Характеристика многолетней изменчивости годовых величин речного стока и их учет при совершенствовании методов оценки количественных и качественных характеристик потока. Особенность оценивания изменения показателей качества воды в устьевой области реки.
Аннотация к работе
Поскольку масштабы и направления этих изменений по разному проявляются в различных речных бассейнах и регионах, требуется при разработке соответствующих методов оценки и учета 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. Для достижения поставленной цели потребовалось решение комплекса взаимосвязанных задач: - анализ многолетней изменчивости годовых величин речного стока и их учет при совершенствовании методов оценки количественных и качественных характеристик речного стока; 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); разработана методика оценки изменения солености воды по акватории Таганрогского залива Азовского моря на основе кубических сплайн-функций и метода остаточных отклонений; Но в последнее время годовой сток в отдельные периоды подвержен ощутимым изменениям, связанным как с изменением климата, так и с антропогенным воздействием на сток.Анализ пространственно-временных закономерностей изменчивости характеристик речного стока Волги и Дона, особенно за последние 20-30 лет, показывает наличие статистически достоверных трендов в их динамике, обусловленных как изменением регионального климата, так и антропогенным воздействием на водные ресурсы. В связи с этим требуется усовершенствование методов анализа и оценки характеристик речного стока в изменяющихся природно-хозяйственных условиях. Волги по степени однородности за период с 1881/82 по 1994/95 гг. показал наличие изменений в динамике годового стока, обусловленных как климатическими, так и антропогенными факторами. Учитывая результаты проведенного анализа закономерностей многолетних колебаний годового стока рек Волги и Дона, предлагается при обосновании структурных и режимных параметров функционирования водохозяйственных систем речного бассейна опираться на характеристики речного стока, полученные для отдельных характерных периодов. Проведенные исследования по оценке трансформации речного стока по длине реки на отдельных участках русла реки Волги показали перспективность использования метода кубических сплайнов и метода остаточных отклонений в имитационных моделях функционирования водохозяйственных систем речных бассейнов.
Вывод
1. Анализ пространственно-временных закономерностей изменчивости характеристик речного стока Волги и Дона, особенно за последние 20-30 лет, показывает наличие статистически достоверных трендов в их динамике, обусловленных как изменением регионального климата, так и антропогенным воздействием на водные ресурсы. В связи с этим требуется усовершенствование методов анализа и оценки характеристик речного стока в изменяющихся природно-хозяйственных условиях.
2. Анализ многолетних колебаний годового стока р. Волги по степени однородности за период с 1881/82 по 1994/95 гг. показал наличие изменений в динамике годового стока, обусловленных как климатическими, так и антропогенными факторами. Анализируемый ряд годового стока р. Волги можно считать неоднородным с точки зрения математического ожидания и коэффициента корреляции между смежными членами ряда. Стационарность данного процесса имеет место лишь на тех отрезках исследуемого ряда, где преобладают климатические факторы над антропогенными. Для описания многолетних колебаний условно-естественного стока р. Волги принята модель авторегрессии первого и второго порядка.
3. При анализе многолетних колебаний годового стока р. Дон установлено, что исследуемый ряд условно-естественного стока является однородным с точки зрения среднего и дисперсии стока. Но анализируемый ряд фактического годового стока р. Дон, в отличие от условно-естественного ряда, в результате усиления антропогенного воздействия на сток приобретает черты нестационарности в части математического ожидания и дисперсии. Кроме того, для данного временного ряда можно констатировать приближение корреляции между стоком смежных лет к нулю. Для описания многолетних колебаний годового стока р. Дон предлагается использовать модель авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего (АРПСС).
4. Учитывая результаты проведенного анализа закономерностей многолетних колебаний годового стока рек Волги и Дона, предлагается при обосновании структурных и режимных параметров функционирования водохозяйственных систем речного бассейна опираться на характеристики речного стока, полученные для отдельных характерных периодов. В работе предлагаются практические приемы учета нестационарности временных рядов при оценке характеристик речного стока.
5. Проведенные исследования по оценке трансформации речного стока по длине реки на отдельных участках русла реки Волги показали перспективность использования метода кубических сплайнов и метода остаточных отклонений в имитационных моделях функционирования водохозяйственных систем речных бассейнов. Получены аналитические зависимости, описывающие трансформацию речного стока, как между узлами управления, так и в пределах водохранилищ применительно к водохозяйственной системе речного бассейна р. Волги. В частности, для Куйбышевского водохранилища построена зависимость, связывающая уровень воды в замыкающем створе с уровнями воды на входных створах по руслам рек Волги и Камы. Данная зависимость показала, что среднемесячный уровень воды на приплотинном участке водохранилища достаточно точно определяется средними уровнями воды на входных русловых участках рек Волги и Камы. Для участка р. Волги ниже Волгоградского гидроузла получены трансформированные гидрографы в характерных створах р. Волги - Черный Яр и Верхнее Лебяжье, определяющие рациональный водный режим Волго-Ахтубинской поймы в интересах рыбного и сельского хозяйства.
6. Предложена методика оценки изменения солености воды Таганрогского залива на основе кубических сплайн-функций и метода остаточных отклонений. Расчет среднемесячной солености воды Таганрогского залива выполнен методом остаточных отклонений, который позволил оценить степень влияния на соленость воды каждого из определяющих ее факторов. Установлено, что соленость воды имеет наиболее тесную положительную корреляцию с соленостью воды предыдущего месячного периода, отрицательную - с месячным речным стоком р. Дон и более слабую отрицательную корреляцию с температурой воды залива. Влияние стока р. Дон на соленость воды залива зависит от периода года: сток значим в период половодья, что более характерно для восточной части Таганрогского залива, расположенной вблизи устья р. Дон и теряет свое влияние в меженный период. Ветровой параметр, определяющий сгонно-нагонные явления, взятый в интервале дискретности один месяц для данного расчета оказался статистически не значим. Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением расчетных и наблюденных данных.
8. Для описания изменения речного стока и его минерализации предложен метод композиции в сочетании с балансовым методом. Данный подход реализован для Кайраккумского водохранилища на р. Сырдарье. Построены условные и безусловные функции распределения вероятностей конечного наполнения водохранилища и его минерализации и соответственно установлена связь между минерализацией и водностью реки (притока к водохранилищу) и минерализацией и наполнением водохранилища.
9. Проведенные исследования показали уникальность пространственно-временной изменчивости характеристик речного стока как Волги, так и Дона. Залогом дальнейшего развития научных исследований по данному направлению и совершенствованию моделей водноресурсных систем речных бассейнов является обеспечение непрерывных рядов наблюдений по существующим постам и расширение наблюдательной сети на реках России.
Основное положения диссертации опубликованы в следующих работах
1. Account of transformation of a flood at movement it on the river bed on the basis of spline-functions. Proceedings of The 3rd International Iran and Russia Conference «Agriculture and Natural Resources». Moscow, 2002. P. 252. (В соавторстве).
2. Расчет трансформации паводка при движении его по руслу реки на основе сплайн-функций. //Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России. Сборник научных трудов. М.: МГУП, 2004. С. 77-80.
3. Анализ многолетних колебаний годового стока р. Дон. //Природообустойство и рациональное природопользование - необходимые условия социально - экономического развития России. Сборник научных трудов. Часть 1. - М.: МГУП, 2005. С. 131-135. (В соавторстве).
4. Применение композиционного метода для определения минерализации воды водохранилища. //Материалы международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем». Часть II. - М.: МГУП, 2006. С. 133-138.
5. Вероятностный расчет минерализации воды при регулировании стока водохранилищем // Мелиорация и водное хозяйство, 2006. №5. С. 56-58.