Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Научные основы исследований пространственно временных колебаний элементов водного баланса
Условия и особенности формирования водных ресурсов Ирана Основное уравнение водного баланса и методы изучения его элементов
Методы оценки пространственно-временных колебаний элементов водного баланса
1.4. Расположение и общие характеристики речных бассейнов Гарасу и Хаблируд
Глава II. Закономерности формирования основных элементов водного баланса в условиях изменения климата и методы их определения
Влияние изменений климата на гидрологический режим
Оценка однородности временных рядов элементов водного баланса
Оценка изменений речного стока в бассейнах рек Гарасу и Хаблируд, на основе данных основных гидрологических постов Ирана
Статистические характеристики основных элементов водного баланса
Глава III. Моделирование изменений элементов водного баланса и его прогноз в условиях климатической неопределенности и развития хозяйственной деятельности
3.1. Оценка современных моделей изменения климата региона .
3.2. Оценка цикличности элементов водного баланса как основа моделирования и прогнозирования многолетних колебаний
3.3. Моделирование рядов речного стока для рек Хаблируд и Гарасу
3.4. Использование вероятностных моделей осадков и речного стока в условиях интенсивного орошения
Основные выводы и результаты
Рекомендации производству
Список использованной литературы
Приложение
- Методы оценки пространственно-временных колебаний элементов водного баланса
- Расположение и общие характеристики речных бассейнов Гарасу и Хаблируд
- Оценка изменений речного стока в бассейнах рек Гарасу и Хаблируд, на основе данных основных гидрологических постов Ирана
- Оценка цикличности элементов водного баланса как основа моделирования и прогнозирования многолетних колебаний
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В последние десятилетия во всем мире наблюдается интенсивное изменение речного стока и других элементов водного баланса, связанное, главным образом, с изменением природных условий, а также с возрастающим антропогенным давлением на экосистемы. Особенно острые проблемы с водой возникают в засушливых регионах, которые характеризуются ограниченными естественными водными ресурсами, высокой степенью их использования, быстрыми темпами прироста населения и урбанизацией.
Происходящие изменения стока речных систем оказывают влияние, прежде всего, на гидрологический режим территорий, от которого в свою очередь зависит надежное водообеспечение отраслей народного хозяйства, продовольственной, энергетической и экологической безопасности любого государства. Поэтому совершенствование существующих и разработка новых методов анализа и оценки характеристик речного стока требует глубокого изучения закономерностей формирования и трансформации водного режима, а также оценки и прогноза влияния естественных и антропогенных факторов на пространственно-временную изменчивость элементов водного баланса (ЭВБ).
Степень её разработанности. Безопасное управление водными ресурсами
территорий аридных зон, является сегодня одной из ключевых теоретических задач
современной науки. В настоящее время существуют две основные оценки
возможных изменений водного баланса. В минувшем столетии преобладала
концепция, определяющая его изменчивость во времени и пространстве с
использованием статистического анализа полученных во времени рядов
наблюдений. Эта оценка нашла отражение в достаточно большом количестве работ
отечественных и зарубежных ученых. Однако со временем, по мере увеличения
периода наблюдений, становится все более очевидной пространственная и
временная неоднородность ЭВБ. Пространственная неоднородность обусловлена,
главным образом, ландшафтной пестротой, а временная – не стационарностью
внешних воздействий на климатическую и гидрологическую системы. В последние
десятилетия, в условиях возникновения глобальной климатической
неопределенности на планете в результате потепления, а также заметного роста на
этом фоне экологических рисков отмечается недостаточность материалов научных
исследований и наблюдений за наиболее динамичными элементами
гидрологического цикла. Это в свою очередь не позволяет эффективно решить проблему рационального использования водных ресурсов территорий в рамках природных географических зон или отдельных регионов.
Цели и задачи. Цель исследований – разработать методику стохастического моделирования стока речных систем Ирана на основе анализа изменений элементов водного баланса в условиях климатической неопределенности и развития хозяйственной деятельности.
При выполнении поставленной цели решались следующие задачи:
- проанализировать изменения климатических характеристик в
пространстве и времени в различных физико-географических зонах;
изучить условия формирования стока речных бассейнов Ирана с учетом возможных сценариев климата будущего и хозяйственного развития региона;
провести количественную оценку изменений элементов водного баланса речных бассейнов и проанализировать их причины;
установить взаимосвязь речного стока и природно-антропогенных воздействий за многолетний период и на ближайшую перспективу;
разработать методику стохастического моделирования стока речных бассейнов Ирана с учётом возможных изменений элементов водного баланса во времени и пространстве;
провести верификацию методики стохастического моделирования речного стока основных рек Ирана;
разработать региональную вероятностную модель стока для периода повышенного водопользования в зависимости от предшествующих осадков;
разработать практические рекомендации по рациональному и безопасному использованию водных ресурсов региона на основе многовариантных сценариев водности основных рек Ирана.
Научная новизна заключается в обосновании и проведении наиболее полной оценки ЭВБ основных речных бассейнов Ирана в современных природно-климатических и антропогенных условиях их функционирования, а также в новых методических подходах и рекомендациях к информационному обеспечению безопасного использования водных ресурсов в аридной зоне. В результате проведенных исследований впервые:
установлены особенности и динамика пространственно-временных изменений природных факторов в различных физико-географических зонах;
определены закономерности изменения ЭВБ речных водосборов Ирана по территории и во времени, а также дана их количественная оценка;
установлена статистическая взаимосвязь между элементами водного баланса речных бассейнов Ирана в новых экологических условиях их функционирования;
уточнены расчетные значения элементов водного баланса в пределах рассматриваемых территорий для безопасного водопотребления в аридной зоне;
предложена методика стохастического моделирования стока рек Ирана, посредством проведённой верификации, относительно допустимых среднеквадратических ошибок исходной информации;
разработана региональная вероятностная модель стока для периода повышенного водопользования в зависимости от предшествующих осадков;
разработана методика вероятностной прогностической оценки стока для периода повышенного водопользования, позволяющая представить наиболее полное информационное обеспечение при принятии решений относительно степени использования речного стока.
Теоретическая и практическая значимость работы. Установленные закономерности и основные особенности изменения ЭВБ в новых экологических условиях, сформированных в результате потепления климата, а также нарастающей антропогенной деятельности позволят на научной основе разработать рациональные методы управления водными ресурсами региона. Предложенные методики и адаптационные механизмы способствуют предупреждению, предотвращению или минимизации негативного воздействия современных природно-антропогенных факторов на гидрологический режим территории до допустимых пределов.
Методология и методы исследования предполагают использование современных методов системного анализа и его прикладного аппарата математического моделирования. Широко применяются основные положения статистической оценки временных рядов и метод композиции вероятностей случайных процессов.
Рабочая гипотеза: пространственно-временные изменения элементов водного баланса в аридной зоне имеют региональные особенности, обусловленные существенно возросшим в последние годы влиянием антропогенных и особенно климатических факторов, которые необходимо учитывать при моделировании речного стока и водохозяйственных балансов территорий.
Положения, выносимые на защиту:
- закономерности пространственно-временных изменений природных
факторов в различных физико-географических зонах;
особенности изменения ЭВБ речных бассейнов Ирана под влиянием потепления климата и развития хозяйственной деятельности, а также их количественная оценка;
закономерности изменения статистических параметров речного стока в пределах рассматриваемых территорий;
прогностическая оценка возможных изменений водного режима речных бассейнов Ирана в связи с различными сценариями климата будущего;
стохастические модели сценариев изменений речного стока с различной временной дискретностью, с целью объективного принятия решений, относительно степени водопользования в пределах изучаемых речных бассейнов Ирана.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения и результаты исследований доложены и одобрены в период с 2011 по 2014 гг. на ежегодных научных конференциях Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева (ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева), а также на Международных, республиканских и межвузовских
научных и научно-практических конференциях. В частности: на научной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 125-летию со дня рождения академика Н.И. Вавилова, Москва, 2012 г.; Москва, МГУ, 2014 г.; Международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства в России», Москва, 2014 г.; Международной научной конференции молодых учёных и специалистов, посвящённой созданию объединённого аграрного вуза, Москва, 2014 г.; Международной научной конференции "Informatics and the environment: data and model integration in a heterogeneous hydro word". New York. USA, 2014 г.; Fourth Scientific Conference of Iranian Students in Russian federation, Moscow, Russia, 2011, 2012, 2013 гг.; First conference of surfaces to collect rain water, Iran. 2012 г.; International Conference on Sustainable Development, Strategies & Challenges With a Focus on Agriculture, Natural resources, Environment and Tourist, Iran, 2015 г. и др.
Результаты исследований используются в учебном процессе РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (РФ), Горганского университета сельскохозяйственных наук и природных ресурсов (ИРИ), а также в научно-исследовательской работе бакалавров и магистров.
Основные положения диссертации отражены в 19 научных работах, в т.ч. в 4 журналах, рекомендуемых ВАК РФ. Всего по теме исследований и сопутствующим вопросам соискателем опубликовано более 60 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста. Состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и приложения. Содержит 30 таблиц, 50 рисунков, библиографический список из 126 источников, из них 47 на иностранном языке, в т.ч.13 на персидском языке.
Диссертация представляет собой завершенный цикл работ. Составление текста всех разделов и автореферата, основных теоретических положений и практических выводов, изложенных в диссертации, выполнено лично автором.
Методы оценки пространственно-временных колебаний элементов водного баланса
Физические процессы, постоянно возникающие в атмосфере и взаимодействующие с поверхностными водами, являются наиболее важными для гидрологии и водного баланса.
Атмосферные осадки – основной элемент приходной части уравнения водного баланса. Их формирование неразрывно связано с количеством влаги, содержащейся в атмосфере, ее циркуляцией, удаленностью территории от морей и океанов, рельефом местности и многими другими факторами [82].
Несмотря на то, что атмосферные осадки являются одним из первых метеорологических элементов, измеренных человеком, существующие на практике методы и приборы для их измерения все еще нуждаются в совершенствовании. Значения осадков в пунктах наблюдений нередко отличаются от истинных, что необходимо учитывать при гидрологических расчетах.
Осадки в виде дождя измеряют дождемерами толщиной слоя выпавшей воды в миллиметрах. В гидрометеорологии существует большое количество различной конструкции дождемеров [20, 57, 76]. В гидрологии и метеорологии необходимо знать продолжительность отдельных дождей, слой осадков и их распределение за период каждого дождя. Такие данные могут быть получены только с помощью особых приборов – самопишущими дождемерами или плювиографами.
В зависимости от цели использования средние слои осадков вычисляют за различные интервалы времени. Они определяются по данным метеорологической сети, расположенной на заданной площади. На равнинных территориях используют, кроме того, сведения по всем близлежащим станциям. Средний слой осадков может быть определен одним из следующих методов: среднего арифметического, взвешивания по площадям, квадратов, изогнет, по корреляции осадков со стоком и др. [1, 123].
Одним из важнейших элементов гидрологического цикла и расходной части уравнения водного баланса является испарение. Около 57% осадков испаряются непосредственно обратно в атмосферу. В полупустынных зонах, которая охватывает большую часть Ирана, испарение может составлять до 96% годовой суммы осадков. Применительно к речному водосбору оценка испарения с его поверхности – задача достаточно сложная [5, 92 и др.].
Количество испарившейся воды измеряется толщиной слоя, выраженного в миллиметрах [110]. Существуют два метода для измерения испарения: прямые и косвенные. Прямые методы измерения предполагают использование специальных конструкций – испарителей и лизиметров, а косвенные методы или эмпирические методы – метод энергетического баланса, теплового баланса, уравнений взаимосвязи элементов водного и теплового балансов, или расчеты по эмпирическим формулам как Penman уравнения, Blaney-Criddle уравнения и т.д. [92, 109].
Использование метода теплового баланса, а также данных испарителей и лизиметров при расчетах суммарного испарения с поверхности речных водосборов вызывает значительные затруднения. Наиболее известным и широко применяемым методом оценки средних многолетних годовых значений испарения является метод, основанный на разности осадков и стока.
Речной сток является важнейшим элементом водного баланса речного бассейна – его интегральной характеристикой. Роль данного элемента велика и потому, что он характеризует ежегодно возобновляемые водные ресурсы. Речной сток в большинстве районов земного шара, по сравнению с другими элементами водного баланса, изучен значительно лучше, во всяком случае в районах с достаточной плотностью сети станций и постов, где ведутся систематические наблюдения. Здесь рассматривается речной сток в качестве одной из составляющих уравнения водного баланса речного бассейна. Установлено, что значение стока в общем случае зависит от осадков, увлажнения речного бассейна, рельефа местности, характера почвогрунтов, растительного покрова и других естественных и антропогенных факторов [5].
Для водобалансовых расчетов и оценки водных ресурсов наибольшее значение имеет динамика речного стока [4]. Годовой цикл водного режима рек подразделяют на несколько периодов – фаз водного режима. Выделяют половодье, дождевые паводки, летнюю и зимнюю межень. Половодье характеризуется повторяющимся в один и тот же сезон длительным значительным увеличением водности; дождевые паводки – относительно быстрыми, но кратковременными подъемами уровня; межень – малой водностью и низкими уровнями воды [50, 51, 119, 124].
Элементы водного баланса и его основные характеристики не являются постоянными величинами. Под влиянием разнообразных внешних и внутренних факторов они изменяются и в пространстве и во времени [2].
Внешние (природные) факторы обусловливают пространственно-временные колебания элементов водного баланса физико-географическими условиями, а также временным ходом климатических факторов. Если внутригодовые колебания происходят постоянно и последовательно, то вековые - достаточно медленно, занимают большие территории и остаются в целом величиной постоянной [16].
Научные исследования свидетельствуют, что в прошлом эти отклонения не носили устойчивого и ярко выраженного характера. Однако, в предыдущие века не было значительных антропогенных выбросов СО2 в атмосферу. За последний век такой выброс существенно увеличился, что, по мнению многих учёных [90, 116, 120], оказывает существенное влияние на температуру воздуха и изменение теплового и водного балансов относительно конкретных територий. Более того, их ландшафт существенно изменился из-за влияния антропогенных факторов. Антропогенные причины изменения ЭВБ обусловлены различным влиянием человека и его хозяйственной деятельностью. Они воздействуют на водные ресурсы достаточно быстро и ограниченно, определяя в том числе и их качество. Именно в этом и состоит главное отличие антропогенных причин от природных или естественных [13]. Следовательно, это необходимо учитывать в воднобалансовых расчётах на перспективу.
Основными факторами хозяйственной деятельности на речных бассейнах Ирана являются русловое регулирование, промышленно коммунальное и особенно сельскохозяйственное водопользование.
Антропогенные воздействия можно разделить на две большие группы: прямые и косвенные. Все инженерные мероприятия в руслах рек относятся к первай из них, поэтому легко может быть учтена инженерными расчетами в практике водохозяйственного проектирования. Вторая - деятельность на поверхности водосборов. Из-за большой сложности и малой изученности такая деятельность учету не поддается. О ней можно говорить лишь приблизительно по результатам специальных научных эспериментов и наблюдений. В целом, анализ антропогенного воздействия и его гидрологических последствий на водный режим показывает, что данная ситуация приводит к снижению речного стока.
Расположение и общие характеристики речных бассейнов Гарасу и Хаблируд
Из-за возможных изменений климата конкретных территорий, а также в результате вмешательства человека в природные процессы формирования стока могут измениться параметры распределения (среднее значение, коэффициенты вариации и асимметрии) различных характеристик элементов водного баланса [46]. В этих случаях данные наблюдений до и после таких изменений нельзя рассматривать как имеющиеся выборки, как выборки из единой генеральной совокупности.
Об однородности или неоднородности рядов наблюдений судят в первую очередь на основе генетического (физического) анализа условий формирования и режима элементов водного баланса с учетом их изменений.
Однако получаемые на основе такого анализа результаты часто не позволяют с достаточной степенью уверенности утверждать, что масштабы изменений сказались на данных наблюдений. В этих случаях, для подкрепления полученных на основе физического анализа выводов, целесообразно использовать статистические методы оценки рядов наблюдений на однородность.
Для объективной оценки характеристик элементов водного баланса необходимо проанализировать однородность их рядов наблюдений.
В настоящее время широко используются несколько методов оценки однородности статистических рядов, например "Double mass curve" и "Runs test". "Double mass curve" является одним из лучших графических методов оценки однородности данных. В этом методе необходимы данные близлежащих станций. Если данные станции не является однородными, то они могут быть приведены к однородным. "Runs test"- метод является статистическим, неграфическим и простым методом. В этом методе не требуется данные близлежащих станций, но если данные станции не является однородными, они не могут быть приведены к однородным. [98, 108].
В России получил широкое применение анализ однородности рядов наблюдений на основе оценки значимости расхождений между их среднеарифметическими значениями Q и дисперсиями а2 [43, 56, 64]. Два ряда наблюдений признаются однородными, если приблизительно равны (с установленной точностью) их средние значения и дисперсии: Qi = Q2 , ai = а2 (2.1) При этом чаще всего используется для оценки однородности средних –Т-критерий Стьюдента, а для оценки однородности дисперсий - F-критерий Фишера. Сначала проводится формулирование нулевой и альтернативных гипотез, выбор уровня значимости критерия и критической области принятия или не принятия нулевой гипотезы.
Обычно в гидрологии и метеорологии нулевая гипотеза состоит в нулевом расхождении между истинными статистическими параметрами сравниваемых рядов.
Формируется и содержание альтернативной гипотезы неоднородности. Каждой нулевой гипотезе может быть противопоставлено несколько альтернативных. Так, если нулевая гипотеза формулируется как HQ:Q1=Q2, то альтернативными могут быть Ha.Ql Ф Q2, или Ha:Ql Q2, или Ha:QKQ2.
В гидрологической и метеорологической практике решение относительно однородности рядов принимается на основе ограниченного объема данных, соответственно, неизбежны с некоторой вероятностью и ошибки заключения. Например, в каких-то случаях гипотеза однородности Н0 может быть отвергнута, в то время как реально она справедлива. Такая вероятность ошибочного отклонения гипотезы Н0 имеет название уровня значимости критерия . Чаще всего принимается уровень значимости - равный 0,05 (5%-й). Он означает, что в среднем в пяти случаях из 100 будет ошибочно отвергаться нулевая гипотеза. Для более уверенных заключений применяется величина = 0,01 (1%-ный уровень значимости).
Для использования критерия однородности на практике необходимо по данным наблюдений определить числовую характеристику этого критерия, которую для краткости называют статистикой. Сам критерий является случайной величиной и в предположенной гипотезе однородности H0 подчиняется определенному теоретическому закону распределения.
Вся область возможных значений критерия подразделена на три части: неправдоподобно малых (1), неправдоподобно больших (3) и допустимых относительно гипотезы однородности H0. Части I и III составляют критическую область. Область выбирают такой, чтобы вероятность попадания в нее критерия, была бы равна уровню значимости .
Если вычисленный по данным наблюдений критерий попадает в область допустимых значений, гипотеза однородности не отвергается при уровне значимости . При проверке гипотезы однородности дисперсий двух сравниваемых рядов наблюдений применяется F-критерий Фишера. По данным наблюдений вычисляется критерий F: где 0± U 02— выборочные среднеквадратические отклонения двух сравниваемых рядов. В числителе выражения (2.2) берется большее из двух сред-неквадратических отклонений (ах аг). Распределение статистики F зависит только от числа степеней свободы v1 = n1 — 1 и v2 = nz — 1, где п± и п2 — число членов в каждом из рассматриваемых рядов. Критические значения Fa зависят от числа степеней свободы v± = п± - 1 и vz = п2 — 1 (TI-L и п2 — число членов в каждом из рассматриваемых рядов) и от принятых уровней значимости .
Если статистика Fa, оказывается больше критической при заданном уровне значимости (то есть F Fa), то гипотеза Н0 отклоняется. Для оценки гипотезы однородности средних значений двух сравниваемых рядов применяется t-критерий Стьюдента. Он используется, когда в допустимой степени различаются средне-квадратические отклонения. Критерий Стьюдента вычисляется по формуле: t = Ql-Q2/ Jnlff!2 + п2сг Jnln2(bl +п2- 2)Дії + ЇІ2 (2.3) где "І и 2 среднеарифметические значения по данным наблюдений соответственно за п и пг лет; бі и ff2 - среднеарифметические отклонения этих же рядов.
Обычно гипотеза однородности рядов принимается, если ей удовлетворяют F-критерий Фишера и t-критерий Стьюдента. Необходимо отменить, что строго говоря, критерии Фишера и Стьюдента применимы только для нормального закона распределения и при отсутствии внутрирядной корреляции. Тем не менее, практика показала, что их применение показывает их нечувствительность к умеренным отклонениям от нормальности. Однако при значительной автокорреляции приходится пользоваться таблицами критических значений ta и Fa работы.
Оценка изменений речного стока в бассейнах рек Гарасу и Хаблируд, на основе данных основных гидрологических постов Ирана
Для анализа и обобщения информации об изменении климата и ожидаемых климатических рисках в странах Азии были использованы данные Тиндалл Центра (университет Восточной Англии). К сожалению, оценка будущих изменений климата и его последствий непосредственно для территории Ирана в литературных источниках изложена не достаточно полно. Поэтому расчёты, дающие общее представления об ожидаемых изменениях температуры и осадков к концу XXI века (2071–2100 гг.) для изучаемого региона приведены на примере стран Центральной Азии. Результаты исследований выполнены с учётом двух сценариев концентрации парниковых газов в атмосфере (А2 и В2), с использованием четырех глобальных климатических моделей (модель CSIRO2 – Австралия; модель CGCM2 – Канада; модель HAD3 – Великобритания; модель PCM – США). За базовый период в расчетах приняты годы с 1960 по 1990. Остановимся на сценарии А2, на наш взгляд как наиболее вероятному из предложенных.
Рост среднегодовой температуры воздуха к концу XXI века составит в среднем по всем моделям от 4.7оС (Туркменистан) до 5.6оС (Кыргызстан). Среднегодовое количество осадков увеличится во всех странах, кроме Туркменистана. В Кыргызстане в среднем по территории увеличение составит 46%, в Казахстане – 27%, в Таджикистане – 18%, в Узбекистане – 7%. Внутригодовое распределение основных климатических элементов по сезонам года будет представлено разными сочетаниями основных параметров [32].
Зимний период. Повышение температуры воздуха в зимний период в среднем по всем моделям к концу ХХI века составит от 4.1оС до 5.6оС. Наибольшее увеличение количества осадков ожидается в Таджикистане – на 29%, а наименьшее – в Туркменистане, всего на 6%. Модели дают разброс в изменении количества осадков: в Казахстане от 6 до 20%, в Таджикистане – от 16 до 53%, в Туркменистане – от 3 до 10%, в Кыргызстане от 15 до 46%, в Узбекистане – от 3 до 14%. Летний период. Положительное изменение температуры воздуха летом ожидается по всем странам Центральной Азии, которое в среднем составит 5.1-5.5оС. Осадки при этом уменьшатся в среднем на 4-21%, наибольшее их сокращение ожидается в Таджикистане.
Весенний период. Весенние температуры в Казахстане повысятся в среднем на 6.2оС, в Кыргызстане – на 6.3оС, в Таджикистане – на 5.6оС, в Узбекистане – на 5.8оС, в Туркменистане – на 5.2оС. В Казахстане и Кыргызстане по всем моделям ожидается увеличение количества атмосферных осадков на 19 и 33% соответственно, а в Туркменистане их уменьшение на 11%.
Осенний период. В среднем осенние температуры воздуха вырастут на 4.4-5.0оС. Тенденция изменения количества осадков по моделям неоднозначная, в Казахстане предел их изменения составляет от -2 до 6%, в Кыргызстане – от -9 до 4%, в Туркменистане – от -3 до 3%, в Таджикистане – от -7 до 7%, в Узбекистане – от -2 до 5% [32].
Что касается Юго-Западной Азии и непосредственно территории Ирана, то расчеты ожидаемых изменений климата и его основных среднегодовых параметров выполнены с учётом трех сценариев концентрации парниковых газов (ПГ) в атмосфере: 1- низкий уровень концентрации ПГ; 2- уровень концентрации ПГ не меняется (остается прежним); 3- высокий уровень концентрации ПГ (превышающий существующий более чем в 2 раза). Согласно первому сценарию, самому мягкому, рост среднегодовой температуры воздуха к концу XXI века составит по всем моделям от 1,0 до 1,5C. При этом количество осадков снизится на 11-19,1%. Для второго сценария, при относительно стабильном по отношению к современному уровню содержании ПГ в атмосфере, повышение температуры приземного слоя воздуха к 2100 г. составит от 1,4C до 2,5C. Разброс изменений годовых сумм осадков по моделям и по территории будет значительным, где их уменьшение ожидается от от 30,9% до 50%.
И, наконец, третий сценарий - наиболее пессимистический, учитывающий максимальный из теоретически возможного прогнозный уровень накопления парниковых газов в атмосфере. При таком сценарии повышение средней годовой температуры приземного слоя воздуха может составить в данном регионе от 5,9 до 7,7 C, а количество атмосферных осадков сократится на 58 -80 %, что неизбежно приведет к экологической катастрофе [101, 122].
Следовательно, по всем представленным моделям и сценариям концентрации парниковых газов, к концу XXI века ожидается рост как среднегодовой, так и сезонных температур. Количество осадков в летний период, как правило, сократится, а в зимний – увеличится. В горных районах за счет увеличения зимних осадков возрастут запасы снега, что приведет к увеличению стока весной. На равнинах увеличение осадков на сток будет незначительным, или напротив произойдет его снижение в силу больших потерь на испарение. В условиях повышения температуры приземного слоя воздуха наблюдается уменьшение глубины промерзания, и, как следствие, увеличение потерь стока на инфильтрацию и ухудшение водного режима в целом.
В результате текущих и ожидаемых изменений глобальной климатической обстановки и возникновения дополнительных экологических рисков (пожаров, засух, наводнений и т.п.) многие природные экосистемы претерпят значительные изменения, что может вызвать их полное разрушение. В частности, нарушится равновесие в биоценозах, изменится их видовой состав.
Большее количество интенсивных осадков будет способствовать частым оползням, селям и лавинам, что существенно ухудшит условия функционирования горных экосистем и жизни населения. Изменение режима паводков и уровня воды в водоемах окажет заметное отрицательное влияние на природные экосистемы, их функционирование и устойчивость. Изменение стоков, потоков грунтовых вод и осадков, попадающих непосредственно в озера и реки, повлияет на качество воды.
Повышение уровня моря в результате таяния ледников приведет к тому, что морские воды вторгнутся в прибрежные пресноводные водоемы, где водоносные слои могут быть засолены. Перемещение фронта соленых вод вверх по устьям рек негативно скажется на работе сооружений по забору пресной воды, рыбный промысел и сельское [9].
Таким образом, учитывая сложность взаимодействия разных факторов и чрезвычайно большую инерцию климатической системы, обусловленной продолжительным временем жизни парниковых газов в атмосфере, а также влиянием океана и ледников, сложно дать однозначную оценку ожидаемых изменений климата и его последствий. В условиях климатической неопределенности, на фоне глобального потепления на планете региональные климатические изменения будут далеко не одинаковыми, а их влияние на хозяйственную деятельность как положительными, так и негативными. В условиях аридных зон оценки влияния климатических изменений на водные ресурсы, элементы водного баланса, речной сток и его колебания все еще весьма неоднозначны. Следовательно, они требуют более внимательного подхода к моделированию и прогнозированию многолетних колебаний ЭВБ, стока речных систем и его регулированию. 3.2. Оценка цикличности элементов водного баланса как основа моделирования и прогнозирования многолетних колебаний
Одновременно с теорией случайности многолетних колебаний годового стока в гидрологических расчетах используют и концепцию цикличности, т.е. повторяемое или обратимое чередование величин стока во времени.
Оценка цикличности ЭВБ проводится с помощью разносных интегральных кривых. Предварительно хронологические ряды значений элементов водного баланса нормировались и представлялись в виде модульных коэффициентов: КІ=ХІ/ХС (3.1) Для построения такой кривой последовательно суммируют отклонения модульных коэффициентов от среднего значения Kt = і равного единице, то есть устанавливают зависимости fi=Z(ff-l) = /(T}. Сокращенная суммарная кривая имеет следующее свойство: отклонение среднего значения величины (в данном случае модульного коэффициента) за какой-либо интервал от средного его значения за весь период наблюдений характеризуется тангенсом угла наклона к горизонтальной прямой, соединяющей точки начала и конца интервала. Период времени, для которого участок суммарной интегральный кривой имеет наклон вверх относительно горизонтальной линии и положительное значение величины первой производной R = (Г), соответсвует возрастающей фазе цикла колебаний стока. Период, для которого участок кривой наклонен вниз и имеет отрицательное значение первой производной R = (Г), соответствует уменьшающей фазе. Пользуясь этим, легко выделить по сокращенной кривой начало и конец каждого цикла [33].
Оценка цикличности элементов водного баланса как основа моделирования и прогнозирования многолетних колебаний
Повышение уровня моря в результате таяния ледников приведет к тому, что морские воды вторгнутся в прибрежные пресноводные водоемы, где водоносные слои могут быть засолены. Перемещение фронта соленых вод вверх по устьям рек негативно скажется на работе сооружений по забору пресной воды, рыбный промысел и сельское [9].
Таким образом, учитывая сложность взаимодействия разных факторов и чрезвычайно большую инерцию климатической системы, обусловленной продолжительным временем жизни парниковых газов в атмосфере, а также влиянием океана и ледников, сложно дать однозначную оценку ожидаемых изменений климата и его последствий. В условиях климатической неопределенности, на фоне глобального потепления на планете региональные климатические изменения будут далеко не одинаковыми, а их влияние на хозяйственную деятельность как положительными, так и негативными. В условиях аридных зон оценки влияния климатических изменений на водные ресурсы, элементы водного баланса, речной сток и его колебания все еще весьма неоднозначны. Следовательно, они требуют более внимательного подхода к моделированию и прогнозированию многолетних колебаний ЭВБ, стока речных систем и его регулированию. 3.2. Оценка цикличности элементов водного баланса как основа моделирования и прогнозирования многолетних колебаний
Одновременно с теорией случайности многолетних колебаний годового стока в гидрологических расчетах используют и концепцию цикличности, т.е. повторяемое или обратимое чередование величин стока во времени.
Оценка цикличности ЭВБ проводится с помощью разносных интегральных кривых. Предварительно хронологические ряды значений элементов водного баланса нормировались и представлялись в виде модульных коэффициентов: КІ=ХІ/ХС (3.1)
Для построения такой кривой последовательно суммируют отклонения модульных коэффициентов от среднего значения Kt = і равного единице, то есть устанавливают зависимости fi=Z(ff-l) = /(T}. Сокращенная суммарная кривая имеет следующее свойство: отклонение среднего значения величины (в данном случае модульного коэффициента) за какой-либо интервал от средного его значения за весь период наблюдений характеризуется тангенсом угла наклона к горизонтальной прямой, соединяющей точки начала и конца интервала. Период времени, для которого участок суммарной интегральный кривой имеет наклон вверх относительно горизонтальной линии и положительное значение величины первой производной R = (Г), соответсвует возрастающей фазе цикла колебаний стока. Период, для которого участок кривой наклонен вниз и имеет отрицательное значение первой производной R = (Г), соответствует уменьшающей фазе. Пользуясь этим, легко выделить по сокращенной кривой начало и конец каждого цикла [33]. На рисунках (3.1-3-6) представлены графики разностных интегральных кривых осадков, испаряемости и речного стока по данным наблюдений за 30-летний период для бассейнов рек Гарасу и Хаблируд.
Из анализа представленных совмещённых разностных интегральных кривых можно сделать вывод, что циклы осадков и испаряемости практически идентичны, а разностные интегральные кривые стока несущественно отличаются друг от друга, где общие тенденции в целом выдерживаются. Это объясняется наличием влаги на водосборе при интенсивном выпадении осадков, которая может испаряться, и наоборот, при их отсутствии – испарения не происходит.
Заметные различия имеются в разностных интегральных кривых осадков и стока. Такие различия объясняются ежегодным накоплением и расходованием водных ресурсов речных бассейнов грунтовыми водами.
Из анализа разностных интегральных кривых речного стока можно сделать вывод, что имеется большая вероятность появления подряд нескольких маловодных лет (годы со стоком меньше среднего), что приводит к опасным ситуациям в орошении и водоснабжении населения. В частности, в бассейне реки Хаблируд, маловодный период только один раз наблюдается 4 года подряд. Остальные маловодные периоды наблюдаются в течение 3 лет или реже. В бассейне реки Гарасу, маловодные периоды в начале наблюдаются 3 года, а в конце – 5 лет. Особую опасность переставляют годы, когда совместно проявляется маловодность рек и небольшая годовая сумма выпавших атмосферных осадков. Такая ситуация складывалась в последние годы в бассейне реки Хаблируд один раз за трехлетний период с 2007 по 2010 гг., а в бассейне реки Гарасу аналогичная ситуация наблюдалась в 2005-2008 гг.