Общие положения гидрологических прогнозов
Среди опасных природных и техногенных процессов гидрологические прогнозы занимают особое место.
Гидрологические прогнозы – это отрасль гидрологии суши о научно обоснованных методах и способах предвычисления гидрологических режимов рек. Гидрологическими прогнозами называют так же результаты предвычисления или предсказания, полученные различными прогностическими методами и способами.
Научно обоснованные предсказания (прогнозы) гидрологического режима рек требуются в настоящее время для многих отраслей народного хозяйства, так или иначе связанных с использованием водных ресурсов. Особенно широко используются гидрологические прогнозы для планирования работы гидроэлектрических станций, систем промышленного и бытового водоснабжения и орошения, а также для обеспечения и планирования судоходства и лесосплава.
Для каждой из этих отраслей народного хозяйства требуются различные виды прогнозов в зависимости от специфики производства и требований эксплуатации. Так, например, для обеспечения судоходства требуется иметь прогнозы уровня воды на судоходных трассах, главным образом в районах мелководных перекатов и у пристаней. Для планирования работы гидроэлектрических станций, систем промышленного водоснабжения и орошения требуется иметь прогнозы средних расходов воды за месяц, сезон и год для обоснованного регулирования водохранилищ и планирования полезной отдачи в различные периоды года. Наконец, для планирования лесосплава большой интерес представляют прогнозы среднесуточных уровней в периоды прохождения весеннего половодья, когда обычно производится массовый лесосплав по малым рекам лесных районов.
Помимо основной задачи обеспечения текущего планирования водных ресурсов, гидрологические прогнозы широко используются для предупреждения об опасных гидрологических явлениях, в частности для предупреждения о прохождении паводков, о наводнениях, зажорах и заторах, начале весеннего ледохода и т.д. Для районов с развитой промышленностью и большой плотностью населения в долинах рек подобные предупреждения, в особенности о катастрофических паводках, представляют большую ценность, так как помогают своевременно подготовиться и по возможности уменьшить ущерб от разливов рек.
Первым фактором, определяющим возникновение и развитие гидрологических прогнозов, является уровень развития и организации народного хозяйства страны. Повышая эффективность всего народного хозяйства в целом, вместе с этим повышается эффективность применения гидрологических прогнозов. Так, например, несмотря на высокий уровень развития промышленности, гидротехнического строительства и судоходства, гидрологические прогнозы в России сегодня менее развиты по сравнению с прогнозами в СССР. Это объясняется прежде всего различием в интересах и требованиях отдельных компаний и монополий, участвующих в использовании водных ресурсов России.
Основная деятельность Федеральной службы по гидрометрологии и мониторингу окружающей среды (Госгидромет) заключается в составлении гидрологических прогнозов по водности рек России, включая прогнозы паводков. Службы гидрологических прогнозов призваны прежде всего решать задачу гидрологического обеспечения текущего планирования. В частности, устанавливаются продолжительность и условия навигации на внутренних водных путях, возможные размеры и распределения во времени выработки энергии на гидроэлектрических станциях, подача воды на орошения, продолжительность и условия лесосплава, нормальная эксплуатация промышленного водоснабжения, зависящая от изменений режима водоёмов, сроков и порядка ведения строительства гидрологических узлов и сооружений. Кроме того, основной задачей этих прогнозов является предупреждение высоких паводков и вызываемых ими наводнений, разливов и опасностей для сооружений и городов. Все эти и многие другие стороны народнохозяйственной деятельности планируется в соответствии с гидрологическим прогнозом.
Вторым фактором развития гидрологических прогнозов является уровень развития смежных дисциплин гидрометеорологического цикла.
Очевидно, что научно обоснованный гидрологический прогноз может быть разработан только на основе правильного представления о физической сущности процессов взаимодействия гидросферы с атмосферой. Основные закономерности в изменении режима рек и водоемов во времени могут быть установлены на основе анализа данных наблюдений за прошлый период. Поэтому гидрологические прогнозы смогли возникнуть только после накопления значительных материалов наблюдений и выявления на их основе закономерности движения воды на площади бассейна.
Гидрологические прогнозы, как раздел гидрологии, являются производными от смежных дисциплин гидрометеорологического цикла. Поэтому уровень развития гидропрогнозов определяется уровнем развития общей гидрологии, а также гидрогеологии, гидрометрии, общей и синоптической метеорологии и климатологии.
Первая попытка разработки гидрологического прогноза была сделана во Франции; в 1830 г. французское правительство поручило группе инженеров и в том числе инженеру Бельграну разработать метод предсказания паводков на реке Сена, которые причиняли значительный ущерб, расположенным в долине реки, жилым массивам и промышленным сооружениям. Отсутствие в то время достаточно длинных рядов наблюдений, слабое развитие общей гидрологии и отсутствие быстрых средств связи привели к тому, что только через 20 лет, в 1850 г., смогли дать первый пробный прогноз дождевого паводка для узкого круга специалистов.
Во второй половине XIX века развитие гидропрогнозов, по мере развития судоходства и гидротехнического строительства, начало проходить в более быстром темпе. В период с 1853 по 1876 г. возникают службы гидроинформаций и прогнозов на отдельных реках Франции (рр. Луара, Сена, Маас и др.); такие же службы возникают в 1876 году в Германии (рр. Одер, Эльба, Рейн), в 1904 г. – в Австрии, Швеции, Италии и т.д.
В России впервые попытки научного прогноза связана с развитием водного транспорта. Так, в 1893 году Казанский водный округ МПС ввёл регулярные телеграфные информации по уровню воды и глубинам на перекатах 16 пунктах на реке Волга; данные наблюдений из этих пунктов ежедневно передавались в город Казань и использовались для информации судоводителей об условиях плавания на реке.
В последующие годы до 1917 г. работа в области гидропрогнозов в России ограничивалась в основном разработкой предсказанием уровня на крупных реках (Днепр, Зап. Двина) для обеспечения судоходства. Подобные предсказания давались, как правило, по так называемому методы соответственных уровней, т.е. по данным уровнях на верхних водомерных постах. Других методов прогнозирования, которые могли бы быть использованы на малых и средних реках, и тем более методов долгосрочного прогнозирования в то время не существовало, так как гидрология рек находилась в зачаточном состоянии, а ряды гидрометеорологических наблюдений были ещё очень короткими. Значительным толчком к дальнейшему развитию гидропрогнозов в России послужило катастрофически высокое наводнение на реках центра Европейской части России весной 1908 г., которое нанесло огромный ущерб (только в Москве убытки ровнялись 20 млн. золотых рублей) и оставило без крова 50 тыс. человек. После этого наводнения появилось несколько интересных исследований в области гидрологических прогнозов. Среди этих работ особое внимание заслужила работа А.И. Воейкова, в которой излагались причины и возможности предсказания половодья на реках Европейской части России и обосновывалась необходимость организации службы гидрологических прогнозов и проведения широких работ по исследованию процессов снеготаяния и формирования весеннего половодья.
После октябрьской революции в России мощный толчок получило развитие народного хозяйства. Поставленная В.И. Лениным задача электрификации России вызвала необходимость всестороннего исследования водных ресурсов и создания методик гидрологических расчётов и прогнозов. Вот почему уже в 1919 году, несмотря на массу проблем военного и хозяйственного строительства, Совет Народных Комиссаров принял решение об организации Государственного гидрологического института (ГГИ) для научного руководства исследованиями по использованию водных ресурсов страны.
Историю развития гидропрогнозов от момента организации ГГИ до наших дней можно разбить на 3 этапа:
1. с 1919 по 1930 гг.;
2. с 1930 по 1943 гг.;
3. с 1943 по н.в.
Очевидно, что указанное подразделение является условным.
Первый из указанных периодов развития характеризуется в основном продолжением работы по накоплению материалов гидрометеорологических наблюдений в разработке основ гидрологии суши. Исследования непосредственно для целей прогноза в этот период, хотя и более значительные по сравнению с прошлым, велись всё же в ограниченных масштабах или были направлены к решению частных задач. Оперативные прогнозы выпускались ещё нерегулярно.
1930 и 1943 гг. рассматриваются нами прежде всего потому, что в эти годы созданы организационные предпосылки для более интенсивного развития прогноза в будущем: в 1930 г. была организована специальная служба гидропрогнозов и информаций при Центральном бюро погоды (г. Москва), а в 1943 г. Центральный институт погоды был преобразован в Центральный институт прогнозов (ЦИП) с выделением отдела речных гидропрогнозов.
Второй период развития гидропрогнозов, начавшийся с момента организации этой службы, характеризуется интенсивным развитием долгосрочных прогнозов (главным образом весеннего половодья) и совершенствованием метода соответственных уровней. В этот период возникают многочисленные службы оповещения на строительствах гидроэлектростанций и при управлениях пароходств, а также Бюро гидропрогнозов и информаций в управлениях гидрометеорологической службы. Гидрологические прогнозы стали широко использоваться в это время для удовлетворения растущих запросов народного хозяйства, для планирования работы гидростанций, перевозок, лесосплава, орошения и т.д. В конце периода – с 1941 по 1943 г. – прогнозы стали применяться (правда, в весьма ограниченном количестве) для обеспечения боевых действий на фронтах Великой Отечественной Войны.
Из работ и исследований этого периода необходимо отметить следующее.
В 1931 – 1940 гг. опубликованы многочисленные работы А.В. Огиевского, В.А. Назарова, О.Т. Машкевича, В.Д. Комарова, Е.М. Соколовой, О.А. Спенглера и др. по прогнозу весеннего половодья. В отличии от аналогичных работ в первый период эти работы характеризуются более точным учётом факторов, определяющих сток половодья; в частности, для прогноза половодья в этих работах начинают использоваться данные о запасе воды в снежном покрове (произведение высоты снега на его плотность), тогда как ранее использовались только данные о высоте снежного покрова.
Значительное число исследований было так же посвящено развитию и уточнению метода соответственных уровней. В частности, в работах Б.А. Аполлова, Ф.И. Быдина, В.А. Назарова, А.В. Огиевского и др. были изложены новые приёмы определения скорости движения паводка в русле и сделаны первые попытки учёта боковой приточности. В работах Е.В. Берга, К.П. Воскресенского и М.Н. Львовича были использованы изохроны добегания стока в речной системе и произведено увеличение заблаговременности прогноза путём введения, так называемых, прогнозов в речной системе.
Третий, своевременный этап развития гидропрогнозов характеризуется прежде всего большой интенсивностью научно-исследовательской работы, проводимой в Центральном институте прогнозов, ГГИ и Киевском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте и местных управлениях гидрометеорологической службы.
Значительная часть всех исследований в этот период времени сконцентрирована на проблеме краткосрочного прогноза паводков методом изохрон. Этой проблеме посвящены, в частности, многочисленные работы А.В. Огиевского, Г.П. Калинина, В.Д. Комарова, Б.П. Казанцева и других исследователей. Многие из этих работ позволили выявить новые методологические возможности для генетического анализа формирования стока, а также реальные пути уточнения и увеличения заблаговременности гидрологических прогнозов. Особенно плодотворными для общего развития прогнозов оказались выдвинутый А.В. Огиевским принцип бассейна-индикатора и предложения Г.П. Калинина об использовании для целей прогноза данных об объёме воды и суммарном притоке в русловой сети бассейна.
Второй значительной проблемой, которая решалась в последние годы, является методики расчёта снеготаяния и потерь талого стока. Этой теме были посвящены многочисленные работы П.П. Кузьмина, Е.Г. Попова, В.Д. Комарова и других исследователей. Наконец, третьей центральной темой научно-исследовательской работы является разработка прогнозов стока методом водного баланса. В настоящее время тема эта ещё далека от полного решения. Однако несомненный успех, достигнутый Г.П. Калининым в разработке прогнозов по объёму воды в русловой сети, а также хорошие результаты, полученные Т.Т. Макаровой при использовании метода водного баланса для прогноза половодья на р. Молога подтверждают перспективность и актуальность этого метода прогнозирования.
В целом научно-исследовательская работа третьего периода направлена к одной цели – повышению точности и заблаговременности гидрологических прогнозов. Усилиями гидрологов-прогнозистов и прежде всего ведущего коллектива Центрального института прогнозов существенно развита теория гидропрогнозов, особенно краткосрочных, и созданы предпосылки для более строгого теоретического решения проблемы долгосрочного прогнозирования стока. В результате этого значительно повысилась точность прогнозов.
Классификация и общая характеристика методов прогнозирования
В настоящей дисциплине «прогнозирование техногенных и природных процессов» будем изучать краткосрочные и долгосрочные прогнозы стока на равнинных реках. Для понимания содержательной части этой дисциплины необходимо изучить классификацию речных гидрологических прогнозов.
Существующие в настоящее время речные гидрологические прогнозы можно классифицировать по трём основным признакам:
1) По виду реки: а) прогнозы на равнинных реках, б) прогнозы на горных реках;
2) По прогнозируемому элементу: а) прогнозы стока (уровня, расхода), б) прогнозы ледовых явлений;
3) По заблаговременности прогноза: а) краткосрочные прогнозы – с заблаговременностью до 10 суток, б) долгосрочные прогнозы – с заблаговременностью от 10 суток до 1 года, в) сверхдолгосрочные – с заблаговременностью от 1 года и более;
4) По территориальному признаку: а) локальные или местные; б) фоновые или районные.
Классификация по виду реки объясняется различными условиями формирования гидрологических процессов на равнинных и горных реках. В частности, летне-осенний сток на горных реках формируется за счёт таяния ледников и снега в горах выше снеговой линии, и, следовательно, определяется температурой воздуха, в то время как на равнинных реках летне-осенний сток определяется запасом грунтовых вод и осадками на площади водосбора, т. е. от температуры воздуха не зависит.
Классификация по второму признаку – по прогнозируемому элементу – объясняется различием факторов, определяющих формирование стока и и ледовых явлений и, следовательно, различием методов их прогнозирования.
Классификация по заблаговременности прогнозов является условной и определяется уровнем развития гидропрогнозов и особенностями существующей системы их оценки.
Наконец, подразделение прогнозов на локальные и фоновые исходит из площади, охватываемой прогнозом. В первом случае подразумевают прогнозы для отдельных пунктов или участков рек, во втором – прогнозы средних величин стока для какой-нибудь территории.
В соответствии с приведённой классификацией курс гидрологических прогнозов может быть подразделён на четыре части
Краткосрочными прогнозами стока, как уже указывалось, условно называются прогнозы расхода и уровня воды с заблаговременностью не свыше 10 суток.
В настоящее время существует 4 вида краткосрочных прогнозов стока:
1) Метод тенденций
2) Метод соответственных уровней
3) Метод изохрон
4) Метод водного баланса
По характеру исходного материала эти методы можно разбить на: а) гидрометрические и б) гидрометеорологические.
К гидрометрическим относятся методы тенденций и соответственных уровней, к гидрометеорологическим – методы изохрон и водного баланса.
Гидрометрическими методами прогнозирования называются методы, основанные на использовании материалов гидрометрических наблюдений в русловой сети бассейна. Методы этой группы не требуют использования данных метеорологических наблюдений в бассейне реки (осадков, температуры воздуха и т.д), так как не учитывают процесса склонового стока, т.е стока т алых и дождевых вод на площади водосбора. Поэтому гидрометрические методы могут быть так же названы методами прогнозов, «основанных на учёте процессов, происходящих в русловой сети»
В отличие от этого гидрометеорологические методы основаны на использовании как гидрометрических, так и метеорологических данных. Методы этой группы требуют учёта как руслового, так и склонового стока и поэтому могут быть названы «методами, основанными на анализе процессов, происходящих в бассейне».
Возможность применения гидрометрических и гидрометеорологических методов определяется в основном площадью водосбора. Гидрологические методы применяются в основном на средних и крупных реках с большой протяженностью русловой сети и большим запасом воды в ней. В отличие от этого гидрометеорологические методы применимы в основном на реках со сравнительно небольшой площадью водосбора и небольшим запасом воды в русловой сети. Более подробно об этом будет изложено ниже, при описании методов прогнозирования. В общих же чертах различия указанных методов в зависимости от площади водосбора объясняются следующим.
Очевидно, что колебания руслового стока вызываются осадками, причём
Где 
– расход в замыкающем створе бассейна в момент T; 
- осадки и потери стока на площади водосбора до момента Т-t0, t0 – среднее время добегания осадков до замыкающего створа бассейна.
На этой зависимости и основаны, строго говоря, все современные краткосрочные прогнозы стока как гидрометрические, так и гидрометеорологические. Таким образом, несмотря на различие в исходных материалах, гидрометеорологические и гидрометрические методы имеют общую основу – зависимость (см. формулу); исходя из этого, можно сказать, что отличие гидрометрических методов от методов гидрометеорологических заключается в приёме учёта осадков и потерь стока на площади водосбора. В гидрометрических методах учёт этих факторов производится косвенно, путём использования гидрометрических наблюдений в русловой сети; в отличие от этого гидрометеорологических методах учёт осадков и потерь стока производится непосредственно, путём использования материалов наблюдения над этим элементом.
Предположим, что момент Т –дата выпуска прогноза; исходя из этого, установим вид прогнозных зависимостей, соответствующих двум указанным направлениям краткосрочного прогнозирования.
Прежде всего из предыдущей формулы следует
(а)
Эту зависимость можно рассматривать как теоретическую основу гидрометеорологических методов прогнозирования; там образом заблаговременность прогнозов по гидрометеорологическим мет одам равна Т0, т.е. времени добавления осадков с площади водосбора.
Прибавив теперь к индексам времени в обоих частях величину t, получим
(б)
Величина QT в правой части этого равенства следует на подстановки.
В отличие от (а) зависимость (б) может рассматриваться как теоритическая основа гидрометрических методов прогнозирования; следовательно, величина t в зависимости (б) является заблаговременностью прогнозов по этим методам.
Сравнивая (б) с (а), приходим к выводу, что в гидрометрических методах осадки подразделяются на две части: осадки, которые к моменту Т уже достигли русла и образовали сток с расходом QT, и осадки, которые стекают в русловую сеть в период от Т до T+t, т.е. в период заблаговременности прогноза. Очевидно, что в период от Т до T+t первая часть осадков будет стекать по руслу и, следовательно, величина t не может быть больше времени руслового добегания, т.е. периода, в течении которого паводки проходят всю русловую сеть от истока до замыкающего створа.
Уверенные гидрометрические прогнозы имеют заблаговременность 
Где τ – время руслового добегания. Этим в основном и определяются следующие особенности применения гидрометрических методов.
Во-первых, так как, согласно условию , т.е. величина t сравнительно невелика, то осадками в период от Т до T+t можно пренебречь; принимая это, получим на (б) приближённую зависимость
(в)
Которая является практической основой гидрометрических методов прогнозирования.
Во вторых, так как , то гидрометрические методы могут быть использованы только на крупных или средних реках, имеющих большую величину руслового времени добегания τ. Ена малых реках, где время добегания небольшое, например, τ = 1 сут.), заблаговременность прогноза по гидрометрическим методам будет невелика и, следовательно, применение их будет нецелесообразно.
В отличие от этого гидрометеорологические методы применимы в основном на малых водосборах, что объясняется двумя причинами. Во-первых, на сравнение (а) с (б) следует, что τ0>t, т.е. заблаговременность прогнозов по гидрометеорологическим методам всегда больше, чем по гидрометрическим. Поэтому гидрометеорологические методы могут быть использованы там, где гидрометрические методы уже недоступны (из-за большой величины t).
Во-вторых, гидрометеорологические методы основаны на предположении о равномерности осадков и потери стока на площади водосбора [т.е. величин х и р в формуле (а)]. Очевидно, что это условие справедливо только для бассейнов небольшого размера, имеющих сравнительно однородные по площади физико – географические и климатические характеристики.