Гидрологические прогнозы

Большинство научных дисциплин в процессе своего развития проходят три последовательных этапа: описание явлений и процессов - объяснение их - предвидение. Научный прогноз, основанный на тщательном изучении причинно-следственных связей, является обычно высшим этапом, завершающим становление данной научной дисциплины.

Примерно по такому пути шло и развитие гидрологии, входящей, наряду с геологией и метеорологией, в комплекс наук о Земле.

Первые данные описательного характера о реках и озерах встречаются у географов и историков древности, предпринимавших дальние путешествия в таинственные страны.

Сбор описательных, гидрографических, сведений о крупнейших реках и озерах Земли закончился в основном к середине 19 в. Это дало возможность перейти от описаний гидрологических явлений и процессов к их исследованию и объяснению, приступить к научным обобщениям, в первую очередь к разработке учения о речном стоке и водном балансе речных бассейнов, к изучению круговорота воды на земном шаре, что можно считать одним из главных достижений гидрологии в 19 в.

Одновременно начался выпуск и первых, опытных, гидрологических прогнозов. Их родиной можно считать Францию, где Ф. Э. Бельгран, создатель первой в мире гидрометрической службы, с 1854 г. выпускал официальные прогнозы паводков на Сене, у Парижа.

Вообще первое подобие службы гидрологических прогнозов существовало уже в Древнем Египте. Историк Диодор Сицилийский (1 в. до н. э.) сообщает, что по ниломеру Мемфиса население оповещалось о предстоящем наводнении (именно об ожидающемся катастрофическом подъеме уровня воды, а не об обычном ежегодном разливе). В сезон наводнений за уровнем Нила велись тщательные наблюдения, результаты которых сопоставлялись с данными за прошлые годы. С водомерных пунктов в верхнем течении Нила слали в столицу на лодках одного за другим лучших гребцов с сообщениями о том, на каком уровне стоит в реке вода. Лодки, плывя по течению, опережали пик паводка и гребцы заблаговременно предупреждали жителей города о грозящем бедствии.

В 17-18 вв. подобная служба гидрологических оповещений действовала на некоторых реках Европы, известных своими опустошительными паводками и наводнениями. При выпадении обильных дождей в верхних течениях Вислы, По, Луары, Тиссы и других особенно подверженных наводнениями рек по прибрежным дорогам мчались в города, расположенные в нижнем течении этих рек, всадники-глашатаи, оповещая о надвигающейся опасности. Но все это были, разумеется, не научно обоснованные предвидения, какими должны быть истинные прогнозы, а скорее информация об уже наступившем опасном состоянии реки. Поэтому подлинный приоритет в организации службы прогнозов принадлежит, бесспорно, Бельграну.

В России регулярный выпуск гидрологических прогнозов был организован в 1894 г. на Волге по инициативе В. М. Лохтина по методике, разработанной инженером В. Г. Клейбером. Предсказывались наименьшие глубины на перекатах, представлявших серьезные помехи для судоходства (их общее число от Рыбинска до устья доходило до 200). Клейбер выпускал прогнозы по усовершенствованному им методу соответственных уровней. Метод этот основан на том, что подъем уровня воды в верхнем течении реки, вызванный дождевым или снеговым паводком, постепенно перемещается, как бы стекает вниз по течению со скоростью 50-60 км в сутки. Если на реке два водомерных поста, один в верхнем течении, а другой - в нижнем, то, сопоставляя их показания за ряд лет, можно установить, за какое время передвигается паводочная волна от верхнего поста до нижнего и какой высоте уровня на верхнем посту соответствует высота уровня на нижнем после прихода туда волны паводка (от этого метод и называется методом соответственных уровней).

Установив эти закономерности для данной пары постов, можно составлять прогноз по ним, т. е. по показаниям верхнего поста прогнозировать уровень воды на нижнем.

Метод прогнозов по соответственным уровням является одним из старейших методов; им обычно пользовались для краткосрочных прогнозов уровня воды на крупных судоходных реках. Составление прогнозов по этому методу носило, однако, несколько формальный характер, но и это совсем не просто. Дело в том, что если прогноз составляется на паре постов, настолько удаленных друг от друга, что между ними в прогнозируемую реку впадают крупные притоки, то установленную закономерность между соответственными уровнями на верхнем и нижнем постах эти притоки, точнее, неожиданные паводки на них, могут значительно нарушить и привести к неудачному прогнозу.

Заблаговременность прогноза, т. е. промежуток времени, проходящий от момента выпуска прогноза до момента наступления прогнозируемого явления, по методу соответственных уровней зависит от расстояния между верхним и нижним постами. Чем больше это расстояние, тем дольше проходит между ними паводочная волна, тем больше заблаговременность, тем ценнее прогноз, тем лучше для тех, кто им пользуется. Поэтому на небольших, коротких реках этот метод не годится.

В СССР первые прогнозы (весеннего половодья на реках европейской части) выпускал с 1922 г. в Государственном гидрологическом институте один из организаторов этого института В. Н. Лебедев на основании анкетных данных о высоте снежного покрова, об осеннем увлажнении почвы и ожидаемой дружности весны (определялась она по прогнозу Б. П. Мультановского). Лебедев был также организатором службы гидрологических оповещений Волховстроя, явившейся прототипом служб на других крупных гидростроительствах.

В конце 30-х годов в нашей стране была создана центральная служба гидрологических прогнозов.

В настоящее время свыше 100 тысяч гидрологических прогнозов и предупреждений выпускают Гидрометеорологический центр СССР и местные (республиканские и областные) управления гидрометеорологической службы для территории всего Советского Союза за год.

По содержанию прогнозы делятся на две большие группы: прогнозы водного режима и прогнозы ледового режима. Эти прогнозы для рек, озер, водохранилищ необходимы при планировании работы гидроэлектростанций, оросительных систем, водного транспорта, при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, в том числе водохранилищ. Прогнозы выпускаются также для морей СССР и подземных вод.

Прогноз водного режима составляется несколькими принципиально различными методами (мы познакомились с одним - методом соответственных уровней). Для разработки любого метода прогноза и успешного прогнозирования по нему требуется отличное знание гидрографии и режима водного объекта, глубокое знание климата бассейна и причин, обусловливающих ту или иную фазу режима. Но главное условие для разработки метода прогноза: необходим многолетний ряд наблюдений (за прошлые годы) за прогнозируемым элементом (высотой уровня, величиной расхода воды и т. п.) - на гидрологической станции и за обусловливающими его метеорологическими и другими факторами (осадками, температурой воздуха и т. п.) - на метеорологических станциях в бассейне. Выпустить оперативный прогноз нельзя без текущей информации о состоянии водного объекта, для которого дается прогноз, и об обусловливающих это состояние факторах.

Для иллюстрации приведем пример разработки метода прогноза весеннего половодья на равнинной реке СССР.

На первом этапе разработки метода прогноза следует точно установить причины, от которых зависит прогнозируемое явление или элемент режима. Отчего происходит весеннее половодье на реках? Все отлично знают, что причина - весеннее таяние снега. Но отчего половодье в одни годы бывает высоким, а в другие - низким, почему оно бывает иногда бурным, иногда затяжным? Совершенно очевидно, что чем больше выпадает снега зимой в бассейне, тем выше будет половодье, чем дружнее весна, тем быстрее стекут талые воды.

Следовательно, если знать, сколько снега накопилось за зиму в речном бассейне, можно предвидеть и размер половодья, т. е. составлять его прогноз. Как это делается практически?

Количество снега в бассейне определяют с помощью снегомерных съемок, или, как их еще называют, снегосъемок. Снегосъемки выполняются на метеорологических станциях через каждые 10 дней в течение всего зимнего периода, пока лежит снег. Во время снегосъемок метеорологи-наблюдатели проходят на лыжах по заранее намеченному, типичному для данной местности маршруту, длиной около 2 км, и измеряют вдоль маршрута через каждые 25 м высоту снежного покрова: легкую переносную рейку, разделенную на сантиметры, они втыкают вертикально в снег до самой поверхности почвы. Однако размеры половодья зависят не столько от высоты снега, сколько от количества воды, которое получается при таянии снежного покрова, или, как говорят метеорологи, от запаса воды в снежном покрове, или снегозапасов. Для того чтобы определить запас воды, нужно знать, кроме высоты снежного покрова, его плотность. Поэтому во время снегосъемки через каждые 100 м находят плотность снежного покрова. Особым прибором - снегомером - берут пробу снега из снежного покрова, определяют ее объем и взвешивают. По соотношению веса и объема пробы узнают плотность снега, а умножив плотность на высоту снежного покрова, вычисляют запас воды в нем. Для прогноза весеннего половодья запас воды в снежном покрове необходимо определить перед началом весеннего снеготаяния.

От величины снегозапасов зависит объем стока за время половодья, т. е. общее количество воды, которое образует растаявший снег и которое стекает по речным руслам. Поэтому в каком-либо пункте на реке подсчитывают объем стока за весь период наблюдений (по отдельным годам), определяют запасы воды в снежном покрове за этот же период в бассейне данной реки, осредняя снего-запасы по отдельным метеостанциям.

Далее составляют основной прогностический документ - график зависимости объема половодья от снегозапасов за прошлые годы. Однако объем половодья образуют не только снегозапасы, накопившиеся за зиму, но и жидкие осадки, выпадающие весной во время снеготаяния и половодья. Поэтому их следует прибавить к величинам снегозапасов и строить график зависимости (в прямоугольных координатах) объема половодья от суммы снегозапасов и весенних осадков. Каждая точка на таком графике соответствует определенному году наблюдений. Точки показывают, какой сумме снегозапасов и осадков (горизонтальная шкала) соответствовал тот или иной объем половодья (вертикальная шкала).

Точки на графике не улеглись на одну линию, что могло получиться только в случае строгой функциональной зависимости половодья от снегозапасов и осадков. Они образовали полосу, обнаружили некоторый разброс вокруг линии зависимости, проведенной по середине полосы. Так, если взять на графике сумму снегозапасов и осадков, равную 120 мм, то оказывается, что в разные годы ей соответствовало половодье объемом примерно 85, 90 и 95 мм (это три точки, ближайшие к линии суммы снегозапасов и осадков 120 мм). Следовательно, есть какой-то фактор, который влияет на отклонение точек от линии зависимости. Этот фактор - потери талых вод и осадков на просачивание в почву. В разные годы величина потерь различна и зависит от степени водопроницаемости почвы. Как изменяется водопроницаемость, мы можем судить только по косвенным показателям, по степени влажности почвы, например: чем почва суше, тем больше талых вод она может впитывать, чем она "мокрее", тем меньше она будет принимать воды. Однако наблюдения за влажностью почвы начались на метеорологических станциях сравнительно недавно (а ведь нам нужно построить график зависимости за много лет!), поэтому обычно приходится определять степень влажности почвы по косвенным признакам, например по соотношению количества осадков, выпавших осенью, и температуры воздуха за это же время. Эти два фактора могут характеризовать, насколько почва "промокла" осенью и насколько она успела "высохнуть".

Иногда в качестве показателя степени водопроницаемости почвы весной для прогнозов берут сведения о глубине промерзания почвы зимой (такие наблюдения, точнее, наблюдения за температурой почвы на разных глубинах, ведутся на метеорологических станциях давно). Мерзлая почва непроницаема для воды, поэтому если она зимой промерзла глубоко, весной может оказаться менее водопроницаемой, чем при небольшом промерзании.

Так или иначе на графике зависимости необходимо учитывать и третью переменную - водопроницаемость почвы. И только тогда уже составлять прогноз объема половодья.

Получив от метеорологов данные о сумме снегозапасов (в текущую весну) и прогноз ожидаемых весенних осадков (за время снеготаяния и половодья), находим на прогностическом графике зависимости объема половодья от снегозапасов и осадков ожидаемый в этом году объем половодья.

Размеры половодья характеризуются не только объемом стока за период половодья, но и максимальным расходом, который обуславливает наибольший подъем уровня, т. е. наибольший разлив весенних вод. Максимальный расход довольно тесно связан с объемом половодья, а также с дружностью весны, т. е. с интенсивностью повышения температуры воздуха. Поэтому для прогноза максимального расхода за время половодья строят график зависимости максимального расхода от объема половодья с учетом дружности весны, которую получают из прогноза погоды. Затем по имеющейся кривой расхода воды для данного пункта и по найденному (прогнозированному) максимальному расходу находят максимальный уровень воды.

Гидрологу-прогнозисту приходится прибегать к помощи синоптиков, когда ему неизвестны сведения о предстоящей погоде, а без них он не может выпустить прогноз (в нашем примере - это количество осадков за время снеготаяния и половодья и дружность весны). Таким образом, точность гидрологического прогноза иногда во многом зависит оттого, насколько точен метеорологический прогноз. Несмотря на такую "цепочку" прогнозов, точность гидрологического прогнозирования довольно высока, в СССР она составляет в среднем 80-90%, т. е. выше, чем точность метеорологических прогнозов. До некоторой степени это объясняется инерцией гидрологических процессов: раз начавшись, половодье на крупной реке будет развиваться своим неизбежным путем.

Особенно зависят от прогнозов погоды (точнее, температуры воздуха) прогнозы ледового режима - даты вскрытия и замерзания рек, озер, водохранилищ.