Оцінка циклічності багаторічних коливань стоку річок Українських Карпат - Автореферат

Врахування циклічності багаторічних коливань стоку та характеру їх просторових змін в практиці гідрологічних та водогосподарських розрахунків має важливе значення для вибору місця розташування гідроелектростанцій, їх об‘єднання в енергосистеми, міжбасейнового перерозподілу стоку. Дана робота покликана виявити та описати прояви циклічності на прикладі річок Українських Карпат з метою отримання достовірної інформації про коливання стоку води у часі з подальшою можливістю екстраполяції отриманих знань у вигляді довгострокових прогнозів та багатофакторних моделей. Довгострокове прогнозування ймовірності їх формування може надати суттєву допомогу при розробці сценаріїв планування і раціонального використання водних ресурсів, підвищення ефективності роботи гідротехнічних та інших водогосподарських споруд в регіоні. Дослідження за темою дисертації виконувались згідно з планами науково - дослідних робіт географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка за участю автора як безпосереднього виконавця держбюджетної теми № 01БФ050-03 „Дослідження руслових процесів на річках Закарпаття з метою розробки комплексу протипаводкових заходів”, а також двох госпдоговірних тем: № 04ДП050-01 „Наукове обґрунтування та рекомендації щодо оцінки та регулювання вертикальних руслових деформацій на гірських річках Івано - Франківської області (на прикладі р. Для реалізації вказаної мети були поставлені і розв‘язані такі завдання: аналіз, поглиблення і використання методичних напрацювань з метою проведення досліджень багаторічних коливань стоку;Для того, щоб уникнути окремих розходжень в оцінці коливань і виділити більш суттєві їх особливості, застосовуються: загальновизнаний у статистичній обробці метод згладжування рядів спостережень шляхом ковзаючих n-річок, інтегральна різницева крива, біноміальне осереднення, а також ряд фільтрів, що пропонуються блоком аналізу часових рядів „Time Series Analysis” у системі STATISTICA. З метою адаптації вказаних методик оцінки часових рядів до середнього багаторічного стоку річок Українських Карпат, нами було проаналізовано дані багаторічних спостережень за стоком води по десяти гідрологічних постах з періодами спостережень 45-55 років, які охоплюють різні за площею та умовами формування стоку водозбори. З метою їх детальної характеристики та виявлення певних територіальних закономірностей, проаналізовано за допомогою факторного аналізу основні гідрологічні характеристики (середні та максимальні річні витрати і модулі стоку води та завислих наносів) та їх обумовленість основними чинниками стокоутворення (середня річна кількість опадів, довжина та середній похил річки, площа, похил та середня висота водозбору, залісеність території). За результатами аналізу першого фактору можна зробити висновок про те, що при формуванні стоку води і завислих наносів річок Українських Карпат основною є залежність середньої та максимальної річної витрати води, а також середньої річної витрати завислих наносів від площі водозбору та довжини річки. У третьому розділі проаналізовано вивченість стоку води і завислих наносів, наводяться результати розрахунків основних гідрологічних характеристик річок регіону (середні річні, максимальні та мінімальні характеристики стоку, а також внутрішньорічний розподіл стоку води та завислих наносів).Аналіз публікацій стосовно проблеми виявлення циклічності у коливаннях річкового стоку свідчить про відсутність чіткого загальноприйнятого підходу до вивчення цього явища. Вивчення коливань водності для річок Карпатського регіону має важливе наукове і практичне значення, оскільки посилення паводкової активності пов‘язується з фазами підвищеної водності. Проведені ґрунтовні дослідження основних методів виявлення циклічності дозволяють зробити висновок, що найбільш прийнятними є біноміальний фільтр та різницева інтегральна крива, що показують динаміку розвитку циклів водності відносно лінії часу, а також автокореляційний і спектральний аналізи, які дозволяють виділити тривалість характерних циклів водності. Проведене на основі кластерного аналізу районування території дозволило виділити в межах Українських Карпат три райони, що відрізняються за умовами формування стоку. За результатами аналізу кореляційної матриці середніх річних витрат води, а також за чергуванням характерних переломних точок і загальною конфігурацією різницевої інтегральної кривої (з урахуванням басейнового принципу) в межах Українських Карпат виділено два райони і п‘ять підрайонів, що характеризуються певними спільними рисами у чергуванні фаз водності.

2. Основний зміст роботи

Аналіз публікацій стосовно проблеми виявлення циклічності у коливаннях річкового стоку свідчить про відсутність чіткого загальноприйнятого підходу до вивчення цього явища. Між тим, саме глибокий аналіз попередніх досліджень став фундаментом, на якому ґрунтується алгоритм дослідження, запропонований автором. Вивчення коливань водності для річок Карпатського регіону має важливе наукове і практичне значення, оскільки посилення паводкової активності пов‘язується з фазами підвищеної водності.

Проведені ґрунтовні дослідження основних методів виявлення циклічності дозволяють зробити висновок, що найбільш прийнятними є біноміальний фільтр та різницева інтегральна крива, що показують динаміку розвитку циклів водності відносно лінії часу, а також автокореляційний і спектральний аналізи, які дозволяють виділити тривалість характерних циклів водності.

Умови формування стоку в регіоні відрізняються значною різноманітністю та певними особливостями, що впливають на водний режим річок та його параметри. За допомогою факторного аналізу виявлено, що середні річні характеристики стоку води і завислих наносів річок Українських Карпат обумовлені кількістю опадів та безпосередньо залежать від розмірів водотоку (довжини річки та площі водозбору). Максимальні річні значення цих характеристик визначаються похилом водозбору та самого водотоку, залісеністю та середньою висотою басейну. Проведене на основі кластерного аналізу районування території дозволило виділити в межах Українських Карпат три райони, що відрізняються за умовами формування стоку.

У сезонному розподілі максимального стоку на весняний сезон припадає 60-70 % місячних максимумів, другим за цим показником є зимовий сезон для Закарпаття (22%), та літній сезон - для Прикарпаття (26%). Річні максимуми на Закарпатті проходять переважно у грудні - березні (майже 50%), на Прикарпатті - у травні - липні (53%). Із зменшенням водності року, збільшується частка весняного стоку для річок Прикарпаття і Західного Закарпаття, на відміну від Східного Закарпаття, де розподіл стоку за сезонами практично не залежить від водності року. Лімітуючим сезоном для Прикарпаття та Східного Закарпаття є зима (13-14% річного стоку), для західного Закарпаття - літо (15%).

Зв‘язок між коливаннями атмосферних опадів і стоком річок регіону досить тісний ( r = 0,75-0,80), в той час як коливання температури повітря практично не корелюються з жодною із вказаних величин (r < 0,3 ). За результатами аналізу кореляційної матриці середніх річних витрат води, а також за чергуванням характерних переломних точок і загальною конфігурацією різницевої інтегральної кривої (з урахуванням басейнового принципу) в межах Українських Карпат виділено два райони і п‘ять підрайонів, що характеризуються певними спільними рисами у чергуванні фаз водності. Імовірність формування дуже високих паводків (забезпеченістю 10%) майже втричі вища у багатоводну фазу, ніж у маловодну. За основу оцінки внутрішньорічних коливань стоку води та завислих наносів нами пропонується приймати виділені фази водності. Основною характеристикою, що описує вказану величину, являється середній за фазу водності модульний коефіцієнт.

Запропонована ієрархічна структура циклічних коливань стоку річок. При цьому правомірність виділення циклу визначається однорідністю між його фазами, яка оцінюється за критеріями Стьюдента і Фішера. Доведено на прикладах існування чіткої пропорційної залежності між фазами всередині циклу, незалежно від його структурного рівня, яка відповідає так званому числу Фібоначчі. Обґрунтування правомірності структуризації циклічних коливань стоку виконано за допомогою методів автокореляційного і спектрального аналізу.

Розроблено алгоритм виявлення циклічності у багаторічних коливаннях гідрологічних характеристик, який узагальнює усі проведені нами дослідження стосовно проявів циклічності у чітку послідовність від виявлення циклічності за допомогою різних способів осереднення і до визначення пропорційної залежності між фазами.

1. Ободовський О.Г., Онищук В.В., Гребінь В.В., Лиманська І.В., Коноваленко О.С., Чорноморець Ю.О. Актуальні питання протипаводкового захисту території в басейні річки Тиса(методологія, експеримент, практика) // „Гори і люди”(у контексті сталого розвитку). Матеріали міжнародної конференції, присвяченої міжнародному року гір (м. Рахів, 14-18жовтня 2002р.) Відп. ред. Гамор Ф.Д.- Рахів, 2002. - Том 2.-С. 132-138. (Автором проведено збір та часткове опрацювання вихідної інформації)

2. Чорноморець Ю.О., Гребінь В.В. Вивченість стоку води і наносів річок Українських Карпат // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія: Наук. зб.- К.: Ніка - Центр, 2002.- Т.3.- С.107-112. (Особистий внесок автора полягає у систематизації вихідної інформації, зведенні її у табличну форму та проведенні основних узагальнень)

3. Чорноморець Ю.О., Гребінь В.В. Аналіз головних факторів формування стоку води і наносів річок Закарпаття //Регіональні екологічні проблеми. Матеріали міжнародної конференції (м. Київ, 11-12 квітня 2002 р.): Зб. наук. праць.- Київ ВГЛ „Обрії”, 2002.- С.239-241. (Здійснено статистичний аналіз звязків між модулями стоку води та середнім похилом річок)

4. Гребінь В.В., Чорноморець Ю.О. Оцінка ролі лісів у запобіганні катастрофічних паводків у Закарпатті // Фізична географія та геоморфологія: Наук. зб.: К.: ВГЛ „Обрії”, 2002.- Вип.43.-С.87-95. (Автором проведений аналіз попередніх досліджень за темою та виконана оцінка впливу лісів на максимальний стік)

5. Чорноморець Ю.О., Гребінь В.В. Характеристика меженного стоку річок Закарпаття // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія: Наук. зб.- Київ-Луцьк: РВВ Луцького ДТУ, 2002. - Т.4.- С.115-119. (Автором проведено кількісну оцінку стоку літнього та зимового меженних періодів)

6. Чорноморець Ю.О. Внутрірічний розподіл стоку річок Українських Карпат // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія: Наук. зб.- К.: ВГЛ „Обрії”, 2003.- Т.5.- С.165-169.

7.Чорноморець Ю.О. Порівняльний аналіз основних методів дослідження багаторічних коливань стоку // „Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія”. Тези доповідей другої Всеукраїнської наукової конференції (24-26 листопада 2003р.).- К.: Ніка - Центр, 2003.-С.84-85.

8. Чорноморець Ю.О. Дослідження коливань водності річок Українських Карпат // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія: Наук. зб.- К.: ВГЛ „Обрії”, 2004.- Т.6.- С. 110-115.

9. Чорноморець Ю.О., Гребінь В.В. Оцінка умов формування та характеристик стоку зважених наносів річок Українських Карпат // Україна: географічні проблеми сталого розвитку. Зб. наук. праць. В 4-х т. - К.: ВГЛ „Обрії”, 2004.- Т.3.-С.268-270. (Автором проведено кількісну оцінку стоку завислих наносів)

10. Чорноморець Ю.О., Гребінь В.В. Аналіз внутрірічного та багаторічного розподілу максимальних витрат води річок Українських Карпат // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія: Наук. зб.- К.: ВГЛ „Обрії”, 2005.- Т.7.- С. 194-207. (Автором проведено аналіз розподілу максимальних строкових та середньомісячних витрат води залежно від фаз водності)

11. Чорноморець Ю.О. Районування території Українських Карпат за умовами формування стоку води // Вісник КНУ ім. Т.Шевченка.- 2005. - Вип.51. - С. 52-54.

12. Гребінь В.В., Василенко Є.В., Чорноморець Ю.О. Залежність внутрішньорічного розподілу стоку завислих наносів від фази водності (на прикладі річок Українських Карпат) // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія: Наук. зб.- К.: ВГЛ „Обрії”, 2006.- Т.10.- С. 49-58. (Аналіз звязків між внутрішньорічним розподілом стоку завислих наносів та фазами водності, а також оцінка модульних коефіцієнтів стоку води і завислих наносів)

13. Гребінь В.В., Василенко Є.В., Чорноморець Ю.О. Внутрішньорічний розподіл стоку завислих наносів залежно від періоду водності // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія: Наук. зб.- К.: ВГЛ „Обрії”, 2006.- Т.11.- С.164-169. (Надана характеристика стоку завислих наносів кожного з підрайонів Українських Карпат в залежності від фази водності та зроблено основні узагальнення)

14. Чорноморець Ю.О., Онищук В.В. Закономірності в коливаннях водності гірських річок (на прикладі річок Українських Карпат) // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія: Наук. зб.- К.: ВГЛ „Обрії”, 2006.- Т.13.- С. 40-46. (Автором проведено розрахунок періодів коливань водності).