Гидрологические прогнозы – это отрасль гидрологии суши о научно обоснованных методах и способах предвычисления гидрологического режима рек. Гидрологическими прогнозами называют также результаты предвычисления или предсказания, полученные в результате различных методов прогнозирования.
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. 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 представляются 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.
Развитие гидрологических прогнозов как чисто прикладной отрасли знаний, предназначенной для удовлетворения практических запросов народного хозяйства, определялось и определяется двумя факторам:
1) Уровнем развития и организацией народного хозяйства;
2) Развитием смежных дисциплин гидрометеорологического цикла.
Необходимость в разработке и практическом использовании гидрологических прогнозов могла возникнуть только на определенном уровне развития народного хозяйства (наличие развитого судоходства и концентрация крупных промышленных и гидрологических сооружений в долинах рек), когда потери и убытки от неучета возможных колебаний гидрологического режима стали весьма значительными.
Особенно велика роль гидрологических прогнозов в условиях планирования народного хозяйства.
Указанными выше факторами – уровнем развития народного хозяйства и смежных гидрометеорологических дисциплин – объясняется сравнительная молодость гидрологических прогнозов.
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 р. 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 Бельгран только через 20 лет, в 1850 г., смог дать первый пробных 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, Масс и др.); такие же службы возникают в 1886 г. в Германии (рр. Одер, Эльба, Рейн), в 1904 г. – в Австрии, Швеции, Италии и т.д.
В России первые попытки научного прогноза связаны с развитием водного транспорта. Так, в 1893 г. Казанский водный округ МПС ввел регулярные телеграфные информации по уровню воды и глубинам на перекатах в 16 пунктах на р. Волга; данные наблюдений на этих пунктов ежедневно передавались в г. Казань и использовались для информации судоводителей об условиях плавания на реке. В дальнейшем материалы гидроинформации в бассейне р. Волги были использованы В.Г. Клейбером [15], Л.П. Квицинским [14], Д.Д. Гнусиным [9] и другими исследователями для разработки способов прогноза уровня воды и глубины на перекатах. Разработанные этими исследованиями способы прогноза были эффективными и передовыми по сравнению с аналогичными работами за рубежом. Поэтому, когда в 1896 г. Академия наук официально обратилась к председателю всероссийского съезда по водным путям с просьбой об организации исследований возможности предвидения уровней и глубины на судоходных реках, председатель съезда «с полным основанием констатировал, что исследования отечественных ученых уже создали возможность предвидения уровней и глубины» [4].
В последующие годы до 1917 г. работа в области гидропрогнозов в России ограничивалась в основном разработкой предсказаний уровня на крупных реках (Днепр, Зап. Двина) для обеспечения судоходства. Подобные предсказания давались, как правило, по так называемому методу соответственных уровней, т.е. по данным об 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 еще не существовало, так как гидрология рек находилась в зачаточном состоянии, а ряды гидрометеорологических наблюдений были еще 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 равняли 20 млн. золотых рублей) и оставило без крова 50 тысяч человек. После этого наводнения, привлекшего к проблеме гидрологического предсказания внимание ширококой общественности, появилось несколько интересных исследований А.И. Воейкова [5, 6], Е.А. Гейнца [7], М.А. Рыкачева [22] и др., в которых излагались причины и возможности предсказания половодья на реках Европейской части России. Наибольший интерес их этих исследований представляют работы А.И. Воейкова [5, 6], в которых обосновывается необходимость организации в России службы гидрометеорологических прогнозов и проведения широких работ по исследованию процессов снеготаяния и формирования весеннего половодья.
Предсказание половодий, по А.И. Воейкову, может быть получено только в результате широко организованных наблюдений над распределением на площади бассейна снежного покрова и дождевых осадков, а также исследований процессов таяния снега, добегания талых и дождевых вод и их потерь. «Для предсказания, - отмечает А.И. Воейков, - нужно знать условия самой реки, рельефов всего бассейна, проницаемость пород, его образующих, и условия растительного покрова».
Обобщая изложенное, следует отметить, что в дореволюционный период гидропрогнозы ограничивались в основном составлением простейших видов предсказаний уровня воды на крупных судоходных реках. Предсказания эти разрабатывались отдельными специалистами от случая к случаю, вследствие чего интенсивность развития и эффективность практического использования гидрологических прогнозов в дореволюционный период были невелики.
Октябрьская революция, давшая мощный толчок развитию народного хозяйства страны, сразу же сказалась на развитии всего комплекса гидрологических дисциплин. Поставленная В.И. Лениным задача электрификации России вызвала необходимость всестороннего исследования водных ресурсов и создания методик гидрологических расчетов и прогнозов. Вот почему уже в 1919 г., несмотря на массу стоящих перед молодым советским государством жизненно важных проблем военного и хозяйственного строительства, Совет Народных Комиссаров приняли решение об организации Государственного гидрологического института для научного руководства исследованиями по использованию водных ресурсов страны. Работа этого института, объединившего ведущих специалистов по различным отраслям геофизики, ускорила формирование гидрологии и, следовательно, содействовала быстрейшему развитию гидрологических прогнозов.
Историю развития гидропрогонозов от момента организации Государственного гидрологического института (ГГИ) до наших дней можно разбить на три этапа:
1) С 1919 по 1930 г.;
2) С 1930 по 1943 г.;
3) С 1943 по настоящее время.
Первый из указанных периодов развития – с 1919 по 1930 г. – характеризуется в основном продолжением работы по накоплению материалов гидрометеорологических наблюдений и разработке основ гидрологии суши. Исследования непосредственно для целей прогноза в этот период, хотя и более значительные по сравнению с прошлым, велись все же в ограниченных масштабах или были направлены к решению частных задач. Оперативные прогнозы выпускались еще нерегулярно.
Значительные исследования проводились в это время в Средней Азии для улучшения эксплуатации оросительных систем; поэтому Среднюю Азию называют иногда родиной отечественной гидрологии. Вместе с тем Средняя Азия может считаться и родиной отечественных прогнозов водного режима: в 1911 г. здесь были впервые начаты Э.М. Ольдекопом [19] исследования, показавшие реальные возможности предсказания расходов воды в реках по данным об осадках в горной части их бассейнов и температуре воздуха. В соответствии с этими исследованиями Э.М. Ольдекоп, а в 1924 г. Л. К. Давыдов [10] разработали схему организации наблюдений, необходимых для предсказания водного режима рек Средней Азии.
Первая работа в области гидропрогнозов была выполнена в Государственном гидрологическом институте, где был разработан метод прогноза весеннего половодья в бассейнах рр. Волга, Дон, Днепр, Западная Двина, Волхоз, Свирь, Северная Двина и Сухона. Прогноз составлялся на основании анкетных данных сведений о высоте снежного покрова к началу снеготаяния.
Второй период развития гидропрогнозов, начавшийся с момента организации этой службы, характеризуется интенсивным развитием долгосрочных прогнозов (главным образом весеннего половодья) и совершенствованием метода собственных уровней. Гидрологические прогнозы стали широко использоваться в это время для удовлетворения растущих запросов народного хозяйства, для планирования работы гидростанций, перевозок, лесосплавов, 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.
Наконец, в период с 1931 по 1943 г. появился ряд работ, послуживших фундаментом для последующего развития методики краткосрочных прогнозов стока на малых и средних реках; до этого времени подобных прогнозов еще не существовало.
В 1931 г. появилась работа М.А. Великанова [33], в которой впервые были сформулированы основные принципы метода изохрон. В дальнейшем этот метод получил широкое развитие и в настоящее время является одним из перспективных методов краткосрочного прогнозирования.
В 1935 г. Б.А. Аполлов [34] впервые излагает принцип нового метода прогнозирования – метода водного баланса, также оказавшегося весьма плодотворным.
Третий, современный этап развития гидропрогнозов, характеризуется прежде всего большой интенсивностью научно-исследовательской работы, проводимой в Центральном институте прогнозов, Государственном гидрологическом институте, Киевском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте и местных управлениях гидрометеорологической службы.
Значительная часть всех исследований в последний период времени сконцентрирована на проблеме краткосрочного прогноза паводков метода 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 формирований 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 предложение Г.П. Калинина об использовании для целей прогноза данных об объеме воды и суммарном притоке в русловой сети бассейна.
Второй значительной проблемой, которая решилась и решается в последние годы, является разработка методики расчета 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 последнего периода является разработка прогнозов стока методом водного баланса. В настоящее время тема эта (так же, вероятно, как и все предыдущие) еще далека от полного решения. Однако несомненный успех, достигнутый Г.П. Калининым в разработке прогнозов по объему воды в русловой сети, а также хорошие результаты, полученные Т.Т. Макаровой при использовании метода водного баланса для прогноза половодья р. Молога, подтверждают перспективность и актуальность этого метода прогнозирования.
В целом научно-исследовательская работа последних лет 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.
Своевременные прогнозы являются количественными. В них указывается конкретная дата и величина прогнозируемого элемента, а также величина допустимой погрешности прогноза.
Несмотря на очевидные успехи развития, некоторые виды прогнозов, главным образом долгосрочные, остаются еще эмпирическими по своему существу, и точность их отстает от требований практики. Это объясняется, во-первых, молодостью не только гидрологических прогнозов, но и самой гидрологии, во-вторых, исключительной сложностью процесса стока с площади водосбора.
Сложность процесса стока объясняется, прежде всего, наличием бесконечно большого числа факторов, определяющих движение частицы воды на пути от места выпадения дождя до замыкающего створа реки.
Наличие большого числа определяющих факторов и невозможность их полного учета делают понятным сложность задачи, стоящей перед теоретиками-прогнозистами и приводят к выводу о неизбежности элементов эмпиризма в гидропрогнозах, так как невозможно построить систему дифференциальных уравнений, полностью описывающих связь прогнозируемого элемента со всеми определяющими его факторами.
Существующие в настоящее время речные гидрологические прогнозы можно классифицировать по трем основным признакам:
1) По виду реки:
1.1) Прогнозы на равнинных реках;
1.2) Прогнозы на горных реках.
2) По прогнозируемому элементу:
2.1.) Прогнозы стока (уровня, расхода);
2.2.) Прогнозы ледовых явлений.
3) По заблаговременности прогноза:
3.1) Краткосрочные прогнозы – с заблаговременностью до 10 суток;
3.2) Долгосрочные прогнозы – с заблаговременности от 10 суток дл 1 года;
3.3) Сверхдолгосрочные прогнозы - с заблаговременностью от 1 года и более.
4) По территориальному признаку:
4.1) Локальные, или местные;
4.2) 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 счет 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 ледяных явлений и, следовательно, различием методов их прогнозирования.
Классификация по заблаговременности прогнозов является условной и определяется уровнем развития гидропрогнозов особенностями существующей системы их оценки.
Наконец, подразделение прогнозов на локальные и фоновые исходит от площади, охватываемой прогнозом. В первом случае подразумеваются прогнозы для отдельных пунктов или участков рек, во втором – прогнозы средних величин стока для какой-либо территории.
В соответствии с приведенной классификацией курс гидрологических прогнозов может быть подразделен на четыре части:
I. Краткосрочные прогнозы стока на равнинных реках.
II. Долгосрочные прогнозы на равнинных реках.
III. Прогнозы стока на горных реках.
IV. Прогнозы ледовых явлений.