Принципы оптимального размещения постов наблюдения

В настоящее время гидрологические посты, осуществляющие наблюдения на водных объектах, принадлежат различным министерствам и ведомствам, работают изолированно и решают специфические задачи различных отраслей народного хозяйства — получение информации осуществляется: Министерством природных ресурсов (Федеральное агентство водных ресурсов; Росгидромет); Министерством промышленности и энергетики; Министерством транспорта; Министерством здравоохранения и социального обеспечения; Министерством сельского хозяйства и Министерством регионального развития. Основная роль в обеспечении учета естественного и измененного режима водных объектов в количественных и качественных показателях принадлежит Росгидромету.

Все возрастающие масштабы использования естественных ресурсов, в том числе и природных вод, участившиеся катастрофические половодья и паводки на реках России и загрязнение природных вод требуют, чтобы все виды гидрологических наблюдений проводились в увязке и взаимодействии.

В современных условиях преобладающего измененного режима водных объектов оптимальная сеть должна обеспечивать решение комплекса задач:

• • пространственную интерполяцию гидрологических элементов с точностью 10—15 %;
• • составление водных и водохозяйственных балансов речных водосборов, участков рек, озер, водохранилищ;
• • оценку степени загрязнения водных объектов;
• • прогнозирование притока речных вод к узлам управления водными ресурсами, катастрофических уровней воды в водных объектах;
• • обеспечение потребителей гидрологической информацией и в то же время отвечать техническим возможностям и экономической целесообразности открытия дополнительных пунктов наблюдения.

При разработке оптимальной сети пунктов наблюдения в системе мониторинга водных объектов необходимо в первую очередь определить оптимальную плотность постов и конкретное их расположение.

Для рационального размещения сети необходимо предварительно выделить частное и общее в природе гидрологического процесса, зональные и азональные его элементы. Эта задача может быть решена на основе гидрологического районирования территории.

Цель гидрологического районирования заключается в установлении однородных по физико-географическим и гидрологическим условиям районов, в пределах которых возможно правильное обобщение основных характеристик режима и распространение их на неизученные водные объекты по методу гидрологических аналогий.

Основным принципом районирования является однородность условий формирования стока. В качестве критерия однородности принимаются воднобалансовые соотношения, от которых зависят и другие черты водного режима. В принципе, гидрологическое районирование оказывается возможным не только для территорий, на которых выполнялись наблюдения, но и для территорий, где режим стока или неизвестен вовсе, или известен в незначительной степени. В последнем случае для районирования используются данные о распределении осадков и совокупность ландшафтных признаков — густота речной сети, рельеф, геологическое строение, растительный покров и т. п.

Каждая область рассматриваемой территории должна быть отнесена к одному из гидрологических районов, и в итоге на базе гидрологического районирования определяются исходные данные для обоснования оптимальной сети, ибо только этим методом может быть учтена физическая основа гидрологических процессов при аналитическом представлении полей элементов стока и водного баланса.

Если рассматривать распределение стока по территории, то характеристики пространственно-временной его изменчивости и точности определения приводят к следующей функции поля:

где V — градиент стока; CV — коэффициент вариации годового стока; /?(1) — нормированная корреляционная функция для годового стока рек; (1) — расстояние между центрами водосборов.

Областью определения функции поля является площадь гидрологического района.

При размещении режимных постов необходимо учитывать свойства функции поля, от которых зависит надежность информации об изменении стока.

Заданная степень надежности информации может быть достигнута только при вполне определенном соответствии характеристик изменчивости стока и погрешности его определения о. В качестве определяющих условий для размещения постов следует рассмотреть по крайней мере два критерия:

• 1) надежность информации о пространственном изменении нормы стока по результатам измерений на постах;
• 2) надежность интерполяции на промежуточные пункты измеренных характеристик стока для любого года.

Но назначение режимной сети не исчерпывается информацией о стоке. Кроме данных о водных ресурсах, для обслуживания предприятий и проведения водохозяйственных мероприятий требуется комплекс других сведений, характеризующих конкретные водные объекты (режим уровней, максимальных и минимальных расходов, ледовых явлений и т. п.), бассейны и территории (элементы водного баланса). Все это приводит к необходимости иметь посты не только на реках с оптимальным водосбором, но и на каждом относительно крупном водосборе, а также на каком-то количестве более мелких рек, необходимых для изучения условий формирования стока.

Основной задачей стоковых постов на транзитных участках рек следует считать не линейную интерполяцию стока между пунктами, а получение характеристик экстремальных расходов, данных об амплитуде колебания уровней воды, изменении твердого стока и т. п.

Число постов на малых реках, водосборы которых меньше оптимального, зависит от их значения для конкретной территории. Если рассматривать бассейны, где густота сети на малых реках в достаточной мере обеспечивает освещение режима вод по методу гидрологических аналогий, то обычно 15—30 % общей численности сети размещается на малых реках, имеющих водосбор менее 500 км².

Таким образом, опорная сеть в основном окажется размещенной не только на крупных, но и на малых реках. Это означает, что с точки зрения масштаба мероприятий по комплексному использованию водных ресурсов опорная сеть вполне достаточна для получения данных о пространственном распределении не только основных элементов — нормы и годового стока, но и характеристик максимальных и минимальных расходов, ледовых явлений и т. п.

На современном этапе все более возрастает значение воднобалансовых исследований. Оценка элементов водного баланса позволяет наиболее полно определять состояние водных ресурсов в различных районах страны.

Изучение водного баланса каждого географического района проводится на 2—5 типичных водосборах средней площадью 10—20 тыс. км² каждый. Они размещаются равномерно по территории районов. Дополнительно в каждом из этих водосборов могут быть выбраны более мелкие водосборы (до 5 тыс. км²).

Для проведения воднобалансовых наблюдений не требуется слишком густая сеть постов, они могут быть выделены из состава оптимальной режимной сети.

Требования различных отраслей к гидрологической информации сложны и многообразны, а иногда и противоречивы. Размещение сети, преимущественно удовлетворяющее какую-либо одну отрасль, было бы неправомерным. Водные ресурсы едины для различных отраслей народного хозяйства и обширных территорий. Отсюда проистекает комплексный характер крупных водохозяйственных мероприятий. В той же мере комплексность этих задач должна быть отражена в размещении опорной сети.

Равномерность размещения постов — основное требование, которому должна удовлетворять опорная сеть для интерполяции стока в пределах гидрологического района. Однако равномерное развитие сети без учета перспектив водохозяйственного строительства и комплексного использования водных ресурсов не может считаться экономически оправданным. Оптимальная опорная сеть успешно выполнит свою роль лишь в том случае, если она по срокам своего развертывания будет опережать проектирование и осуществление водохозяйственных мероприятий.

Задачи комплексного использования водных ресурсов должны найти отражение не только в темпах развития сети, но также и в ее размещении. Ориентируясь на установленные выше критерии оптимальной густоты постов, само размещение сети следует подчинить задачам надежного обоснования функционирования и развития водного хозяйства страны. При наличии региональных (бассейновых) схем комплексного использования водных ресурсов возможно рационализировать существующую или развивать заново опорную сеть. Узловыми элементами схем комплексного использования водных ресурсов являются гидроузлы и водохранилища, регулирующие сток. Положение этих узлов — главный фактор, определяющий размещение гидрологической сети.

Для обоснования режимов работы гидроузла с водохранилищем и необходимых попусков в его нижний бьеф требуются следующие основные гидрологические данные:

• • о максимальном наблюденном расходе воды;
• • о расчетном максимальном расходе воды;
• • о стоке за период не менее 10—20 лет;
• • о расчетном гидрографе половодья;
• • сведения о ледовом режиме и наносах.

Для малоизученных районов эти данные приходится определять по аналогии, т. е. используя наблюдения на ближайшем к гидроузлу (нередко весьма отдаленном) стоковом пункте.

В эксплуатационный период значение текущей информации о расходах воды еще более возрастает. Для суточных водных балансов водохранилищ, составляемых на ГЭС, требуются сведения об ежедневных расходах воды на входном створе и на замыкающих стоковых пунктах на притоках в водохранилище. Эти сведения приобретают особо важное значение в период половодья, когда их используют для корректирования гидропрогноза в целях поддержания режима водохранилища, обеспечивающего наименьшие потери гидроэнергии и в то же время гарантирующего непревышение предельно допустимой отметки верхнего бьефа.

Гидрологическая сеть в бассейнах водохранилищ и в районах гидроузлов должна строиться с учетом следующих факторов:

• • влияние на сток (на максимальный сток) природных условий;
• • проводимые на данной территории водохозяйственные мероприятия с учетом их первоочередности и значимости;
• • расчет времени добегания стока (максимального стока) с разных частей бассейна до водохранилища.

Кроме того, в целях изучения водного режима в новых условиях в каждом конкретном случае должны быть своевременно выбраны и открыты входные стоковые пункты, а также один или несколько стоковых и уровенных пунктов в нижнем бьефе ГЭС.

Наличие в разных частях бассейна существенных различий в естественных условиях должно строго учитываться при размещении постов на притоках. Влияние разных природных условий может сказываться в равной степени на годовых и характерных расходах или же вносить существенное разнообразие в формирование характерных, в первую очередь максимальных, расходов по сравнению с годовыми. При этом при размещении опорных стоковых пунктов в бассейне бывает необходимо после анализа имеющихся данных открывать на ряде рек дополнительные стоковые пункты с целью изучения максимальных расходов.

При размещении опорной гидрологической сети, естественно, должны учитываться плановые водохозяйственные мероприятия в бассейне водохранилища. Проведение указанных мероприятий вызывает, как правило, открытие ведомственных постов. Ведомства рассматривают свои посты как временные и часто закрывают их. Росгидромет должен учитывать ведомственные посты в своем плане размещения опорной сети, и те из них, которые соответствуют предъявляемым требованиям, принимать от ведомственной организации для продолжения на них наблюдений по возможности без разрыва во времени.

Изучение и текущее освещение времени добегания стока с различных частей водосбора до крупного водохранилища имеют большое практическое значение, прежде всего для получения графиков притока в периоды половодья, особенно на подъеме. Удачное прогнозирование и умелое, обоснованное корректирование графика притока способствуют наилучшему в данных условиях сохранению или аккумулированию запасов воды в водохранилище и обеспеченной работе ГЭС в году. Одним из условий при обслуживании водохранилищ является требование иметь стоковые посты на основных притоках непосредственно выше их впадения в водохранилище. Остальные посты для изучения добегания должны быть размещены в соответствии с требованиями к сети в отношении изучения стока.

Для правильного размещения гидрологических пунктов в нижнем бьефе необходимо в каждом конкретном случае четко определить задачи наблюдений и длину участка, на котором требуется разместить посты. В ряде случаев необходимо изучение уровенного режима и в подпертом нижнем бьефе ГЭС, а также ниже крупного притока, например при обслуживании рыбных нерестилищ, затопление которых обеспечивается только специальными попусками с ГЭС. Поэтому правильнее определять нижний бьеф как участок реки ниже данного гидроузла, на котором существенно сказывается и подлежит изучению влияние зарегулированного водного режима в створе гидроузла. При этом необходимо учитывать, по возможности, интересы всех водопользователей — судоходства, водоснабжения, орошения, рыбного хозяйства, а также изучение русловых процессов, контроль учета стока на ГЭС и др.

Из общего состава гидрологической информации для непосредственного использования можно выделить:

• • характеристики и сведения, необходимые для разработки гидрологических прогнозов;
• • данные о расходах воды в зоне крупных гидроузлов и водохранилищ для составления водного и водохозяйственного балансов и оперативных планов комплексного использования вод;
• • сведения о текущем режиме водных объектов (уровни, расходы воды, температура воды, мутность, ледовые явления, качество воды и т. д.).

Еще более высокие требования к опорной сети возникают на реках — источниках орошения и лимитированного водозабора, где необходим гидрометрический контроль всего стока. При этом следует иметь в виду не только поверхностные воды, но и подземную составляющую стока.

В районах орошения гидрометрические створы необходимо назначать не только при выходе рек из гор (это обязательное условие), но и в начале конуса выноса, который обычно образуют горные реки, вступая в равнинную часть бассейна. Если следовать далее по течению реки, то потребуются опорные посты у нижней границы зоны выклинивания грунтовых вод, в начале оросительного веера и в створах крупных водозаборов. Опорная сеть в районах осушения должна обеспечивать контроль за сбросными расходами из дренажных каналов в реки-водоприемники и определение баланса влаги на осушенных массивах. Как правило, в отличие от естественных условий, в зоне осушительных мелиораций, сопровождающихся спрямлением рек, активизируются процессы эрозии. Это обстоятельство следует учитывать при размещении створов для измерения расходов воды, чтобы обеспечить одновременный учет твердого стока.

Все это позволяет сформулировать основные требования к размещению сети, предназначенной для оперативного обслуживания эксплуатации объектов комплексного использования водных ресурсов:

• • опорная сеть на зарегулированных реках, в зонах ГЭС, водохранилищ и оросительных систем должна отвечать требованиям краткосрочного прогноза по гидрометрическим данным о притоке воды в русловую сеть, а также обеспечивать увязку стока и составление текущего баланса водных масс;
• • гидрометрический контроль должен охватывать 50—70 %, а в наиболее ответственных случаях 80—90 % всего стока выше створа ГЭС или водозаборного узла.

Характер мероприятий по развитию сети будет существенно зависеть от гидрологической изученности территорий. Для районов европейской территории РФ, где густота сети близка к оптимальной, задача заключается в рационализации размещения постов без заметного увеличения их численности. При этом в связи с достаточной изученностью характеристик стока основным принципом в размещении сети является улучшение оперативного обслуживания промышленности и сельского хозяйства гидрологической информацией и уточнение элементов водного баланса территорий. Независимо от оперативно-информационных требований в каждом гидрологическом районе должны сохраниться и действовать стоковые посты с длительными рядами наблюдений, отражающие временные закономерности режима вод суши. Это так называемые реперные, или вековые, посты. Их общее количество достигает 15—20 % общего состава сети мониторинга.

В системе мониторинга водных объектов планируется комплексная автоматизация системы гидрометеорологических наблюдений. Наряду с территориальными центрами сбора, обработки и распространения информации автоматизированные гидрологические посты в комплексе с унифицированными автоматическими телеизмерительными станциями будут источниками первичных данных о гидрометеорологическом режиме.

На гидрологических постах должны быть установлены средства автоматики, возведены гидрометрические сооружения для установки датчиков в потоке и механизации измерительных процессов, а оперативные посты должны иметь оборудование связи. Всякий перенос постов окажется непростым и дорогостоящим делом и будет связан с перебазированием сложного оборудования, гидрометрических устройств и проведением новых линий связи.

Создание автоматических речных постов позволит преодолеть основную трудность развития сети — отсутствие персонала в необжитых районах страны.