Введение к работе
Актуальнії ость тем ы. Исследование пространственно-временных закономерностей водного режима рек - одна из наиболее сложных проблем гидрологии. Их раскрытие предопределяет различную интерпретацию гидрологической информации, принятие той или иной математической модели процесса стока. На их основе разрабатываются методы гидрологических расчетов и прогнозов. Учет таких закономерностей необходим при решении вопросов экономической целесообразности мероприятий, связанных с использованием водных рэсурсоз и конкретных водных объектов.
Работы Л. И. Афанасьева, П. П. Денисова, И.П.Дружинина, Г. П. Калинина, Т.П.Кочуковой, П.С.Кузина, Е.А.Леонова, А.В.Рождественского, Д.Я.Ратковича, В Л.Румянцева, В.А.Семенова, Н.П.Смирнова, И.В.Сомова, 3.А.Ыелутко я лр. внесли весомый вклад в раскрытие этих закономерностей в масштабах' планеты, континента, территории СНГ, хотя задача еще далека от разрешения. Казахстан в этих работах занимает, как правило, скромное место, отдельно вся его территория, с использованием максимума гидрометеорологической информации, нэ рассматривалась, а единичные локальные проработки ив проясняет общей картины. Еще хуяе в этом отношении изучены экстремальные характеристики. Работ, посвященных пространственно-временным колебаниям максимальных расходов и уровней воды, практически не было.
Две особенности -пространственно-временных колебаний стока на реках равнинного Казахстана - слабая пространственная связанность "і рекордная для континента временная изменчивость стока -предопределяют повышенную потребность в надежной и объемной гидрологической информации. По гидрологическая изученность равнинной территории Казахстана как раз явно недостаточная, а сокращение в последние годы гидрометрической сети с неизбежностью ведет к информационному дефициту на десятилетия. Отсюда вытекает необходимость обобщение накопленных данных и развития расчетных методов, в том числе при минимуме исходных материалов - по о»г.нь коротким рядам или даже по результатам полевого обследования водотока. Таких рекомендаций в СНиПе не содержится.
Та же особенность стока равнинных рек Казахстана - его исключительная неравномерность во времени, а отсюда, - очень высокие
половодья в многоводные годы - обусловливает особый интерес потребителя гидрометрической информации к экстремальным характеристикам, в частности, к максимальным уровням и расходам воды. На этих характеристиках основываются параметры проектируемых сооружений, мероприятия по зашлте территории от затопления, оценка экологического состояния пойменных участков и т.д. При всем этоу методика определения максимальных уровней воды фактически не разработана, а сложившаяся практика их оценки по равнообеспе-ченкым максимальным расходам воды далека от совершенства. Вообще по региму и распределению максимальных уровней, воды в реках, кроме изданных 2U-25 лет назад каталогов, обобщений не было. С тех пор по рассматриваемой территории не производилось и оценки влияния ледовых явлений на уровни воды в реках.
Таким образом, как выявление особенностей многолетних колебаний во, юго и ледового режима рек и их территориальной согласованности, так и практический аспект проблемы - разработка методики расчета соответствующих характеристик гидрологического режима рек - наиболее актуальные вопросы современной гидрологии и, в частности, в респус ,;ко Казахстан.
Цель и задачи работы. Цель работы - исследование территориальных и временных закономерностей колебаний характеристик водного и ледового реянма рек Казахстана (по <.шди-видуальным и групповым оценкам), включая максимальные уролш и расходы поды; разработка на это?/ основе методов расчета характеристик режим», в том числе по ограниченной информации и в условиях больших временных изменении стока.
Поставлены и решены следуювде научные и практические задачи.
\ Исследованид пространственной согласованности колебаний характеристик стока й уровней воды.
2. Выделение групп бассейнов со сходным многолетним ходом стока и исследование структуры рядов годового и максимального стока - по группоьыы и индивидуальным оценкам.
j. Исследование многолетних тенденций характеристик водного и ледового режима рек.
4 Выявление регулярной составлявшей многолетних колебаний.
-
Анализ возможностей оценки характеристик годоеого и максимального стока по ограниченной информации в условиях больсой временной изменчивости водности равнинных рек.
-
Анализ возможностей'упрощения рекомендуемой СНиПом системы расчета этих характеристик для условий горных рек.
-
Ревизия методов расчета максимальных уровней равнинных рек.
-
Расчет параметров распределения максимальных уровней воды в в реках, анализ их территориальных особенностей и закономерностей
Э. Разработка рекомендаций по расчету максимальных уровней воды в реках по минимальное полевой информации.
-
Оценка влияния ледовых явлений на максимальные уровни воды в реках.
-
Разработка приемов косвенной оценки теплопотока на границе вода-Еоздух и характеристик ледового режима рек.
-
Исследование явления образования волн перемещения при замерзании и вскрытии водотоков; разработка расчетных зависимостей для определения наибольшей возможной величины этих волн.
Исходные данные и методика исследований. В основе работы - изданные кадастровые материалы по рекам Казахстана и сопредельных территорий России. Кроме того, использованы следующие данные.
3. Материалы полевых исследований кафедры гидрологии суии КазГУ по водотокам Павлодарской области, системы Тургая, бассейна Балхаша, на р. Урал. Ио. едовлния проводились в ранках хоздоговоров с Гипроводкозом СССР, Институтом географии НАН РК, Пав-лодармелиорацией.
-
Экспедиционные и изыскательские материалы организаций: ГГИ, Союзгипрорис и др.
-
Данные физического эксперимента на модели канала в САНКИРИ.
-
Опубликованные метеорологические материалы.
-
Архивные материалы и синоптические карты Казгидромета.
-
Материалы климатических исследований КаэНИГМИ (каталог си-но-тических процессов, ежегодные данные по метеостанциям).
-
Ежегодные обзоры опасных явлений погоды.
Применялись методы исследований: теоретический - на базе стационарных данных сети Гидромета и ведомств, экспедиционный, а также использовались результаты экспериментального метода - для моделирования процесса образования волн перемещения. При разработке отдельных аспектов темы использовались приемы статистической обработки и анализа исходной информации, выделения трендов и скрытой периодичности в рядах, корреляционного и регрессионного анализов, разложения последовательности гидрологических полей на ортогональные составляющие, теплового баланса, гидролого-гео-ра$ического районирования и типизации дллеяий, географической аналогии. Степень достоверности выборочных показателей подтзерж-
далась определением доверительных пределов и оценкой погрешности расчетов и методов.
Предмет защиты. На защиту выносятся результаты исследований пространственно-временного распределения характеристик бодного и ледового режима рек Казахстана, методика п результаты расчета этих характеристик, в том числе по ограниченной информации.
Научная 'к о в и з н а. Основные научные результаты работы следующие.
Впервые на массовом материале и единой методической сснсзе рассмотрена пространственная связанность и территориальная согласованность многолетних колебаний характеристик водного режима рек по всему Казахстану - по индивидуальным и групповым оценкам. Показано, в частности, что преобладает тенденция к согласованности этих колебаний на всей территории, причем эта черта определяется, в основном, экстремальными годами, особенно маловодноки.
Исследована статистическая структура рядов (по отдельны;/ створам и группам бассейнов) годового и максимального стока по рекам всего Казахстана, выявлены внутрирядиые закономерности, многолетние тенденции;"' преобладающая система циклов. Показало, что в различные периоды характер многолетних колебаний существенно неодинаков, и статистические- свойства длинных рядов определяется теми.их фрагментами, когда они выражались наиболее четко.
Впервые выявлены пространственно-временные закономерности максимальных расходов а уровней воды ц параметров распределения последних для рек равнинной территории Казахстана.
Предложена принципиально новая методика определения расчетных максимальных уровней воды, разработаны территориальные схемы, аналитические зависимости, графики и номограммы для оценки, соответствуюищх параметров по ограниченной информации.
-" Рассмотрены вопросы определения расчетных характеристик годового и максимального стока рек по ограниченной информации в уповиях его большой временной изменчивости и слабой территориальной связанности; впервые показана различная информативность данных за маловодные и многоводные годы.
'- Получены характеристики максимальных уровней воды для'рек равнинного Казахстана, уточнены в сравнении с опубликованными величины годового и максимального стоха по рекам Павлодарской области, районов Центрального Казахстана, бассейна оз.Балхаш.
- Рассмотрена вопросы ледового режима рек и предложены униве-
реальные зависимости для упрощенного определения результирующего теплопотока на границе сред вода-воздух и характеристик ледового режима в период замерзания рэх от метеорологических показателей.
- Раскрыта природа колебании уровня воды при дискретном характере замерзания н вскрытия рек, разработана методика определения параметров образующихся волн перемещения.
П р а к т и ч о с к а я з н а ч и и о с т ь работы. В результате выполненной работы решена хозяйственная задача, связанная с усовершенствованием методов расчетов характеристик водного ренина рек, б ток числе по весьма ограниченной информации. Так, рекомендации по расчету максимальных уровней воды, годового и максимального стока по очень коротким рядам или данным полевого обследования рек находят применение в практике проект-по-нзыскательских работ (например, институты "Энергия", Каздор-проект, КазГНИЗ). Целесообразно их включение в СНиП.
Сведения о повторяемости высоких половодий к максимальных yposiielt воды могут бить использованы при разработке мероприятий по защите территорий от затопления, при решении вопросов, связанных с экологическим состоянием поименных участков.
Расчетные данные по величинам годового пли максимального стока рек Павлодарской области, бассейнов Тургая и Сорыоу, бассейна оз.Балхаш переданы заказчикам и учитываются в конкретном проектировании, при решении стратегических и текущих задач использования водных ресурсов или отдельных водных объектов.
Предложенные универсальные для Казахстана зависимости тепло-потерь с водной поверхности и характеристик ледового режима в период охлаждения от метеорологических показателей взамен сложных тешгобалансовых расчетов когут найти применение в конкретном проектировании и способствовать более шкрохоку внедрению теп. з-балаисового метода в практику проектных организаций.
Для конкретного проектирования важны практические вызовы с границах применения рекомендаций СНиПа для расчета стока с горных территорий (учет внутрирядной корреляции, смещенности рассчитанного коэффициента вариации, исправление восстановленных величин на смещение дисперсии, необходимая минимальная длина ряд;ч).
В процессе решения упомянутой практической задачи выявлены пространственно-временные закономерности колебаний характеристик водного и ледового режима рек. Эти данные могут быть использованы при разработке долгосрочной стратегии эксплуатации Бедных ресурсов и водных объектов республики; для оценки гндрологнчес-
кнх эффектов в связи с глобальными изменениями климата, а также адаптации к ним различных отраслей хозяйстза; для выбора оптимального варианта размещения гидрометрической сети; в конкретном .проектировании - при выборе бассейнов или створов-аналогов, при применении расчетных методов, Б которых используется пространственная корреляционная функция. Б частности, данные по связям стока Иртыша с осадками использовались КазКИГМИ при оценке адаптации речного транспорта к изменениям климата Казахстана.
Результаты исследований в виде научных отчетов переданы Со-юзгипрсводхозу СССР (задания С3.02.Д5 и 03.02.Д7 проблемы ГКНТ СССР 0.85.06), Павлодармелиорацпи, Институту географии HAH РК, войди е научный отчет по теме Координационного плана АК СССР и . Минвуза СССР на 1986-1990 гг. (шифр 3.S.1.7.5). Они внедрены в учебный процесс из кафедре гидрологии суши КазГУ в виде спецкурса "Врг екные гидрометеорологические ряды", в лекционных курсах и лабораторных работах по дисциплинам "Гидрология суаи", ''Гидрофизика", "Гидрологические прогнозы", "Бодно-технические' изыскания" . при курсовом и дипломном проектировании. Практические аспекты исследования были ;лючены в курс "Актуальные проблемы ги-' дрологип", прочитанный в 1939 г. по профили Инженерной гидрологии для специалистов по проектированию искусственных сооружении в Институте повышения квалификации системы Минавтодора КаэССР.-
Апробация исследований. Отдельные поло-аенпя исследований по теме докладывались на Всесоюзных коордп- -национных совещаниях по проблеме переброски стока (Ташкент, 1981, НоЕосиоирок, 1933), Y Всесоюзном совещании по применении статистических методов в метеорологии (Казань, 1985), на I, II к III съездах геогррйов Казахстана (Алма-Ата, 1979, 1965 и 1990), на научных семинарах ґкафедры гидрологии суии КазГУ (19S1-1994) н лаборатории гидрологик ИГ КАН РК (1994, 1995), на Ученом совете геофака КазГУ (1S94, 1935), Ученом совете Института географии НЛК РК (1991, 1993, 19S4 гг.), Научно-техническом совете Казгндромета (199 . Вопросы использования некоторых результатов исследования в учебном процессе докладывались на секции гидрологии суши Комиссии г выспему гидрометеорологическому образованию Минвуза СССР (Алма-Ата, 1981).;
Публикации. Содержание работы отражено в 42 печатных работах* Бклсчая монографии.
Структура и о'бьем работы. Диссертация-»со-стоит из взедення, пяти глав, заключения, списка литературы из
299 наименований и приложений. Обший оо'ьем АОО страниц, в тон числе 57 рисунков, Б7 таблиц, 11 табличных приложений.