Введение к работе
Предотвращение неблагоприятного воздействия вод на жизнь и деятельность человека, рациональное использование водных ресурсов основано на достоверной информации об их текущем и ожидаемом состоянии. Основным источником информации по гидрологическому режиму является наблюдательная гидрологическая сеть. Наблюдательные системы всего мира в целом можно назвать молодыми в сравнении с продолжительностью циклов наблюдаемых процессов и явлений. С накоплением знаний о природных процессах понятие рациональной наблюдательной системы постоянно меняются, а потому вопрос оптимизации и повышения качества инженерно-гидрологических расчетов на протяжении всего времени будет открыт и актуален.
Годовой сток рек горного Урала изучен неодинаково. В работе горная страна впервые после работы В.Д. Быкова рассматривается в комплексе (без деления, но и практически без привлечения материалов прилегающих равнинных территорий) и расчеты производятся с использованием современных материалов наблюдений.
Изменение статуса Гидрометслужбы в условиях рыночной экономики, сокращение финансирования последней остро поставили задачу оптимизации сети наблюдений.
Оптимизации и планированию наблюдательной гидрологической сети, практическим приемам пространственно-временной интерпретации полей стока, разработке методов расчета годового стока горных территорий Урала и повышению точности расчетов по материалам сети посвящена работа.
Актуальность темы исследования диктуется необходимостью постоянного повышения качества территориально распространенной информации, приведения точности информации в любой точке пространства в соответствие с точностью данных наблюдений; потребностью приведения сети в соответствие с экономическими возможностями и производственными запросами. При рассмотрении пространственно распределенных характеристиках, закономерно возникает вопрос о погрешностях в описании пространственной структуры поля, возникающих вследствие неоднородного покрытия пространства пунктами наблюдений. Современное расширение сети после спешного сокращения в 90-е годы должно осуществляться на определенной методической основе. Горные районы Урала в целом следует считать слабо изученными в гидрологическом отношении. Актуальность исследования подчеркивает и необходимостью разработки региональных строительных норм (РСН) к нормативному документу СП-33-101-2003.
Целью работы является разработка методов оценки годового стока рек Урала (с разным объемом исходной информации) и рекомендаций по оптимизации наблюдательной сети в горном районе для повышения качества расчетных методов.
Районные методы расчетов оптимальной сети разрабатывались для двух критериев: градиентного и корреляционного.
Самостоятельным этапом работы, необходимым для понимания процесса развития сети, является составление исторического описания развития гидрологических работ на Урале.
Достижение цели осуществлялось через решение ряда задач:
-
Изучение имеющихся работ по годовому стоку рек Урала;
-
Сбор и анализ материалов наблюдений над годовым стоком на постах сети Росгидромета, материалов по истории развития наблюдательных систем на Урале;
-
Расчет основных характеристик годового стока различными методами;
-
Установление зависимостей характеристик стока от высоты, площади водосбора и других определяющих факторов, их взаимная увязка и оценка, проведение районирования территории на основании построенных зависимостей;
-
Разработка подходов к расчету оптимальной численности сети в районах горного Урала, расчеты оптимальной сети по корреляционному и градиентному критерию на средних и малых реках;
-
Выявление возможностей повышения качества полученных районных зависимостей, схем оптимизационных расчетов.
Научная новизна исследований. Впервые:
-
Для территории Урала в целом разработаны методы расчета характеристик годового стока рек с использованием современных материалов наблюдений;
-
Даны рекомендации по размещению сети пунктов наблюдений для рек Урала в комплексе;
-
Разработана оригинальная методика оптимизации сети по градиентному критерию в горных районах, основанная на использовании зависимостей характеристик стока от высоты, гипсографических кривых водосборов; в расчетах по градиентному критерию впервые предлагается заменить временную ошибку s0 на пространственную;
-
Разработаны методики планирования сети на малых реках (во времени и пространстве) – на основе анализа зависимостей коэффициентов азональности; и на крупных реках – на основе анализа графиков нарастания площади водосбора и расхода воды по длине реки;
Исходные материалы. Автором работы собран и проанализирован материал наблюдений более чем по 150 постам горной полосы Урала в бассейнах рек Камы, Тобола, Урала, Печоры и Нижней Оби, включающий данные по среднегодовому стоку рек на территории Уральского, Северного и Обь-Иртышского УГМС. В базу данных включены материалы с начала наблюдений по 2003 г. включительно. Рассчитанные на основе этих рядов наблюдений гидрологические характеристики (норма стока, изменчивость) и построенные на их основе зависимости являются новыми, современными и наиболее точными на сегодняшний день, поскольку с момента последних территориальных обобщений материалов наблюдений продолжительность рядов увеличилась на 30-40 лет. В атрибутивную базу данных включены сведения по гидрографии водосборов, сведения о полноте и точности учета стока на постах. Для создания картографической базы данных использовались общегеографические карты М 1 : 500 000.
Методы исследований, применявшиеся в работе, определяются последовательностью решения отдельных задач. При подготовке баз данных и расчетах характеристик стока использовались регрессионный, корреляционный анализ, критерии Фишера, Стьюдента, Вилькоксона. При анализе тенденций развития сети использовался исторический метод в географии. При расчетах оптимальной численности сети использовались корреляционные, градиентные методы, основанные на построении и анализе районных зависимостей характеристик стока от определенных факторов. Картографический метод использовался для создания картографической базы данных, отображения и дальнейшего анализа пространственно распределенных характеристик, явлений и величин, выполнения разных картографических расчетов.
Подготовка баз данных осуществлялась в программе Excel, обработка – в программе Statistica. Картографические работы выполнялись в программе MapInfo 8.5.
Научно-практическую значимость работы определяют следующие направления применения ее результатов:
-
Оптимизация и планирование сети наблюдений над характеристиками стока (расчет оптимальной численности и пространственной структуры сети).
Расчеты оптимальной численности сети позволяют обоснованно подойти к планированию систем наблюдений горных районов, с одной стороны, и установить существующие погрешности расчетов стока по материалам действующей сети, с другой. Долгосрочное планирование наблюдательных систем позволяет решить задачу своевременного и точного освещения территории гидрометеорологической информацией. Результаты работы должны внедряться в проекты развития наблюдательных систем Росгидромета;
-
Инженерно-гидрологические расчеты для строительного проектирования.
– использование полученных районных зависимостей для выполнения расчетов стока неизученных рек горных территорий;
– подбор рек-аналогов на основе карт изокоррелят;
– возможности гидрологического районирования территории на основе статистического анализа пространственно-корреляционных функций;
– возможность оценок ошибок пространственной интерпретации характеристик стока.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержание работы изложено на 253 страницах машинописного текста, иллюстрировано 52 рисунками и 25 таблицами. Список использованной литературы составляет 89 источников.
