слоя весеннего стока за последние сорок лет уменьшилась на 15,3 %.

Также, норма весеннего стока за 1940–1974 г. у р.Деркул — с.Каменка и р.Деркул-с.Белес составил 114,6 мм и 41,8 мм, а за 1975–2015 г. составил 64,3 мм и 38,2 мм. Значения нормы весеннего стока уменьшились на 43,4 % и 8,7 %.

Среднее многолетнее значение максимальных расходов за 1940–1974 у р.Чижа-1 — с.Чижа-1 составил 78,8 м³/с, а за 1974–2015 г. его величина уменьшилась до 52,6 м³/с. Из сопоставления значений максимальных расходов видно снижение на 33,2 %.

Аналогичная картина наблюдается на р.Чижа-2 — с.Чижа-2. Максимальный сток за естественный период с 1940 г. по 1974 г. составил 72,8 м³/с, а с 1974г. по 2015 г. он уменьшился до 62,8 м³/с. Из сопоставления значений максимальных расходов видно снижение на 13,7 %.

Максимальный сток р.Чаган — с.Чувашинское получился почти в два раза меньше, чем ранее определенные значения. То есть, за 1940–1974 г. многолетнее значение максимального расхода составил 406,9 м³/с, за 1974–2015 г. составил 212,7 м³/с. Значение максимального расхода уменшилось до 47,7 %.

Случайные средние квадратические ошибки выборочных средних определены по зависимости:

, (3)

которая применяется при коэффициенте автокорреляции между смежными членами ряда r < 0,5. Как правило, для рядов годового стока r=0,2–0,3.

Анализ согласия эмпирических и аналитических функций распределения показал, что распределение характеристик весеннего стока большинства рек соответствует кривой обеспеченности Крицкого — Менкеля при Cs = 2Cv, поэтому средние квадратические ошибки коэффициентов вариации определены по зависимости [2,6]:

(4)

Интерес представляет точность оценки нормы и коэффициента вариации стока, приведённого к многолетнему периоду.

По результатам расчетов показатель средней квадратической ошибки коэффициента годового стока — 10–14 %, коэффициента вариации — 11–13 %.

При оценке точности расчета нормы и коэффициента вариации стока учтен объем эквивалентной информации [3].

Выводы. Таким образом, в расчетных створах наблюдений за стоком южных притоков реки Урал в пределах РК получены характеристики максимального и слоя весеннего стока. Характеристики стока вычислены за различные периоды с учетом фактических и восстановленных величин стока.

По итогам результатов наблюдается существенное уменьшение максимального расхода и слоя весеннего стока с 1975 года. Уменьшение величин максимальных расходов воды и слоя весеннего стока объясняется строением водохранилищ, развитием промышленных отраслей и использованием воды в большом количестве для разных хозяйств с 1975 г.

1. Давлетгалиев С. К., Расчет нормы годового стока рек правобережья бассейна р.Жайык в пределах границы РК // Гидрометеорология и экология — 2008. — № 2–3. — С. 64–74.
2. Крицкий С. Н., Менкель М. Ф. Гидрологические основы управления речным стоком. М.: Наука, 1981- 249 с.
3. Определение основных расчетных гидрологических характеристик СП-33–101–2003. М.: Госстрой. России 2004–71 с.
4. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. Л.: Гидрометеоиздат, 1984–448 с
5. Ресурсы поверхностных вод СССР Т.12, вып.2. Урало-Эмбинский район — Л.: Гидрометеоиздат, 1970–511 с.
6. Рождественский А. В., Ежов А. В., Сахарюк А. В. Оценка точности гидрологических расчетов. Л.: Гидрометеоиздат, 1990–276 с.