Оценка характеристик речного стока в изменяющихся природно-хозяйственных условиях

На правах рукописи

Муращенкова Наталья Владимировна

Оценка характеристик речного стока в изменяющихся

природно-хозяйственных условиях

Специальность 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Московском государственном университете природообустройства на кафедре «Гидрология, метеорология и регулирование стока»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Исмайылов Г.Х.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

заслуженный мелиоратор РФ

Антипова Т.Н.

- кандидат технических наук, доцент

Раткович Л.Д.

Ведущая организация: ЗАО «ПО «Совинтервод»

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В большинстве районов России основным источником водных ресурсов остается речной сток. Речной сток является результатом взаимодействия многих климатических факторов (температура и влажность воздуха, атмосферные осадки, солнечная радиация, испарение и др.) и физико-географических условий речного бассейна (ландшафт, почвы, геологическое строение, растительный покров и др.). Происходящее в последние десятилетия изменение как глобального, так и регионального климата, наиболее ощутимо проявляющееся повышением температуры воздуха и изменением режима атмосферных осадков, заметно сказывается на изменении водных ресурсов и гидрологическом режиме водных объектов.

Кроме того, хозяйственная деятельность человека, осуществляемая как на водосборах, так и в руслах рек также приводит к значительным изменениям количественных и качественных характеристик речного стока. Негативные антропогенные воздействия на речной сток проявляются в форме острых проблем, связанных с изменением состояния устьевых областей рек и внутренних морей, в которые впадают эти реки.

Происходящие изменения речного стока влияют на эффективность функционирования водноресурсных систем речных бассейнов, от которых зависит надежное водообеспечение населения, промышленности, гидроэнергетики, сельского и рыбного хозяйства.

В связи с этим, в настоящее время одной из актуальных проблем в области использования водных ресурсов является усовершенствование методов анализа и оценки количественных и качественных характеристик речного стока в изменяющихся природно-хозяйственных условиях. Поскольку масштабы и направления этих изменений по разному проявляются в различных речных бассейнах и регионах, требуется при разработке соответствующих методов оценки и учёта нестационарности характеристик речного стока и их практической апробации рассмотреть речные бассейны, расположенные в различных физико-географических условиях и отличающиеся по характеру и масштабам антропогенного воздействия на водные ресурсы.

Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы является совершенствование методов анализа и оценки пространственно-временных закономерностей изменчивости характеристик стока речных бассейнов, расположенных в различных физико-географических условиях и различающихся по характеру и масштабам антропогенного воздействия на водные ресурсы.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение комплекса взаимосвязанных задач:

- анализ многолетней изменчивости годовых величин речного стока и их учёт при совершенствовании методов оценки количественных и качественных характеристик речного стока;

- исследование процесса трансформации речного стока по длине реки;

- оценка изменения показателей качества воды в устьевой области реки;

- построение зависимостей изменения речного стока и его минерализации с учётом стохастического характера данных процессов.

Методика исследования включает в себя современные методы системного анализа и его прикладного аппарата математического моделирования. В работе широко используются основные положения статистического анализа временных рядов, сплайн-функции, метод остаточных отклонений и метод композиции вероятностей случайных процессов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- результаты анализа многолетних колебаний годового стока рек Волги и Дона, позволившие установить, что временным рядам годового стока этих рек в целом свойственна нестационарность на достаточно длительном отрезке времени (100 лет и более) и квазистационарность на отдельных отрезках рассматриваемых временных рядов (30-40 лет);

- получены аналитические зависимости на основе кубических сплайн-функций, описывающие трансформацию речного стока как между узлами управления, так и в пределах водохранилища применительно к водохозяйственной системе бассейна р. Волги, и позволяющие повысить точность расчётов изменения речного стока по длине реки;

- разработана методика оценки изменения солености воды по акватории Таганрогского залива Азовского моря на основе кубических сплайн-функций и метода остаточных отклонений;

- разработана методика построения зависимостей изменения речного стока и его минерализации с учётом вероятностного характера данных процессов.

Практическая ценность работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы в имитационных моделях динамики речного стока и его минерализации для расчёта режимных параметров водноресурсных систем в интересах сельского, рыбного хозяйства, промышленности и коммунального хозяйства.

Достоверность результатов работы определяется тем, что она основывается на применении классического математического аппарата и полученные аналитические зависимости подтверждаются натурными наблюдениями.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 3й международной Российско-Иранской конференции «Сельское хозяйство и природные ресурсы» (2002 г.), на научно-технических конференциях МГУП (2004-2006 гг.), на заседаниях кафедры гидрологии, метеорологии и регулирования стока, а также изложены в ряде публикаций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, иллюстрированного 42 рисунками, и содержит 24 таблицы. Список используемой литературы состоит из 101 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность, достоверность полученных результатов и структура работы.

Первая глава посвящена изложению современного состояния вопроса определения характеристик речного стока в изменяющихся природно-хозяйственных условиях. В ней рассмотрены существующие методы оценки характеристик речного стока, в частности оценки многолетних колебаний речного стока по степени однородности, и оценки движения водных масс по руслу реки.

Исследованию многолетних колебаний речного стока посвящены работы С.Н. Крицкого, М.Ф. Менкеля, И.П. Дружинина, Д.Я. Ратковича, А.В. Рождественского, В.А. Лобанова, Е.Г. Блохинова, А.Ш. Резниковского, В.А. Шелутко, А.В. Христофорова, и др., начатые более полувека тому назад. Проведенный анализ работ позволил выяснить, что на протяжении всего XX столетия для описания процесса многолетних колебаний речного стока преобладала статистическая концепция, основанная на идеях стационарности данного процесса, означающего постоянство во времени его основных параметров (среднее значение, дисперсия и др.), и зависимости автокорреляционной функции от временного сдвига. Но в последнее время годовой сток в отдельные периоды подвержен ощутимым изменениям, связанным как с изменением климата, так и с антропогенным воздействием на сток. Это обстоятельство вызывает необходимость проведения анализа и оценки многолетних колебаний речного стока по степени однородности. Для этого в работе использованы статистические критерии Фишера, Стьюдента, Андерсона, Бартлета и критерий однофакторного дисперсионного анализа.

Рассмотрены основные методы расчёта движения водных масс по руслу реки, а именно: гидродинамические, основанные на решении системы уравнений Сен-Венана (уравнения неразрывности и движения), и упрощенные, к которым относятся методы Калинина-Милюкова, Маскингам и метод соответственных уровней и расходов воды. Применение гидродинамических методов ограничивается для крупных речных систем недостатком исходной информации и трудностью вычисления. Упрощенные методы широко применяются при расчётах и прогнозах гидрографов руслового стока, но когда расчёт является не самостоятельной задачей, а составной частью проблемы управления водными ресурсами, то на первый план выступает простота расчёта и минимум гидро-морфометрической информации. Учитывая это, наиболее употребительными являются статистические методы расчета, а именно метод множественной линейной регрессии, сплайн-функции и метод остаточных отклонений.

В главе также рассмотрены аспекты влияния климатических и антропогенных факторов на изменение характеристик речного стока. Климатические изменения наиболее ощутимо проявляются при повышении температуры воздуха, особенно в зимний период, повышении годовых и сезонных значений осадков. Следствием этого стало увеличение водности в меженные периоды, особенно в зимние месяцы и снижение стока весеннего половодья.

О масштабах влияния хозяйственной деятельности на речной сток можно судить по объёмам общего и безвозвратного водопотребления. В 80-е годы XX века водопотребление достигло своего максимального значения, например, в бассейне Волги составило 35-37 км3/год, Дона – 20-22 км3/год, при чём безвозвратное водопотребление составило соответственно - 14 и 8 км3/год. С начала 90-х годов XX-го столетия в связи с падением промышленного и сельскохозяйственного производства наметилась тенденция к снижению водопотребления, а, следовательно, и безвозвратного расхода. По данным 2000 г. водопотребление в бассейне Волги сократилось до 21,8 км3/год, Дона – до 6 км3/год, при этом безвозвратный расход уменьшился соответственно до 5 и 2,2 км3/год.

Вторая глава посвящена анализу и оценке многолетних колебаний годового стока рек Волги и Дона. Бассейны рек Волги и Дона – крупнейшие речные бассейны, в которых проживает около 70% населения нашей страны, испытывают колоссальную антропогенную нагрузку, которая выражается в изменении как количественных, так и качественных характеристик речного стока. На изменение стока р. Волги существенное влияние оказывает эксплуатация Волжско-Камского каскада водохранилищ, созданного для целей гидроэнергетики, водного транспорта, орошения сельскохозяйственных земель, водопотребления предприятий промышленного и коммунального хозяйства. Антропогенное изменение стока р. Дон в основном связано с эксплуатацией Цимлянского водохранилища и потреблением воды на орошение значительных территорий сельскохозяйственных земель.

Кроме того, зарегулирование стока рек Волги и Дона изменило естественный водный режим пойм и устьевых областей. В результате создания водохранилищ Волжско-Камского каскада речной сток уменьшился на 5-6 км3, что вызвало трансформацию экосистем Волго-Ахтубинской поймы и дельты Волги. Снижение стока р. Дон привело к снижению притока в Таганрогский залив и Азовское море, что неблагоприятно сказалось на изменении солености воды, а, следовательно, и на их продуктивности.

Анализ многолетних колебаний годового стока р. Волги в створе г. Волгограда выполнен по материалам наблюдений за стоком воды за период 1881/82 – 1994/95 гг. (n = 114 лет). При этом были использованы две версии исследуемого временного ряда: фактическая (наблюденная) и условно-естественная (данные института Гидропроект). Для 1881/82 - 1933/34 гг. объёмы годового стока для обеих версий совпадают, а для 1934/35-1994/95 гг. объёмы стока в первой версии отражают интегральное влияние антропогенных факторов на годовой сток.

При сопоставлении разностных интегральных кривых условно-естественного и наблюденного годового стока проявляется влияние хозяйственной деятельности на сток (рис.1.). Интегральное снижение годового стока р. Волги за последние 60 лет составило около 1040 км3 или 17 км3/ год, т.е. около 7% от среднемноголетнего условно-естественного стока. Столь незначительное снижение годового стока свидетельствует о том, что основную роль в формировании стока Волги играют природные факторы и, прежде всего климатические.

Важной особенностью процесса многолетних колебаний условно-естественного годового стока Волги является его цикличность, т.е. последовательное чередование лет (или групп лет) с различной водностью. В частности можно выделить период снижения годового стока р. Волги, охватывающий 12 лет (1926/27 – 1937/38 гг.), с изменением стока с 385 до 159 км3/год и период увеличения стока с 1938/39 по 1950/51 гг. (11 лет) со 159 до 333 км3/год, то есть, имеем полный цикл колебаний годового стока длительностью 22 года. Аналогично можно выделить и другие циклы, что позволяет говорить о приближении характера колебаний к циклическому.

В таблице 1 приведены статистические параметры годового стока р. Волги за 1881/82 – 1994/95 гг., которые оценивались для различных отрезков исследуемых временных рядов. Сравнение оценок выборочных средних и дисперсий исследуемых рядов с использованием критериев Стьюдента () и Фишера (F) показало, что исследуемые ряды можно считать однородными, так как =1,66 меньше=1,96, при уровне значимости =0,05 и F=1,05 меньше Fкр=1,35 при=0,05. Но при оценке степени однородности отрезков временных рядов для периода 1934/35-1994/95 гг., оказалось, что ряд фактического годового стока в отличие от условно-естественного ряда, в результате воздействия антропогенных факторов приобретает черты нестационарности в части математического ожидания. Проверка гипотезы о независимости годового стока с помощью критерия Андерсона показала, что она должна быть отвергнута как для исходных рядов, так и для выделенных их отрезков и, таким образом, годовые объёмы стока р. Волги не являются совокупностью независимых случайных величин.

Таблица 1. Основные статистические параметры годового стока р. Волги у г. Волгограда за 1881/82-1994/95 гг.

Период, число лет	Статистические параметры
	Wср, км3/год	,км3/год	Cv	Cs	R(1)
1. Наблюденный ряд
1881/82 - 1994/95 гг.	247	44	0,18	2 Cv	0,406
1881/82 – 1933/34 гг.	258	44	0,17	2 Cv	0,345
1934/35 -1994/95 гг.	239	42,6	0,18	2 Cv	0,394
2. Условно-естественный ряд
1881/82 - 1994/95 гг.	257	45,1	0,18	2 Cv	0,431
1881/82 – 1933/34 гг.	258	44,0	0,17	2 Cv	0,345
1934/35 -1994/95 гг.	256	46,5	0,18	2 Cv	0,490