МАКСИМАЛЬНЫЙ  СТОК  ВЕСЕННЕГО  ПОЛОВОДЬЯ  ПРИ  ОЦЕНКЕ  НАДЕЖНОСТИ  ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ  СООРУЖЕНИЙ  ПРИ  ИЗМЕНЕНИИ  КЛИМАТА

Коваленко  Виктор  Васильевич

д-р  техн.  наук,  профессор  РГГМУ,  г.  Санкт-Петербург

Гайдукова  Екатерина  Владимировна

канд.  техн.  наук,  доцент  РГГМУ,  г.  Санкт-Петербург

E-mail:  oderiut@mail.ru

Хаустов  Виталий  Александрович

канд.  техн.  наук,  доцент  РГГМУ,  г.  Санкт-Петербург

Шевнина  Елена  Валентиновна

канд.  техн.  наук,  доцент  РГГМУ,  г.  Санкт-Петербург

Судакова  Наталья  Валерьевна

аспирант  РГГМУ,  г.  Санкт-Петербург

Диавара  Хамиду

аспирант  РГГМУ,  г.  Санкт-Петербург

THE  MAXIMUM  FLOW  OF  SPRING  TIDE  RELIABILITY  ASSESSMENT  OF  HYDRAULIC  STRUCTURES  AT  THE  CLIMATE  CHANGE

Kovalenko  Viktor

doctor.  tehn.,  Professor  State  Hydrometeorological  University,  St.  Petersburg

Gaidukova  Ekaterina

candidate.  tehn.,  Associate  Professor  State  Hydrometeorological  University,  St.  Petersburg

E-mail: 

Haustov  Vitaly

candidate.  tehn.,  Associate  Professor  State  Hydrometeorological  University,  St.  Petersburg

Shevnina  Elena

candidate.  tehn.,  Associate  Professor  State  Hydrometeorological  University,  St.  Petersburg

Sudakova  Natalia

state  Hydrometeorological  University  graduate  student,  St.  Petersburg

Diawara  Hamid

state  Hydrometeorological  University  graduate  student,  St.  Petersburg

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена  методика  оценки  долгосрочных  изменений  максимального  стока  весеннего  половодья.  Методика  позволяет  визуализировать  пространственно-временную  динамику  аномальных  зон  формирования  расчетных  гидрологических  характеристик  слоя  суммарного  весеннего  половодья.  Выявлены  аномальные  зоны  формирования  максимального  стока  весеннего  половодья  в  Арктической  зоне  Российской  Федерации.

ABSTRACT

The  method  of  assessing  long-term  changes  in  spring  flood  peak  flow.  The  technique  allows  to  visualize  the  spatial  and  temporal  dynamics  of  anomalous  zones  forming  layer  design  hydrological  characteristics  of  the  total  spring  flood.  Identified  anomalous  zones  of  formation  of  the  high  flow  spring  tide  in  the  Arctic  zone  of  the  Russian  Federation.

Ключевые  слова:  максимальный  сток  весеннего  половодья;  изменение  климата;  аномальные  зоны  формирования  в  Арктической  зоне  Российской  Федерации.

Keywords:  maximum  runoff  spring  floods;  climate  change;  the  abnormal  formation  zone  in  the  Arctic  zone  of  the  Russian  Federation.

Введение.  В  настоящее  время  гидрологическая  надежность  проектируемых  сооружений  осуществляется  в  рамках  нормативного  документа  [6]  в  предположении,  что  многолетний  речной  сток  статистически  не  меняется,  т.  е.  значение  расхода  Q_P%  заданной  обеспеченности  P  %,  полученное  за  предшествующий  период,  останется  таким  же  и  в  будущем  на  период  эксплуатации  сооружения.  Это  допущение  на  современном  этапе  развития  гидрометеорологии  входит  в  противоречие  как  с  эмпирическими  температурными  данными  об  изменении  климата,  так  и  с  более  фундаментальными  результатами  анализа  гидрологических  рядов  с  точки  зрения  их  фрактальности,  которая  указывает  на  то,  что  предположение  о  «застывшем»  в  статистическом  смысле  гидрологическом  режиме  не  соответствует  действительности  [4,  3].

В  настоящее  время  существует  методология  оценки  гидрологических  последствий  изменения  климата,  основанная  на  использовании  уравнения  Фоккера-Планка-Колмогорова  (ФПК),  которая  представлена  в  работе  [2].  Уравнение  применимо  ко  всем  видам  многолетнего  стока  (годового,  минимального,  максимального),  его  решением  является  семейство  кривых  К.  Пирсона,  лежащих  в  основе  действующего  свода  правил  СП  33-101-2003.  Предметом  настоящей  статьи  является  методика  использования  общей  методологии  для  максимального  стока.

Методология  оценки  обеспеченных  значений  расходов  воды  при  изменении  климата.  Ядром  базовой  стохастической  модели  формирования  речного  стока  является  дифференциальное  уравнение  первого  порядка:

,  (1)

где:  Q  —  скользящие  осредненные  расходы  воды  (модули  или  слои)  в  замыкающем  створе  речного  бассейна; 

k  —  коэффициент  стока; 

t  —  время  релаксации  речного  бассейна.

После  переобозначений  и  введения  в  (1)  шумов,  получим  стохастическое  дифференциальное  уравнение  (модель  линейного  формирующего  фильтра):

,  (2)

где:  ;    (здесь    —  математические  ожидания; 

  —  коррелированные  друг  с  другом  белые  шумы  с  интенсивностями    и  взаимной  интенсивностью  ).

В  науке  известна  процедура  замены  (2)  статистически  эквивалентным  ему  уравнением  Фоккера–Планка–Колмогорова  (ФПК),  описывающим  марковскую  эволюцию  плотности  вероятности  p(Q,  t):

,  (3)

где  A  и  B  коэффициенты  сноса  и  диффузии,  определяющие  физико-статистическими  параметрами,  входящими  в  (2).

Основным  аргументом  в  пользу  модели  (3)  как  описывающей  процесс  формирования  многолетнего  стока  является  то  обстоятельство,  что  для  стационарных  случайных  процессов  она  переходит  в  уравнение  Пирсона:

,  (4)

решением  которого  является  семейство  кривых  p(Q),  применяемых  в  инженерной  гидрологии. 

Выражение  (3)  можно  аппроксимировать  системой  дифференциальных  уравнений  для  начальных  моментов  m_i:

  (5)

Этой  системы  уравнений  достаточно  для  определения  всех  расчетных  гидрологических  характеристик:  нормы  ,  коэффициентов  вариации    и  асимметрии  ,  а  также  эксцесса  . 

Решение  прогностической  задачи  разбивается  на  два  этапа:  по  имеющейся  информации  (из  данных  наблюдений  или  карт)  находим  моменты  m_i  и  по  ним  выполняем  параметризацию  модели  (5),  т.  е.  находим  ,,  ,  а  затем,  меняя  (в  соответствии  с  климатическим  сценарием)  значения    и  ,  находим  прогнозные  (точнее,  сценарные)  значения  моментов  .  По  ним  вычисляем  прогнозные  расчетные  характеристики,  строим  прогнозные  распределения    и  находим  обеспеченные  значения  ,  отличающиеся  от  фактических  учетом  климатических  изменений  за  период  эксплуатации  проектируемого  сооружения.  Методологию  можно  упростить  [1].

Применение  методики  оценки  характеристик  при  изменении  климата  к  максимальному  стоку  весеннего  половодья  Арктической  зоны  России.  На  рисунке  показана  динамика  перемещения  зон  аномалий  (регионов,  в  которых  сценарные  оценки  статистически  значимо  отличаются  от  существующих)  для  норм  и  коэффициентов  вариации  на  XXI  в.,  полученных  по  осредненному  климатическому  сценарию:  для  Европейской  и  Западносибирской  части  Азиатской  территории  России  сценарии  1PTO4X  (модель  BCC-CM1)  и  1PTO2X  (модель  GISS-EH),  для  Восточносибирской  части  Азиатской  территории  России  сценарии  1PTO2X  (модель  BCC-CM1)  и  SRA1B  (модель  GISS-EH)  (см.  [7]).

                        а)                                                          б)

Рисунок  1.  Динамика  смещений  зон  аномалий  нормы  (а)  и  коэффициента  вариации  (б)  на  2025,  2055,  2075  года  сверху  вниз

Достоверность  методики  проверялась  на  ретроспективном  материале  по  рядам  стока,  содержащим  маловодный  и  многоводный  периоды  (делались  перекрестные  «прогнозы»  с  одного  периода  на  другой).  Сравнивались  фактические  распределения  p_ф(h)  с  условно-прогнозными  p_пр(h)  по  различным  статистическим  критериям  на  уровнях  значимости  5  и  10  %.  Для  Арктической  зоны  России  результаты  подобных  оценок  показали,  что  путем  варьирования  способов  задания  параметров  модели  (например:  ,  ;  ,  ;    и  другие  варианты  эмпирических  региональных  зависимостей)  можно  добиться  высокого  процента  оправдавшихся  ретроспективных  прогнозов.  В  некоторых  случаях  —  до  80  %,  но  есть  и  такие  регионы,  в  которых  этот  процент  пока  ниже  значения  50  %  [5].

К  2025  году  отклонения  в  пределах  погрешности  определения  нормы  слоя  стока  весеннего  половодья  (15  %)  ожидаются  на  Дальнем  Востоке  и  в  бассейне  р.  Лены.  Остальная  территория  Арктической  зоны  РФ  находится  в  зоне  аномалий  (отклонения  превышают  погрешность  определения  нормы  стока).  Относительная  разница  в  прогнозных  значениях  нормы  от  фактических  достигнет  75  %  —  это  практически  весь  Североевропейский  климатический  район.

К  2075  году  «благоприятная»  (отклонения  не  превышают  15  %)  зона  расширится  в  бассейне  р.  Лены,  на  Дальнем  Востоке  появится  локальная  опасная  зона.  В  Североевропейской  и  Западносибирской  климатических  зонах  произойдет  перераспределение  по  территории  отклонений,  но  они  остаются  в  пределах  45—75  %.  Опасная  зона  начнет  формироваться  в  верхнем  течении  бассейна  Лены,  которая  может  влиять  на  гидрологическую  ситуацию  ниже  по  течению. 

Опасными  зонами  по  коэффициенту  вариации  считаются  территории  с  отклонениями,  превышающими  погрешность  определения  коэффициента  вариации  стока,  —  20  %.  Отклонения  варьируются  от  –40  %  до  360  %.  Опасными  зонами  являются  Североевропейский  и  Западносибирский  климатические  районы.  Наибольшие  отклонения  ожидаются  на  Кольском  полуострове.  В  бассейнах  рек  Обь  и  Енисей  отклонения  достигнут  200  %.  Относительно  благоприятными  районами  будут  Восточносибирский  и  Чукотский  районы.  В  бассейне  р.  Лены  отклонения  находятся  в  пределах  погрешности,  т.  е.  не  превысят  20  %.

К  2075  году  опасные  зоны  сокращаются  на  Кольском  полуострове,  но  отклонения  в  среднем  по  полуострову  могут  достигать  250  %.  Дальней  Восток  практически  целиком  будет  находиться  в  благоприятной  зоне,  также  как  и  бассейн  р.  Лены.  Правда,  в  верхнем  течении  р.  Лены  опасная  зона  (отклонения  достигают  40  %)  расширяется,  заползая  за  границу  Арктической  зоны  РФ.

Выводы.  Модернизирована  методика  оценки  долгосрочных  изменений  максимального  стока  весеннего  половодья,  основанная  на  объемной  формуле  речного  стока.  Она  позволяет  визуализировать  пространственно-временную  динамику  аномальных  зон  формирования  расчетных  гидрологических  характеристик  слоя  суммарного  весеннего  половодья.  Достоверность  результатов,  получаемых  по  предлагаемой  методике,  повышается  при  использовании  в  модели  формирования  стока  параметров,  характеризующих  их  региональные  зависимости  от  климатических  сценарных  значений  осадков  и  приземной  температуры  воздуха.  Выявлены  аномальные  зоны  формирования  максимального  стока  весеннего  половодья  в  Арктической  зоне  Российской  Федерации.

Исследования  финансировались  Министерством  образования  и  науки  Российской  Федерации  в  рамках  проектов  №  14.515.11.0002,  №  14.B37.21.0678.

Список  литературы:

1. Коваленко  В.В.  Гидрологическое  обеспечение  надежности  строительных  проектов  при  изменении  климата.  —  СПб.:  изд.  РГГМУ,  2009.  —  100  с.

2.Коваленко  В.В.  Оценка  гидрологической  надежности  гидротехнических  сооружений  при  неустановившемся  климате  //  Гидротехническое  строительство,  №  4,  2010.  —  С.  41—44.

3.Коваленко  В.В.  Теоретическое  и  экспериментальное  обоснование  зависимости  фрактальной  размерности  рядов  многолетнего  стока  от  климатической  нормы  приземной  температуры  воздуха  //  ДОКЛАДЫ  АКАДЕМИИ  НАУК,  2012,  том  444,  №  6,  с.  666—670.

4.Коваленко  В.В.,  Гайдукова  Е.В.  Влияние  климатической  нормы  приземной  температуры  воздуха  на  фрактальную  размерность  рядов  многолетнего  речного  стока  //  ДОКЛАДЫ  АКАДЕМИИ  НАУК,  2011,  том  439,  №  6,  с.  815—817.

5.Коваленко  В.В.,  Гайдукова  Е.В.,  Хаустов  В.А.,  Громова  М.Н.,  Девятов  В.С.,  Шевнина  Е.В.  Влияние  изменения  климата  на  многолетний  слой  стока  весеннего  половодья  рек  Арктической  зоны  России  //  «Ученые  записки  Российского  государственного  гидрометеорологического  университета»,  №  14,  2010.  —  С.  14—19.

6.СП  33-101-2003.  Определение  основных  расчетных  гидрологических  характеристик  /  Госстрой  России.  —  М.:  ФГУП  ЦПП,  2004.  —  73  с.

7.The  IPCC  Assessment  Reports  //  IPCC.  —  2009.  —  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  htpp//www.ipcc.ch.  (дата  обращения  23.05.2013).