2.2 Цикличность в колебаниях годового стока. Методы выделения циклов водности. Норма годового стока. Районирование за синхронностью колебаний годового стока.

Основной характеристикой водных ресурсов рек является средний многолетний расход или норма стока.

Если построить хронологические графики годового стока, то можно заметить, что колебания носят циклический характер, который выражается в последовательной смене маловодной и многоводной групп лет. Эти периоды различаются как по своей продолжительности, так и по степени отклонения от среднего. Некоторые циклы бывают выражены довольно четко, некоторые не так четко.

Цикличность – последовательная смена маловодных и многоводных групп лет, отличающихся по своей длительности и степени отклонения от среднего.

Группирование стока в маловодные и многоводные фазы свидетельствует о наличии связи между стоком близ лежащих лет.

Причины внутрирядной связности годового стока: вековые колебания климата. На протяжении 6000-го периода (А.В. Шнейников) увлажнение Евразии и Северной Америки колебалось около среднего значения, вместе с тем в течении исторического времени были длительные периоды, когда водность рек значительно отличалась от средней за современную эпоху. Однако, такие колебания стока рек, обусловленные изменением солнечной активности и связанной с этим общей циркуляцией атмосферы, являются крайне медленными, и в пределах периода жизни нескольких поколений, на который рассчитываются гидротехнические сооружения, они не могут быть заметны.

Внутривековые циклы. На фоне вековых колебаний стока появляются короткие циклы, продолжительностью 11 - 20 лет. Изменение во времени стока рек и уровни озер приблизительно совпадает с 11-летними циклами изменения солнечной активности, а также с 30 - 35-летними циклами внутривековых колебаний климатических факторов. Это так называемые Брикнеровские циклы. Появление внутривековых циклов обусловлено:

1) некоторой скоррелированностью осадков;

2) естественной зарегулированностью осадков почвогрунтами;

3) скоррелированностью слоя испарения.

Наличие связи между стоком близ лежащих лет оценивается при помощи корреляционной функции. Наличие многоводных и маловодных фаз в колебаниях годового стока заставляет нас проверять репрезентативность рядов годового стока. Для учета цикличности колебаний годового стока вводится понятие нормы годового стока.

Норма годового стока – это его средняя многолетняя величина, рассчитанная за период, содержащий не менее двух полных циклов водности при условии неизменного климата, ландшафта и антропогенного влияния. Допустимой погрешностью средней многолетней величины годового стока считается в зоне избыточного и достаточного увлажнения 5%, а в зоне недостаточного увлажнения – 10%.

Если случайная погрешность расчета превышает допустимую, то рассматриваемый ряд годового стока считается коротким, а его статистические параметры нуждаются в приведении к многолетнему периоду.

Выявление циклов водности в хронологических рядах годового стока.

1. Метод линейного фильтра.

Формула линейного осреднения:

, (2.7)

где Т – интервал осреднения.

Недостатком метода линейного фильтра является то, что сглаженный член ряда имеет тот же весовой коэффициент, что и близлежащие члены ряда, входящие в период осреднения. В результате может произойти смещение границ перехода из одной фазы водности в другую.

2. Метод биномиального фильтра.

Выделение циклов водности методом попарного осреднения увеличивает вклад центрального (сглаживаемого) члена ряда. В результате сохраняются свойства сглаживаемых элементов ряда, смещение границ циклов водности не происходит.

3. Выделение циклов водности при помощи метода разностных интегральных кривых.

Свойства разностной интегральной кривой:

1. если кривая направлена вверх, то это многоводная фаза;

2. если кривая направлена вниз, то это маловодная фаза;

3. маловодная и многоводная фазы образуют цикл водности;

4. границы циклов водности могут выделяться по точкам перегибов кривой, либо по точкам перехода через ноль.

При построении разностно-интегральной кривой играет роль хронологическая последовательность членов ряда, поэтому желательно выбирать ряды с непрерывными наблюдениями. Если существует разрыв в наблюдениях, то кривая состоит из нескольких частей, если разрыв менее трех лет, то пропущенные годы можно соединить пунктиром [2].

В данной работе в табл.2.2 (для примера р. Припять - с. Речица) и (приложения А1-А15), рассчитаны ординаты разностно-интегральных кривых для всех постов. По этим данным построены графики разностно-интегральных кривых (рис.2.1) и приложения Б1–Б3.

Таблица 2.2- Расчет ординат разностной интегральной кривой

для р. Припять - с. Речица, F=2210 км²

№ п/п	Год	qi, л/с км2	Ki	(Ki-1)	Σ(Кi-1)
1	1962	3,39	0,887	-0,113	-0,113
2	1963	1,83	0,479	-0,521	-0,634
3	1964	1,59	0,416	-0,584	-1,217
4	1965	3,86	1,010	0,010	-1,207
5	1966	5,07	1,327	0,327	-0,880
6	1967	5,61	1,469	0,469	-0,411
7	1968	2,68	0,702	-0,298	-0,709
8	1969	2,24	0,586	-0,414	-1,123
9	1970	5,34	1,398	0,398	-0,725
10	1971	4,13	1,081	0,081	-0,644
11	1972	2,16	0,565	-0,435	-1,079
12	1973	2,15	0,563	-0,437	-1,516
13	1974	14,00	3,665	2,665	1,149
14	1975	8,73	2,285	1,285	2,435
15	1976	2,05	0,537	-0,463	1,971
16	1977	2,57	0,673	-0,327	1,644
17	1978	4,98	1,304	0,304	1,948
18	1979	5,34	1,398	0,398	2,346
19	1980	13,00	3,403	2,403	4,749
20	1981	6,11	1,599	0,599	5,348
21	1982	2,26	0,592	-0,408	4,940
22	1983	1,85	0,484	-0,516	4,424
23	1984	1,31	0,343	-0,657	3,767
24	1985	2,30	0,602	-0,398	3,369
Продолжение табл. 2.2
25	1986	3,04	0,796	-0,204	3,165
26	1987	1,57	0,411	-0,589	2,576
27	1988	5,38	1,408	0,408	2,984
28	1989	2,24	0,586	-0,414	2,571
29	1990	1,64	0,429	-0,571	2,000
30	1991	1,66	0,435	-0,565	1,435
31	1992	1,89	0,495	-0,505	0,929
32	1993	3,09	0,809	-0,191	0,738
33	1994	2,92	0,764	-0,236	0,503
34	1995	3,87	1,013	0,013	0,516
35	1996	2,43	0,636	-0,364	0,152
36	1997	1,67	0,437	-0,563	-0,411
37	1998	4,66	1,220	0,220	-0,191
38	1999	5,48	1,435	0,435	0,243
39	2000	3,69	0,966	-0,034	0,209
40	2001	2,85	0,746	-0,254	-0,045
41	2002	3,94	1,031	0,031	-0,013
42	2004	2,43	0,636	-0,364	-0,377
43	2005	2,95	0,772	-0,228	-0,605
44	2006	3,73	0,976	-0,024	-0,628
45	2007	3,36	0,880	-0,120	-0,749
46	2008	4,00	1,047	0,047	-0,702
47	2009	4,75	1,243	0,243	-0,458
48	2010	5,79	1,516	0,516	0,058
	Среднее	3,82

Анализ разностных интегральных кривых стока показал что, на 15 постах из 16 (кроме р. Стырь – с. Млынок) хорошо выраженная синхронность в колебаниях годового стока. В среднем, для этих постов, на отрезке с 1945 г. по 2010 г. наблюдаются циклы водности, включающие маловодные и многоводные фазы. На постах р. Стоход - с.Гулевка , р.Стоход-пгт. Любешов и р. Иква - Млыновская ГЭС - имеются значительные разрывы в наблюдениях и поэтому сложно выбрать циклы водности. Но в среднем его можно выделить с 1959-60 гг. по 1989-2010 гг. Реки расположены в сходных климатических условиях, сходства также в условия формирования стока (почвы, гидрологические условия). Средние высоты водосборов практически одинаковы, колеблются в пределах 170-210 м. Условия формирования стока при­мерно одинаковы, что и находит свое отражение в довольно закономерном чередовании периодов многоводных и маловодных лет.

Рис. 2.1. Графики разностно-интегральных кривых для р.Припять-с.Речица, р.Припять-с.Любязь

р.Выжевка-с.Руда и р.Выжевка-пгт.Старая Выжевка