Приведение годового стока и его параметров распределения к многолетнему периоду наблюдений для рек Центральной Африки

Вода в Африке является важнейшим естественным ресурсом, играющим едва ли не основную роль в развитии экономики. На континенте, преобладают территории с недостаточным увлажнением, поэтому частые сильные засухи носят характер национального бедствия.

Еще в 1970 г. по данным ООН, в среднем для континента, одна гидрологическая станция, учитывающая сток приходится на 20 тыс км /1/.

Большинство же государств лежит в пределах наименее изученной территории, где средняя площадь на одну станцию составляет от 20 до 50 тыс. км2 и больше (рис. В.1). Гидрологическая сеть большинства африканских стран представляет собой весьма сложный конгломерат /2/, что объясняется отсутствием единой гидрологической службы во многих странах./1/.

Краткий обзор имеющихся гидрологических наблюдений показывает, что для значительной части территории Африки гидрологическая сеть недостаточна даже для составления схематических карт распределений стока. Часто используемая методика интерполяции имеющихся данных исследуемых районов не удовлетворяет современным критериям надежности и точности.

Отсюда возникла необходимость в данной работе по восстановлению годового стока рек Центральной Африки.

Методика приведения коротких рядов гидрологических наблюдений к многолетнему периоду разработана в ГГИ под руководством профессора A.B. Рождественского.

Цель работы: разработать подход к приведению коротких гидрологических рядов рек исследуемого района и их параметров к многолетнему периоду, восстановить годовой сток рек данного района и оценить параметры распределения.

Гидрологическая изученность территории Африки.

Средняя площадь /тыс.км" / Приходящаяся на одну гидрологическую станцию, учитывающую сток рек.

Щ 2—5.

Н: 5″ 10.

10−20.

20−50 Свыше 50.

Наблюдения не ведутся.

Нет сведений.

Рис. В.1.

6 2.

Территория исследований составляет по площади около 6000 тыс. км. Она состоит из Камеруна, Чад, Центральная Африканская Республика (ЦАР), Конго, Габон, Заир, где имеются ряды с более продолжительными наблюдениями. Было собрано 82 поста продолжительностью наблюдений от 4 до 50 лет. Такие станции как Киншасса на реке Заир и Банги на реке Убанги имеют продолжительность наблюдений более 50 лет, что в этом районе является большой редкостью. Среднее число лет наблюдений по району составляет 19.

В первой главе сделан краткий аналитический и критическии анализ существующих методов приведения коротких гидрологических рядов и их параметров к многолетнему периоду.

Во второй главе сделан анализ исходной гидрометрической информации и рассчитана пространственная корреляционная функция годового стока рек исследуемого района. Сделан вывод о гидрологической однородности исследуемого района и возможности приведения рядов годового стока к многолетнему периоду.

В третей главе изложена методика приведения коротких гидрологических рядов к многолетнему периоду с учетом временной связанности гидрологических характеристик. Метод применяется при наличии данных наблюдений больше 6 лет. Даны рекомендации по выбору предполагаемых аналогов и произведено восстановление отсутствующих данных по годовому стоку.

В четвертой главе изложены методы приведения коротких гидрологических рядов к многолетнему периоду, основанные на пространственной корреляционной связанности гидрологических характеристик. Эти методы применяются при наличии кратковременных наблюдений объемом 1 -6 лет.

К числу этих методов относятся погодичные зависимости стока за различные годы от параметров распределения и их обеспеченных величин (метод отношений).

Проводится анализ полученных результатов по двум первым методам, и рассчитываются оценки параметров распределения стока.

В пятой рассматриваются региональные методы расчета стока при отсутствии данных наблюдений:

Получены региональные зависимости нормы стока и коэффициентов вариации от высоты водосборов и их площадей.

Разработан метод определения параметров распределения годового стока и квантилей любой обеспеченности. Районировано соотношение Сб /Су.

В заключении излагаются основные результаты, выводы и рекомендации.

1. АНАЛИЗ СУБДЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПРШЕДЕШЯГИДРОЛОШЧЕСКИХ ДАННЫХ К МНОГОЛЕТНЕМУ ПЕРИОДУ (КРИТИЧЕСКИЙ И АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА).

Основной характеристикой водных ресурсов рек какой-либо территории является средний многолетний расход воды, т. е. норма стока. Точность ее определения зависит от точности подсчета стока, степени его изменчивости, продолжительности периода наблюдений и от густоты станции /3/.

Норма стока, или иначе, среднее значение годового стока за многолетний период, согласно работам /3,4,5/ должна определяться за продолжительный период наблюдений, включающий в себе несколько полных многоводных и маловодных циклов по формуле: е=%(Ей), ал) ы где (Т — норма годового стока О, — годовой сток за /'-ый год п — число лет наблюдений, при котором дальнейшее увеличение не меняет или мало меняет среднее арифметическое значение С?. При расчете нормы стока может быть использовано несколько приемов или методов (графические, фафоаналитаческие и аналитические) в зависимости от объема исходной гидрологической информации. В основном могут рассматриваться следующие описанные в работах/3, 6/случаи:

1. Наличие длительного периода наблюдений;

2. Наличие короткого ряда наблюдений;

3. Полное отсутствие данных наблюдений.

В наших исследованиях будем исходить из того, что у нас имеется короткий ряд наблюдений или отсутствуют данные наблюдений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ, РЕКОМЕНДАЦИИ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

Впервые для центральной Африки, произведена оценка пространственной и временной структуры колебаний годового стока, осуществлено восстановление и приведение рядов речного стока и их параметров к многолетнему периоду, даны рекомендации по расчету годового стока при отсутствии данных гидрометрических наблюдений, вскрыты особенности формирования годового стока.

1. Установлено, что одна из главных особенностей формирования годового стока заключается в муссоном тропическом климате, который наиболее полно вскрывает пространственное распределение многолетних колебаний речного стока, нередко подавляя влияние орографии и других факторов подстилающей поверхности.

2. Выполненный критический анализ методов приведения коротких гидрологических рядов и их параметров к многолетнему периоду позволил выбрать наиболее обоснованные и эффективные методы восстановления отсутствующей гидрометрической информации, включая методы использующие временные (при п-6 лет) и пространственные связи, разработанные для восстановления кратковременных наблюдений за 1 год и более.

3. Произведена оценка пространственной структуры многолетних колебаний годового стока, представленной пространственная корреляционной функции с оценкой ее статистической однородности. Установлено, что пространственная корреляционная функция для района Центральной Африки (в пределах Камеруна, Ц.А.Р и Чад) статистически неоднородна, что связана с различными условиями формирования стока пределах исследуемой территории.

4. На основе анализа условия формирования стока и особенностей его пространственной связанности выделено три района, которые практически совпали с ранее выполненным районированием исследуемой территории.

5. Рассчитанные пространственные корреляционные функции для каждого из трех районов оказались более однородными, в которых более четко прослеживается зависимость годового стока от расстояния между центрами тяжестей водосборов. Принята аналитическая аппроксимация полученных зависимостей в виде экспоненты с радиусом положительной корреляции более 1200 км. Радиус положительной корреляции более 0.7 составляет 100−150км, что используется при приведении годового стока к многолетнему периоду при автоматическом выборе аналогов. Дальнейшее деление на более мелкие районы исследуемой территории нецелесообразно, ввиду ограниченности по территории пунктов гидрометрических наблюдений.

6. Существующая густота сети постов недостаточна для надежной интерполяции годового стока, что требует дальнейшего исследования с использованием математического аппарата оптимальной линейной интерполяции.

7. Восстановление отсутствующей гидрометрической информации произведено с использованием самых современных методов приведения речного стока и его параметров к многолетнему периоду на основе временных (метод 1) и пространственных (метод 2) связей в ходе колебаний годового стока. Вторая методика, предназначенная для приведения кратковременных наблюдений (от 1 до 5 лет), использовалась впервые для восстановления исходных рядов любой продолжительности. За итоговое значение восстановленного стока принималось то, которое имеет меньшую случайную среднюю квадратическую погрешность. Установлено, что используемые методики не имеют систематических погрешностей, а случайные погрешности погодичного восстановления, как правило, составляет не более 10−15%, что лишь незначительно больше случайных погрешностей исходных данных.

8. Продолжительность рядов годового стока после процедуры восстановления в среднем увеличена до 60 лет. Наибольшее число восстановленных лет составило 81 год, а наименьшее 13 лет.

9. По восстановленным рядам годового стока рассчитаны несмещенные оценки параметров распределения Су, Су) и коэффициенты автокорреляции между стоком смежных лет (г (1)). Случайные погрешности приведенных параметров значительно меньше, чем, рассчитанные по наблюденным данным без процедуры приведения к многолетнему периоду.

10. При отсутствии данных гидрометрических наблюдений рекомендуется использовать карты нормы годового стока, представленная модулями стока, и картой коэффициентов вариацииотношение С^/Су-районировано. Полученные карты построены по приведенным к многолетнему периоду данным, что делает их более точными по сравнению с подобными картами, ранее полученными без процедуры восстановления. Норма годового стока изменяется от 80л/с*км2 для тропического муссонного климата в районах близлежащих к океану до 5л/с*км2 и даже меньше в полупустынных районах, расположенных на северо-востоке исследуемой территории. Коэффициенты вариации годового стока колеблются от 0.06 до 0.82 с увеличением этого параметра в засушливых областях. Отношение Сб/Су для двух наиболее увлажненных районов принято нулю, а для наиболее засушливого района — двум. Коэффициент автокорреляции между стоком смежных лет в среднем равен 0.45.

11. Полученные региональные зависимости нормы стока и коэффициентов вариации от высоты водосборов и их площадей носит достаточно приближенный характер ввиду преобладающего влияния муссонного тропического климата, что в значительной мере подавляет влияние факторов подстилающей поверхности.