Зарегулированность реки как фактор вскрытия

Возведение гидроэлектростанций, особенно высоконапорных, значительно изменяет термический режим реки ниже плотины, то это приводит к существенному изменению процессов ледообразования на ней. Увеличение зимних расходов в 2-3 раза по сравнению с бытовыми условиями усугубляет воздействие положительной температуры воды.

Сочетание повышенных по сравнению с естественными условиями расходов и температуры воды обуславливает не только наличие незамерзающей полыньи , но и существенные подъемы уровня воды на кромке ледяного покрова. Следствием этого является частое подтопление ряда населенных пунктов и некоторых хозяйственных объектов.

В естественных условиях температура воды Енисея у Красноярска приближалась к 0С в начале ноября, а 15 ноября устанавливался ледяной покров. Сейчас в ноябре в нижний бьеф поступает вода из водохранилища с температурой 10-6С, а в середине декабря -4С, в январе -3,8-3,2С, в феврале - около 3С. Замерзание Енисея происходит посредством образования ледяных перемычек, повышения уровня воды, уменьшения уклонов на кромке льда и как следствие смерзания поступающего с верхних участков реки ледяного материала (шуги).

Скорость наступления кромки ледостава зависит от температуры воздуха, а в условиях зарегулирования еще и от расходов воды в период замерзания.

Ледяная перемычка практически ежегодно образуется у Осиновского Порога, от нее идет продвижение кромки льда вверх по реке. В зарегулированных условиях значительно изменились сроки наступления основных ледяных образований. Установление ледяного покрова на рассматриваемом участке происходит позднее, чем в бытовых условиях: у Ярцево на 12 дней (25 ноября), у Енисейска на 22 дня (13 декабря), у Казачинского на 39 дней (2 января), причем здесь один год ледяной покров не устанавливался. (Табл. 3)

Таблица 2. Средние сроки наступления ледовых явлений

ПунктШугоходЛедоставОчищениеБыт. режимПри зарегулированииБыт. режимПри зарегулированииБыт. режимПри зарегул-иКрасноярск31.10-15.11-05.05-Казачинское31.1003.1225.1102.0106.0509.04Енисейск25.1024.1021.1113.1221.0520.05Назимово25.1029.1016.1104.1218.0518.05Ярцево24.1024.1013.1125.1118.0520.05Ворогово20.1018.1009.1119.1123.0523.05Подкаменная Тунгуска21.1019.1017.1119.1125.0526.05

Ранее в естественных условиях Енисей в месте слияния с Ангарой замерзал первым, затем - устьевой участок Ангары длиной 40 км, т.е. ледяной покров Енисея играл роль ледяной перемычки для Ангары. Сейчас в результате значительно более позднего установления ледостава на Енисее ледяной покров на нижнем участке Ангары тоже устанавливается позднее по сравнению с бытовыми условиями. Из-за этого на участке Енисея ниже впадения Ангары возросла продолжительность шугохода.

Как видно из таблицы 3, величина отклонения средних сроков начала ледостава увеличивается по мере приближения к плотине Красноярской ГЭС и у Красноярска не только ледяного покрова, но и ледовых явлений практически не наблюдается.

При установлении ледостава на Енисее движение кромки ледяного покрова продолжается до тех пор, пока достаточное количество ледяного покрова продолжается до тех пор, пока достаточное количество ледяного материала поступает с верхних участков. При сокращении длины шугообразующего участка наступает равновесие и местоположение кромки льда стабилизируется.

При нарушении баланса энергии под воздействием температурных возмущений или изменений теплопритока с водой происходят ответные реакции и в зависимости от увеличения или уменьшения прихода тепла происходит либо отступление, либо продвижение вверх кромки ледяного покрова. Повторяющиеся колебания приводят к неоднократному срыву кромки льда, поступлению ледяного материала под ледяной покров, увеличению стеснения русла и как следствие - к значительным подъемам уровней воды. Так, в зарегулированных условиях максимальные зимние уровни воды при установлении ледостава возросли в 2-3 раза. (табл.4)

ПунктБытовые условияПри зарегулированииСреднийНаибольшийСреднийНаибольшийКазачинское167230605736Енисейск3984917541029Назимово194285520756Ярцево4415527001015Ворогово325382423499Осиновский Порог303463437515Подкаменная Тунгуска6708989701126

Вскрытие Енисея происходит под воздействием термического и механического разрушения ледяного покрова. Как правило Енисей на участке от плотины до Енисейска при регулировании стока очищается раньше, чем при бытовых условиях. (табл.3). Основным фактором здесь является температура воды, которая в апреле у плотины составляет около 2С , чего ранее никогда не наблюдалось. Уменьшение альбедо с 0,3-0,5 для тающего снега и льда до 0,06-0,08 для водной поверхности увеличивает поступление солнечной радиации в воду в несколько раз. Эта энергия тратится на таяния льда снизу, что в конечном счете приводит к беззаторному вскрытию Енисея на значительном по протяженности участке реки, до 700 км.

Из вышеизложенного ясно, что наибольшие отрицательные воздействия на природу и режим в нижнем бьефе Красноярской ГЭС приходятся на период замерзания Енисея, или первую половину зимы, когда наблюдаются значительные зажорно-заторные подъемы уровней воды.

.4 Весенние заторы льда на реках

По характеру образования заторы могут быть разделены на затор у верхней кромки льда и затор торошения. Затор у верхней кромки льда возникает на участках с мощным ледяным покровом, где во время вскрытия усилие потока оказывается недостаточным для взлома льда. Это могут быть участки ледяных перемычек, сформировавшихся осенью, ледостав на водохранилище в зоне выклинивания подпора, зашугованные участки реки и т.п. Такие заторы возникают на реках, текущих с юга на север и вскрывающихся в основном за счет механических факторов. Мощность этих заторов велика, а подпор от них может распространяться на 100 км и более. В зоне выклинивания водохранилищ эти заторы могут вызвать подъем уровня, близкий к максимальному до зарегулирования. На участке образования такого затора можно выделить: 1) зону ледостава, или очага затора , - это зона взлома или подвижек льда, представляющая собой сдвинутые вниз по течению ледяные поля, ниже которых может сохраняться еще не взломанный лед (замок затора); 2) зону затора - участок реки, занятый взломанным льдом; здесь выделяется голова затора -нагромождение взломанного спрессованного битого льда, имеющего большую мощность и стесняющего живое сечение реки; на берегах реки громоздятся навалы льда; 3) хвост затора - верхняя часть участка с редким ледоходом и с подъемом уровня за счет подпора затора торошения отличается от затора у верхней кромки льда тем, что он образуется при ледоходе на участках с меньшей транспортирующей способностью русла при остановке крупнобитого льда в сужениях русла, протоках между островами и др. Механизм образования затора до конца не выяснен. По-видимому, это не просто механическая закупорка русла льдом. В заторах происходит смерзание льда, вызываемое запасом холода, который накапливается внутри толстого ледяного покрова. Этому способствует и переохлаждение воды в реке во время ледохода, часто встречающееся при весенних похолоданиях. На заторных участках крупных рек сосредоточивается от 50 до 200 млн.м3льда. При сильных заторах уровень воды в реке поднимается на 5 - 10 м, при средних заторах - на 3 -5 м и слабых - до 3 м. Ликвидация затора может произойти либо за счет его прорыва, что сопровождается часто катастрофическим сбросом воды и льда, либо постепенного его перемещения на участки с большей площадью живого сечения и последующей ликвидации за счет размыва и таяния. Явление заторообразования широко распространено на реках России. Заторы вызывают затопления больших территорий, задерживают транспортное использование рек, прорывы затора разрушают гидротехнические сооружения, что приносит значительный ущерб народному хозяйству.

Борьба с затором сводится к мероприятиям, направленным на предупреждение их образования (разрушение льда ледоколами, ледорезными машинами или взрывами. Некоторые способы борьбы с затором неэффективны, а такие как подрывы и бомбометание дают даже отрицательный эффект - уплотняют затор, приводят к гибели рыбы и разрушению сооружений.

В различные периоды ледоход осуществляется с разной интенсивностью, характеристикой которой может быть принято отношение суммарной площади льдин, плывущих на участке реки, к площади этого участка.

Отмеченные выше общие черты процесса вскрытия характерны для непромерзающих рек. На промерзающих реках поступающая вода как за счет местного таяния, так и вследствие притока с бассейна образует поток, текущий поверх ледяного покрова. Ледяной покров, разрушаясь, всплывает отдельными льдинами и полями. При этом процесс таяния льдин на небольших реках может иметь весьма затяжной характер. Продолжительность зимнего периода, зависящая прежде всего от климатических условий района, в котором протекает река, может быть представлена в виде карты изохрон, т. е. линий, соединяющих пункты с одинаковыми датами наступления и окончания ледовых явлений на реках

3Разработка методики долгосрочного прогноза срока вскрытия Нижнего Енисея

.1 Сбор исходных данных

В качестве потенциальных предикторов уравнения регрессии для прогноза сроков вскрытия р. Нижний Енисей была использована электронная база гидрометеорологических данных. Из гидрометеорологических предикторов отметим следующие: толщина льда и высота снега на льду, среднесуточная температура воздуха за n количество дней до (включая дату вскрытия) и после вскрытия вышележащего поста за m количество дней, дата вскрытия реки Н.Енисей на конкретном посту, а так же скорость вскрытия вышележащего участка.

В разработку методики прогноза на участке г. Енисейск - П.Тунгуска было решено включить период с 1970 по 2008 год, так как именно с 1972 года Усть-Илимская ГЭС работает на полную мощность. А на участке Бахта - Караул решено было взять период с 1960 года по 2008, так как в данный период имеется достаточное количество совместных наблюдений. В расчетах использованы данные 15 опорных пунктов в следующем порядке: г. Енисейск, с. Назимово, с. Ярцево, с. Ворогово, п. Осиновый порог, д. Подкаменная Тунгуска, д. Бахта, с. Верхнеимбатск, с. Верещагино, с. Селиваниха, с. Курейка, г. Игарка, с. Потапово, г. Дудинка, и с. Караул.

Дата вскрытия реки Н.Енисей в каждом гидрологическом посту выбиралась из справочника «Ежегодные данные и режиме и ресурсах поверхностных вод суши» (Гидрологический Ежегодник). По таблице «Ледовые явления», за дату вскрытия реки Н.Енисей принимался первый день с ледоходом. Начиная с 1970 и с 1960 года соответственно по 2008 год были забиты в Excel данные о сроках вскрытия реки на каждом из 15 постов.

С помощью Ежегодника так же были оформлены и добавлены в базу данных данные о толщине льда и высоте снега на льду на конец марта, конец апреля - для каждого поста индивидуально. Выбраны ранние даты вскрытия на постах за весь период от 1970 (1960) года по 2008, например, пост Назимово ранняя дата вскрытия - 14 апреля, значит данные о толщине льда и высоте снега на льду брали на конец марта- за 31 марта. Соответственно получилось так: от Назимово до Верещагино за 31 марта, от Селиванихи до Караула за 31 апреля.

Из ТМ1 - таблица метеорологическая, выбраны данные о температуре воздуха. ТМ1 - архивный документ, но данные с 1997 года имелись в электронном виде. Температура воздуха измеряется на метеостанциях. Температурный режим в районе метеостанций является репрезентативным для различных участков р. Енисей (прил. 1). Например, участок Енисейск - Назимово, температура воздуха для этого участка отражена в наблюдениях на метеостанции Енисейск, ранняя дата вскрытия в п.Енисейск- 16 марта, и поздняя дата вскрытия в Назимово 11 мая. Соответственно среднесуточную температуру для этого участка набираем за период 10 марта-17 мая. Аналогично и с остальными участками. В качестве предиктора мы выбирали из полученной базы среднюю температуру за период заблаговременности (не более 10 дней). То есть получилось два предиктора: среднесуточная температура воздуха за n количество дней до вскрытия вышележащего поста (включая дату вскрытия) и среднесуточная температура воздуха за m количество дней после вскрытия вышележащего поста. Метеорологическая информация с 15-ти опорных пунктов была сформирована в единую базу данных.

.2 Проверка на однородность сроков вскрытия

Для более качественного прогноза любой характеристики необходимо пользоваться как можно большим количеством испытаний её в различных условиях формирования. Тем самым в прогнозе будут учтены различные варианты совместных событий, обуславливающих количественно и качественно прогнозируемую величину. Однако простое увеличение длины ряда, используемого при разработке методики, может и не привести к улучшению результатов. Известно, что природные процессы в природе своей цикличны, меняются с различными скоростями, и тем самым есть вероятность, что условия формирования исследуемой величины не одинаковы во всем её временном ряду. Поэтому при использовании временных рядов в разработке методики необходимо проводить анализ на однородность величины в течение всего используемого ряда.

Анализ на однородность сроков вскрытия реки Енисей проводился в статистическом пакете STATISTICA 6.0 при помощи критерия Стьюдента. Из теории вероятности известно, что это параметрический критерий, требующий, чтобы ряд состоял из случайных величин, был однороден по дисперсии и распределен по нормальному закону распределения.

Анализ ряда на однородность по среднему был проведен при помощи критерия Стьюдента. Видно, что значение вычисленного уровня значимости критерия Стьюдента меньше критического, следовательно, ряд неоднороден по среднему. Проверка на однородность по дисперсии по критерию Фишера, наравне с двумя другими критериями - Левена и Брауна-Форсайта, показала, что рассчитанные уровни значимости выше критического (0.05), следовательно, гипотезу об однородности исследуемого ряда по дисперсии можно принять. Уровень значимости его эмпирического значения также выше критического, что говорит об однородности ряда по дисперсии, одного из главных условий применимости критерия Стьюдента.

После проверки на однородность сроков вскрытия воды р. Нижний Енисей разрабатывается методика краткосрочного прогноза вскрытия реки. В основу разработки прогностического уравнения сроков вскрытия воды на р. Нижний Енисей положен анализ условия формирования ледовых явлений, а также установления ледостава. Этот анализ позволяет обосновать исходные предикторы и статистический метод множественной линейной регрессии.

Для разработки методик прогноза сроков вскрытия используется метод множественной регрессии. Расчеты выполнялись с помощью пакетов Microsoft Excel и Statistiсa.

.3 Особенности разработки методики (Statistica 6.0)

Для разработки методик прогноза сроков вскрытия используется метод множественной регрессии. Расчеты выполнялись с помощью пакетов Microsoft Excel и Statistiсa 6.0.

Однородность рядов гидрологических наблюдений является важным условием возможности построения кривой обеспеченности. Если ряд наблюдений распределен по нормальному закону, то для проверки ряда на однородность по среднему используется параметрический критерий Стьюдента, а на однородность по дисперсии - критерий Фишера.

Однородность ряда по среднему с помощью критерия Стьюдента можно проверить в модуле Вasic Statistics/Tables.

Однако, если данные "низкого качества", то есть состоят из выборок малого объема с переменными, про распределение которых мало что или вообще ничего неизвестно, то критерий Стьюдента применять нельзя. Непараметрические методы как раз и разработаны для тех ситуаций, достаточно часто возникающих на практике, когда исследователь ничего не знает о параметрах исследуемого ряда (отсюда и название методов - непараметрические).

.4 Разработка уравнения и анализ полученных результатов

При составлении уравнений учитывается прогноз сроков вскрытия на разные даты, с определённой заблаговременностью.

Мы составили 14 точечных диаграмм, которые отражают связь сроков вскрытия нижележащего поста от дат вскрытия вышележащего поста.

На графиках отчетливо видно, что связь не функциональна, наблюдается значительный разброс относительно среднего значения.

В целях гидрологических прогнозов связь должна быть более тесной. Возьмём участок г. Енисейск - с. Назимово. Ось X- дата вскрытия реки Енисей на посту Енисейск, Y- на посту Назимово.

Рисунок 1. Диаграмма - Назимово от Енисейска

На графике видно, что расхождение точек велико. При одном сроке вскрытия Енисейска 29 марта в 1981 году Енисей в районе Назимово вскрылся через 15 дней, а в 1983 году разница составила 31 день. Анализируя данные с 1970 года, видно, что разница может быть от 9 до 36 суток. Такая же ситуация и с остальными участками, ведь на вскрытие реки влияет множество различных факторов. Составим линейные уравнения по нашим диаграммам, посмотрим, как зависит срок вскрытия нижележащего поста от вышележащего на каждом участке. Дату вскрытия каждого поста возьмём от 1 марта.

Таблица 4. Линейные уравнения зависимости даты вскрытия нижележащего поста от вышележащего поста

Гидрологический постУравнениеКоэффициент корреляции, R1.НазимовоДназ=0,61Ден +33,20,822.ЯрцевоДярц=0,73Дназ +23,00,843.ВороговоДвор=0,69Дярц+25,20,744.Осинов.ПорогДос.пор=0,95Двор+6,060,855.П.ТунгускаДп.тунг=0,98Дос.пор - 0,30,966.БахтаДбах=0,98Дп.тунг+4,80,947.ВерхнеимбатскДв.имб=1,04Дбах-2,20,988.ВерещагиноДвер=0,976Дв.имб+5,90,929.СеливанихаДсел=0,92Двер-7,80,9610.КурейкаДкур=0,87Дсел+13,30,9211.ИгаркаДигар=0,81Дкур+22,10,8712.ПотаповоДпотап=0,86Дигар+16,30,8913.ДудинкаДдуд=0,85Дпотап+16,50,9214.КараулДкар=0,9Ддуд +14,70,90

Для того, чтобы снизить разброс точек относительно линейной зависимости, в разработку уравнений прогноза сроков вскрытия добавлены дополнительные метеорологические и гидрологические факторы из созданной электронной базы данных.

В таблице 6 представлены полученные на данном этапе разработки уравнения прогнозов сроков вскрытия.

Таблица 5. Уравнение регрессии для каждого участка поста

Гидрологический постУравнениеКоэффициент корреляции, R1.НазимовоДназ=0,71Ден - 0,59Т5после - 2,260,912.ЯрцевоДярц=0,86Дназ - 0,346Т2после - 0,249Т3до+16,850,923.ВороговоДвор=0,72Дярц-0,35Т3до+26,190,864.Осинов.ПорогДос.пор=1,16Двор-0,06ТЛ-0,18Т2после-2,980,975.П.ТунгускаДп.тунг=0,98Дос.пор - 0,30,966.БахтаДбах=0,99Дп.тунг+0,06ТЛ-2,340,957.ВерхнеимбатскДв.имб=1,086Дбах-0,05ТЛ-0,80,988.ВерещагиноДвер=0,976Дв.имб+5,90,929.СеливанихаДсел=0,92Двер-7,80,9610.КурейкаДкур=0,87Дсел+13,30,9211.ИгаркаДигар=0,996Дкур-0,35Т3до+8,4980,9212.ПотаповоДпотап=0,88Дигар-0,16Т2после+16,170,9213.ДудинкаДдуд=0,85Дпотап+16,50,9214.КараулДкар=0,84Ддуд -0,253Т3до+ 0,037ТЛ +16,030,92Предикторы:

Д - дата вскрытия р.Н.Енисей на конкретном участке поста.

Т5после - среднесуточная температура воздуха за 5 дней после вскрытия п.Енисейск.

Т6до - среднесуточная температура воздуха за 6 дней до вскрытия п.Енисейск, включая дату вскрытия п.Енисейск.

Т2после - среднесуточная температура воздуха за 2 дня после вскрытия нижележащего поста.

Т3до - среднесуточная температура воздуха за 3 дня до вскрытия нижележащего поста, включая дату вскрытия этого поста.

ТЛ - толщина льда.

ВС - высота снега на льду.

С - скорость вскрытия вышележащего участка.

Сравнивая таблицу 5 с таблицей 6, отчетливо видно, что R- коэффициент корреляции значительно увеличился при добавлении других факторов в уравнения. В среднем он составляет 0,94. Максимальное значение, которое он может принимать +1. Значительный разброс точек на графиках сузился и приблизился к среднему значению.

Данные о толщине льда, датах вскрытия вышележащего поста, среднесуточных температурах являются главными значимыми факторами в уравнениях. Остальные же факторы - высота снега на льду и скорость вскрытия вышележащего участка лишь определяют условия, в которых будет происходить вскрытие реки Н.Енисей.

Заключение

В настоящем исследовании разработана и проведена частичная методика краткосрочного прогнозирования сроков вскрытия р. Нижний Енисей.

Для нахождения прогнозного уравнения для каждого участка использовался метод множественной линейной корреляции, который позволяет определять относительное влияние на сроки вскрытия каждого гидрометеорологического фактора и измерять полный эффект с помощью различных показателей. Можно также оценить значимость связи между зависимой и каждой независимой переменной и получить "лучшее" расчётное уравнение.

Изначально было выбрано 6 основных гидрометеорологических факторов. Но в результате расчетов, и исходя из условия, что t-статистика (характеристика ошибки нахождения коэффициентов регрессии) должна быть больше ± 2,0, было получено 14 прогнозных регрессионных уравнений для каждого участка, которые, в общем, включают в себя четыре предиктора. К предикторам уравнений относятся - среднесуточные температуры воздуха до и после вскрытия нижележащего поста, толщина льда, дата вскрытия вышележащего поста. Коэффициент множественной корреляции R полученных уравнений равен в среднем 0,94.

Проанализировав наши регрессионные уравнения, видно, что для пяти из них наши факторы явились не значимыми, то есть не влияют на дату вскрытия нижележащего пункта. Для таких постов как: Подкаменная Тунгуска, Верещагино, Селиваниха, Курейка, Дудинка. Разработка прогноза будет продолжена, и будут включены другие гидрометеорологические факторы, которые могут значительно повлиять на вскрытие.

Список используемой литературы

1. Соломенцев Н.А., Львов А.М., Симиренко С.Л., Чекмарев В.А. Гидрология Суши: Учебное пособие для вузов и для работников Гидрометслужбы.- 2-е издание переработанное и дополненное.- Л.: Гидрометеоиздат., 1961.-432с.

. Быков В.Д., Васильев А.В. Гидрометрия: Учебник для студентов вузов, обучающихся по спец. «Гидрология суши».- изд.4-е, переработанное и дополненное.-Л.: Гидрометиздат., 1977.-448с.

. Лелявский С. Введение в Речную Гидравлику: Учеб.пособие, перевод с англ. Федорова Н.Н., под ред. Егиазарова И.В.-Л.:Гидрометиздат., 1961.-233с.

. Космаков И.В. Термический и ледовый режим в верхних и нижних бьефах высоконапорных гидроэлектростанций на Енисее. - Красноярск: изд-во «КЛАРЕТИАНУМ», 2001.-144с.

. Природные ресурсы Сибири: современное состояние и проблемы природопользования. -Новосибирск: Наука, 2010.-223с.

Приложение 1

Список метеорологических станций, тяготеющих к выделенным участкам р. Енисей:

Участок реки ЕнисейМетеостанцияЕнисейск - НазимовоЕнисейскНазимово - ЯрцевоНазимовоЯрцево - ВороговоЯрцевоВорогово - Осиный порогВороговоОсиный порог - Подкаменная ТунгускаВороговоПодкаменная Тунгуска - БахтаПодкаменная ТунгускаБахта - ВерхнеимбатскПодкаменная ТунгускаВерхнеимбатск - ВерещагиноБахтаВерещагино - СеливанихаВерхнеимбатскСеливаниха - КурейкаТуруханкаКурейка - ИгаркаТуруханкаИгарка - ПотаповоИгаркаПотапово - ДудинкаДудинкаДудинка - КараулДудинка

Приложение 2

Точечные диаграммы - зависимости сроков вскрытия нижележащего поста от вышележащего поста.

Назимово от Енисейска Ярцево от Назимово