Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общее физико-географическое описание бассейна р.Терек 15
1.1. Особенности гидрографии 15
1.2. Рельеф и геология 17
1.3. Климат 19
1.4. Особенности современного оледенения 21
1.5. Почвы и растительность 22
1.6. Гидрологическая изученность бассейна Терека 23
1.7. Антропогенное использование водных ресурсов 24
Глава 2. Пространственно-временная изменчивость метеорологических характеристик центральной и восточной части Северного Кавказа 28
2.1. Пространственная скоррелированность многолетних колебаний среднегодовых температур воздуха 29
2.2. Пространственная скоррелированность многолетних колебаний годовых и среднемесячных сумм осадков 33
2.3. Характеристика современных изменений климата на территории Северного Кавказа 39
Глава 3. Факторы формирования пространственно-временной изменчивости стока горных рек 51
3.1. Закономерности процессов формирования стока в бассейнах горных рек 51
3.2. Особенности естественной многолетней зарегулированности речного стока в бассейне р.Терек 63
3.3. Зависимость характеристик стока рек Терского бассейна от атмосферных осадков и параметров естественной зарегулированности 72
Глава 4. Особенности пространственно-временной изменчивости годового и минимального стока в бассейне Терека 87
4.1. Пространственное распределение характеристик годового стока 87
4.2. Пространственное распределение характеристик минимального стока 91
4.3. Многолетние колебания характеристик годового и минимального месячного стока 105
Глава 5. Особенности уровенного режима рек Терского бассейна в период максимальной водности 122
Глава 6. Районирование бассейна р.Терек по условиям формирования водного режима 134
Глава 7. Возможности прогнозирования и расчетов характеристик стока рек Терского бассейна 143
7.1. Расчет гидрологических характеристик годового, минимального и максимального стока рек Терского бассейна при наличии данных наблюдений... 143
7.2. Расчет гидрологических характеристик годового, минимального и максимального стока рек Терского бассейна в условиях недостаточной гидрологической изученности 148
7.3. Прогноз минимального стока рек Терского бассейна 151
7.4. Прогноз стока рек Терского бассейна в многоводный период 156
7.5. Перспективные направления в области расчетов и прогнозов стока горных рек 172
Глава 8. Физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне 183
8.1. Постановка проблемы 183
8.2. Расчет таяния по модели 186
8.2.1. Принципиальная схема модели и входные данные 186
8.2.2. Приходящая прямая и рассеянная коротковолновая радиация 190
8.2.3. Альбедо 198
8.2.4. Длинноволновое излучение 199
8.2.5. Турбулентный теплообмен с атмосферой 200
8.2.6. Поток тепловой энергии через морену и вглубь снежной толщи 203
8.3. Реализация модели для ледникового комплекса бассейна руч. Джанкуат 205
Заключение 222
Список литературы 228
- Гидрологическая изученность бассейна Терека
- Характеристика современных изменений климата на территории Северного Кавказа
- Многолетние колебания характеристик годового и минимального месячного стока
- Расчет гидрологических характеристик годового, минимального и максимального стока рек Терского бассейна в условиях недостаточной гидрологической изученности
Введение к работе
Актуальность работы. Бассейн р. Терек является одним из наиболее сложных в природном отношении регионов России. Горный рельеф, высотная зональность климата, значительная неоднородность полей метеоэлементов являются причинами возникновения здесь больших контрастов в условиях формирования стока рек. Вследствие этого в бассейне Терека существуют как проблемы с дефицитом воды, так и с ее избытком.
Для бассейна характерно регулярное проявление разнообразных опасных природных процессов, постоянно создающих угрозу безопасности жизнедеятельности населения. Равнинная часть Терского бассейна - один из наиболее густонаселенных регионов нашей страны и один из крупнейших районов поливного земледелия, которое сосредоточено в предгорной и равнинной частях бассейна с засушливым климатом.
Несмотря на достаточно большое внимание к бассейну Терека различных ученых (П.М. Лурье, А.Н. Важнов, И.А. Шикломанов, А.В. Погорелов, В.Д. Панов, В.Н. Михайлов, Н.И. Алексеевский, И.В. Землянов, О.В. Горелиц и др.), результаты существующих на данный момент исследований не могут быть достаточными для планирования водохозяйственного развития бассейна, проектирования сооружений и организации системы защиты населения и хозяйственных объектов от опасных гидрологических процессов. Обобщения, изложенные в монографии «Ресурсы поверхностных вод СССР» (1973), являются последним примером детальной разработки зависимостей и карт для расчета гидрологических характеристик неизученных бассейнов в пределах бассейна Терека. В настоящее время, по прошествии 30-ти лет, данные расчетные схемы можно считать сильно устаревшими.
В существующих трудах, посвященных бассейну Терека, не приводится подробного системного анализа направленности изменений характеристик речного стока, а также современных изменений климата на территории Северного Кавказа. Отсутствуют примеры комплексного анализа факторов стокоформирования как возможных предикторов характеристик водного стока рек Терского бассейна для их расчетов и прогнозирования.
В условия Терского бассейна методы исследования речного стока, разработанные для равнинных территорий, часто становятся неприменимыми. Для выбора корректных подходов к изучению особенностей водного режима рек Терского бассейна требуется учет специфики формирования стока горных рек. Методам же исследования, расчета и прогноза гидрологических и метеорологических характеристик горных территорий в отечественной литературе традиционно уделяется меньше внимания, что предопределяет необходимость особого рассмотрения процессов формирования стока горных рек.
Объектом исследования являются реки Терского бассейна. Предметом исследования - условия формирования и пространственно- временное распределение характеристик водного стока рек бассейна Терека.
Цель исследования - изучить особенности процессов формирования водного стока в бассейне Терека, пространственно-временного распределения его характеристик, разработать методики и средства их прогнозирования и расчета.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
выявление основных факторов, определяющих формирование водного режима рек Терского бассейна, степени и характера их влияния на различные характеристики стока;
изучение пространственной связности многолетних колебаний характеристик температуры воздуха и атмосферных осадков на исследуемой территории;
выявление и анализ современных изменений климата, характерных для бассейна Терека;
исследование пространственного распределения и многолетних колебаний характеристик годового, минимального и максимального стока;
анализ существующих подходов к прогнозу и расчету стока рек горных территорий, разработка зависимостей и карт для расчета характеристик стока с неизученных частей Терского водосбора, построение соответствующих прогностических зависимостей;
изучение существующего опыта физико-математического моделирования стока рек горных территорий и отдельных составляющих процесса его формирования;
разработка физико-математической модели таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне как основы модели формирования стока горных рек.
Методика исследований и фактический материал. В данной работе использовались данные наблюдений по 42 гидрометрическим постам на реках Терского бассейна продолжительностью за период до 2008 г., а также ряды наблюдений на 30 метеостанциях, расположенных в центральной и восточной части Северного Кавказа. При проверке разработанной физико-математической модели таяния в гляциально-нивальной зоне использовались материалы работы ледникового отряда МГУ на гляциологической станции Джанкуат, собранные при участии автора.
В исследовании использованы разные методы - от традиционных методов математической статистики и географического обобщения до геоинформационных методов и физико-математического моделирования. Для решения задач широко использовались современные программные комплексы, прежде всего, ArcGis, Statistica и Exel, а также собственные программы, написанные на языке Фортран.
Основные защищаемые положения:
рекомендации при решении задач интерполирования различных характеристик осадков и температуры воздуха между пунктами метеонаблюдений для гидрологических исследований в пределах центральной и восточной части Северного Кавказа;
районирование бассейна Терека по условиям формирования водного режима рек;
эмпирические зависимости и карты для расчета характеристик минимального, среднегодового стока и максимальных уровней воды для неизученных бассейнов;
выявленные тенденции направленных изменений характеристик минимального, среднегодового стока и максимальных уровней воды рек Терского бассейна и их сопоставление с современными климатическими изменениями и другими факторами формирования стока;
методики краткосрочного прогноза уровней и расходов воды опасных паводков, долгосрочного прогноза стока рек в многоводный период, а также методики долгосрочного прогноза минимальных месячных расходов воды для ряда участков рек Терского бассейна;
физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально- нивальной зоне.
Научная новизна работы заключается в том, что представленные результаты анализа пространственно-временного распределения характеристик речного стока основаны на наиболее современных данных, а также на детальном рассмотрении процессов формирования стока и определяющих их факторов в пределах Терского бассейна.
Впервые оценены возможности интерполяции характеристик температуры воздуха и осадков в разные месяцы между пунктами наблюдения в горной и равнинной части бассейна.
Построены обновленные карты и зависимости для определения характеристик минимального, годового стока и уровней воды в период максимальной водности. Для некоторых характеристик подобные зависимости и карты построены впервые. Обновлено и уточнено районирование Терского бассейна по водному режиму. В данном районировании были учтены не только особенности внутригодового распределения стока, но и основные факторы его формирования, а также особенности многолетних колебаний характеристик стока.
В условиях современной возрастающей опасности наводнений для ряда пунктов в пределах бассейна Терека, попадающих в области наиболее вероятного затопления, были разработаны методики краткосрочного прогноза максимальных уровней воды. Были рассмотрены возможности применения метода тенденций для прогноза характеристик минимального стока воды в условиях Терского бассейна, более подробно разработанного для равнинных рек, построены соответствующие прогностические зависимости для ряда пунктов. На основе регрессионного анализа были выбраны наиболее репрезентативные метеостанции современной сети метеонаблюдений и наиболее результативные предикторы для прогноза стока рек в многоводный период для ряда горных водосборов исследуемой территории.
На основе последних данных были выявлены тенденции современных климатических изменений и направленных изменений характеристик стока.
Впервые в нашей стране разработана физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне с распределенными параметрами, отвечающая современным возможностям измерения метеоэлементов.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные карты и эмпирические зависимости могут быть использованы для проектирования различных сооружений в пределах Терского бассейна. Районирование исследуемой территории по условиям формирования водного режима может быть применено при разработке схем комплексного использования водных ресурсов бассейна. Разработанные прогностические зависимости дают возможность повысить эффективность эксплуатации многих сооружений и предотвратить ущерб населению и хозяйственным объектам. Предложенная физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне может послужить основой разработки моделей стока рек горных территорий, необходимых для организации системы мониторинга за опасными гидрологическими процессами в высокогорных бассейнах.
Физико-математическая модель таяния снега и льда, адаптированная для местных физико-географических условий, была использована для моделирования различных сценариев таяния наледей, образующихся в результате сброса очищенных сточных вод с проектируемых сооружений для площадок Космодрома «Восточный» (по заданию Рососмоса). Разработанные в рамках диссертационной работы методологические подходы к оценке характеристик опасных гидрологических процессов на горных реках были использованы для изучения водного режима р. Мзымта в целях проектирования инженерной защиты Олимпийских объектов, расположенных на Имеретинской низменности (по заданию ГК «Олимпстрой»).
Результаты работы вошли в отчеты: государственного контракта от 16 августа 2006 г. №1-СКИОВР «Разработка схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Терек»; гранта РФФИ № 09-05-01182 «Современная эволюция ледников Кавказа и их водных ресурсов как отклик на новейшие тренды климата»; отчет по Государственному контракту № 02.740.11.0336 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2011); отчет по государственному контракту № 12 от 14 декабря 2010 г. на выполнение научно-исследовательских работ для федеральных государственных нужд по теме «Изучение пространственных особенностей экстремальных гидрологических условий на территории Российской Федерации и подготовка научно обоснованных предложений по минимизации их негативного воздействия на социально-хозяйственный комплекс страны»; отчет по проекту РФФИ: № 10-05-00252 «Влияние изменений климата на формирование речного стока и опасных гидрологических явлений на юге Европейской территории России». Методологические средства оценки характеристик водного режима рек Терского бассейна разработаны в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2011, госконтракт П164 «Совершенствование системы мониторинга гидрологических процессов для повышения эффективности и безопасности водопользования»).
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (2007, 2008, 2009), на научных конференциях молодых ученых и талантливых студентов Института водных проблем РАН (2008, 2009, 2010), на VII Конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (2009), на научно-практической конференции молодых специалистов в ОАО ПНИИИС «Инженерные изыскания в строительстве» (2008, 2009), на совместных конференциях ИВПАН и МГУ в 2011-2012 гг.
Результаты работы также докладывались на международных научных конференциях: в 2008 г. - в рамках международного научного семинара, посвященного обсуждению результатов совместных гидролого- гляциологических исследований ледников Кавказа, Кузнецкого Алатау и Кодара (Германия, Мюнхен); в 2010 г. - на VI Всемирной конференции FRIEND «Global Change: Facing Risks and Threats to Water Resources» (Марокко, Фес); в 2012 г. на XXXII Международном географическом конгрессе (Германия, Кёльн).
Публикации. Итоги исследований изложены в 17 работах, из которых 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ, 1 глава в коллективной монографии, 1 статья в ведущем международном журнале, 1 статья в энциклопедии, 7 статей в прочих сборниках и 4 тезисов докладов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 277 страниц, включая 131 рисунок, 18 таблиц, 11 приложений. Список литературы содержит 94 наименований, из которых 61 работа отечественных и 33 работы зарубежных авторов.
Гидрологическая изученность бассейна Терека
Режимные наблюдения на гидрометрических постах в бассейне Терека начались в 1910-1920-х гг. на постах р. Терек - г. Владикавказ, р. Терек – с. Степное, р. Сунжа - г. Грозный и р. Аргун – с. Дуба-Юрт. В данной работе использовались данные по 42 постам с наиболее длинными рядами наблюдений, не включая территорию дельты. В настоящее время на территории бассейна ведутся наблюдения на 25 гидрометрических постах, причем в бассейне р.Сунжа не работает ни одного (рис. 1.6.1). Список гидрометрических постов в бассейне Терека приведен в приложении 2. Учитывая особенности формирования стока в горах, освещение территории гидрометрическими данными недостаточно.
Водные объекты бассейна р. Терек используются:
в сельском хозяйстве для орошения и осушения земель, с.х. водоснабжения, обводнения пастбищ, рыбоводства;
в промышленности для водоснабжения объектов промышленного производства;
для коммунально-бытового использования в системах водоснабжения городов и населенных пунктов; для целей энергетики в системах водоснабжения теплоэлектростанций и выработки электроэнергии на ГЭС;
для рекреационного использования;
для приема сбросных вод промышленности и энергетики, ЖКХ, дренажных вод осушаемых земель, неиспользуемых шахтно-рудничных вод.
Значительные объемы воды и большие уклоны местности создают благоприятные условия для строительства каскадов гидроэлектростанций. В бассейне Терека ГЭС построены на самом Тереке и его притоках – Баксане, Гизельдоне, Ардоне и Череке. В горной части бассейна функционируют 7 гидроэлектростанций, вырабатывающих ежегодно около 1700 млн кВтч электроэнергии (рис. 1.7.1) (Отчет.., 2006)
Бассейн р. Терек относится к районам интенсивного орошения. После выхода реки из горной зоны бассейна на протяжении 530 км организовано большое количество водозаборов, отводящих воду непосредственно из главной реки и ее притоков для питания крупных оросительных систем, число которых выше вершины дельты (с. Степное) насчитывается более 30 (Отчет…, 2006). Орошение в бассейне развито с давних пор, однако до 20-х годов прошлого столетия оно было незначительным (табл. 1.1.1), в основном располагалось в дельте Терека. В дальнейшем орошение стало интенсивно развиваться в среднем и даже верхнем течении реки (Отчет…, 2006).
Орошаемые площади, тыс. га 65 120 170 250 350 380 500 600 В предгорной западной части бассейна Терека в 1930-е–1940-е гг. был сооружен ряд крупных оросительно-обводнительных каналов (рис. 1.7.1). Два из них отводили воду из р. Малка. Канал – Малка–Золка был построен для переброски части стока Малки в бассейн р. Кума. В 20 км ниже по течению в станице Марьинская от Малки отходит второй канал – Куро-Марьинский, соединяющий ее с бассейном р. Кура у Новопавловска. Третий наиболее крупный канал в этой части бассейна Терека – Баксано-Малкинский – отводит воды Малки по правому борту ее долины в р. Баксан. Основные водозаборы канала расположены в с. Псыхурей (на р. Малка) и с. Старая Крепость (на р. Баксан). Последний крупный водозабор из р. Малка осуществляется оросительно-обводнительным каналом Кура–Малка, водозабор которого расположен в х. Крупско-Ульяновский, в 5 км ниже по течению от Баксано-Малкинского канала (Отчет.., 2006).
Остальные оросительные системы протянулись по равнинной части бассейна, главным образом параллельно руслу Терека (рис. 1.7.1). Самая крупная оросительно-обводнительная система этой части бассейна Терека – Терско-Кумская. По Терко-Кумскому каналу, построенному к 1957 г., от станицы Павлодольской осуществляется переброска стока из русла Терека в р. Куму у с. Левокумское. Одновременно, из этой же системы орошаются обширные полупустынные территории Ногайской степи в северо-восточной части бассейна Терека (Отчет.., 2006).
За 50 лет площадь орошаемых земель в бассейне выросла примерно в 8 раз. Среднегодовой водозабор в Терско-Кумский канал в 1970 г. составил 70 м3/с. В 1982 г. объем воды, поступивший в канал был равен 1,38 км3. Большая часть забранной воды используется на хозяйственные нужды в бассейне Терека, а в р. Кума канал поставляет незначительный объем терских вод. Площадь орошаемых земель в зоне канала равна 95 тыс. га (Отчет…, 2006).
Средний годовой расход воды в канале (QТК) до начала 80-х годов постоянно возрастал и в 1981 г. составил 58 м3/с. В 1982-1987 гг. забор воды в канал стабилизировался на уровне 45-55 м3/с. В последующие годы величина QТК уменьшилась в 2 раза и больше по сравнению с серединой 80-х годов ХХ в (Отчет…, 2006).
Рис. 1.7.1. Оросительно-обводнительные системы в бассейне р. Терек (Отчет…, 2006) Функции каналов межбассейнового перераспределения стока в бассейне р.Терек и его притоков также осуществляют каналы Малка-Золка (0,75 м3/с), Куро-Марьинский (1,45 м3/с), Малка-Кура (12,3 м3/с). Эти и другие каналы используются для подачи воды на поля в рамках внутри- и межбассейновой переброски стока. При этом часть воды безвозвратно теряется вследствие ее фильтрации и испарения (Отчет…, 2006). Безвозвратные потери стока в данной области составляли около 4-6 км3/год на начало XXI в. Подробнее данный вопрос рассмотрен в трудах И.А. Шикломанова, а также в работе (Отчет…, 2006).
Характеристика современных изменений климата на территории Северного Кавказа
Согласно данным многочисленных авторов в настоящее время происходят направленные изменения климата. В бассейне р. Терек, согласно Докладу IPCC (Contribution of Working Group I…, 2007), линейный тренд увеличения глобальной температуры воздуха в период с 1979 по 2005 г. составлял 0,25– 0,35С за 10 лет. Согласно Оценочному докладу Росгидромета об изменениях климата РФ (Оценочный доклад…, 2008) линейный тренд увеличения среднегодовой температуры за 1976-2006 гг. составлял от 0,2С за 10 лет в юго-восточной части бассейна Терека бассейна до 0,5С/10 лет на северо-западе бассейна.
Линейный тренд суммы осадков на исследуемой территории, согласно Докладу IPCC (Contribution of Working Group I…, 2007), составил 3-15% за 10 лет. По данным, приведенным в (Оценочный доклад…, 2008), увеличение годового количества осадков в период 1976-2006 гг. составило на территории бассейна Терека 0-5%. Количество летних осадков остается примерно постоянным (немного уменьшается на севере бассейна и немного увеличивается на юге), в то время как линейный тренд увеличения количества зимних осадков составлял 10-15%/10 лет. При этом характерно увеличение угла наклона линейного тренда рядов с запада на восток.
Также в Оценочном докладе (Оценочный доклад…, 2008) приведены данные о динамике характеристик снежного покрова по спутниковым данным из архива NOAA и данным приземных наблюдений. Согласно приведенным материалам, темп увеличения продолжительности залегания снежного покрова в высокогорной юго-западной части бассейна в период с 1970-2004 гг. составлял 0,25-0,3 сут./год. На равнинной части бассейна продолжительность залегания снежного покрова уменьшалась от 1 до 0,25 сут./год.
Согласно (Contribution of Working Group I…, 2007) различия в распределении снежного покрова в марте-апреле между периодом 1967-1987 и 1988-2004 гг. составляет -15...-6 %.
Для более подробного исследования произошедших за последнее время изменений климата на территории бассейна р.Терек, в рамках данной работы были проанализированы ряды метеорологических характеристик 26 метеостанций, расположенных в районе исследуемой территории, с самыми длинными рядами наблюдений. Обнаруженные тренды для рядов отдельных метеоэлементов были проверены на статистическую достоверность с помощью критерия Спирмена (Христофоров, 1988). Согласно полученным результатам, основными тенденциями современных изменений климата на Северном Кавказе являются:
1. Увеличение среднегодовой температуры воздуха и уменьшение числа дней с отрицательными температурами воздуха в году для равнинной территории Терского бассейна. Данная тенденция наблюдается практически для всех метеостанций равнинной части бассейна и является статистически значимой для подавляющего большинства (рис. 2.3.3). Постепенное увеличение среднегодовой температуры воздуха происходило в течение всего периода наблюдений на станциях (с середины 1930-х гг.), однако наибольшую интенсивность этот процесс приобрел, начиная с 1986 г., что отражает перегиб графиков скользящей средней для рядов среднегодовой температуры воздуха равнинных метеостанций (рис. 2.3.2). Линейный тренд увеличения среднегодовой температуры воздуха в период с 1986 г. по настоящий момент составляет от 0,5–0,7С/10 лет на северо-востоке равнинной части (м.с. Грозный, Гудермес, Кочубей, Минеральные воды, Моздок), до 0,73– 0,83С/10 лет на юго-западных метеостанций: Буйнакска, Нальчика, Владикавказа (таблица 2.3.1). 2010 г., как аномальный, был исключен при построении линейного тренда в том случае, если он являлся крайней точкой ряда, чтобы ошибочно не завысить наклон линейной аппроксимирующей функции. Таким образом, за последние 25 лет температура воздуха в равнинной части бассейна Терека поднялась в среднем на 1,7С. При этом, увеличение среднегодовой температуры воздуха происходит как за счет летнего, так и за счет зимнего сезонов. Полученные значения в 2 и более раз превышают приведенные величины в Оценочном докладе (Оценочный доклад…, 2008) и докладе IPCC (Contribution of Working Group I…, 2007).
2. В пределах горных территорий бассейна Терека в период с начала метеорологических наблюдений (1940–1960 гг.) по начало девяностых годов прошлого столетия происходило направленное уменьшение температуры воздуха, которое для ряда горных м.с. являлось статистически достоверным (Терскол, Шови, Казбеги, Шаджатмаз), для других – носило характер тенденции (Местия, Шови, Мамисонский перевал, Клухорский перевал) (рис. 2.3.3). Темпы уменьшения среднегодовых температур воздуха составляли от – 0,14С/10 лет до -0,38С/10 лет. Начиная с конца 1980-х - начала 1990-х гг. значения среднегодовой температуры воздуха стабилизируются. Для некоторых метеостанций намечается тенденция роста (м.с. Шаджатмаз, отчасти - м.с. Клухорский перевал). Для самой южной метеостанции – Сулак-высокогорная этот тренд является статистически значимым и составляет 0,48С/10 лет, что примерно в 1,5 раза меньше аналогичного значения для равнинных метеостанций исследуемой территории.
3. Многолетние колебания годовых сумм осадков в бассейне показывают разнонаправленные тенденции. Для большинства горных и равнинных метеостанций, расположенных в западной части исследуемой территории, характерно направленное увеличение годовой суммы осадков в течение всего периода наблюдения, причем как за счет твердой, так и за счет жидкой составляющей, в большинстве случаев статистически достоверное (рис. 2.3.4, 2.3.5). Линейный тренд увеличения годовой суммы осадков составляет от 2,25%/10 лет на станции Теберда до 5,8%/10 лет на станции Терскол. В центральной части и на юге бассейна наблюдается статистически недостоверная тенденция повышения количества осадков. В северной части бассейна, а также на южном макросклоне Кавказа, на границе с центральной частью бассейна Терека, отсутствуют направленные изменения в процессе многолетних колебаний годовых сумм осадков.
Многолетние колебания характеристик годового и минимального месячного стока
При исследовании многолетних колебаний речного стока применяется теория случайных процессов. При этом процесс многолетних колебаний рассматриваемой характеристики речного стока описывается как непрерывный случайный процесс с дискретным временем, соответствующим номерам лет.
Изменение климатических условий и антропогенное влияние обуславливает нестационарность процесса многолетних колебаний речного стока, которая проявляется в уменьшении или увеличении его математического ожидания и дисперсии, коэффициентов корреляции между значениями стока различных, в том числе смежных лет (Христофоров, 1994).
Другой важной особенностью процесса многолетних колебаний речного стока, отличающей его от «белого шума», является цикличность, т.е. тенденция к группировке лет повышенной и пониженной водности. Причем, в наибольшей степени цикличность характерна для минимального стока. В гидрологических расчетах стохастические связи между стоком предшествующих и последующих лет описывают корреляционной функцией r(), главным образом рассматривается корреляция между стоком смежных лет r(1).
Как уже было отмечено в разделе 3.2, важной особенностью, характерной для процесса многолетних колебаний речного стока ряда рек Терского бассейна, отличающей его от «белого шума», является цикличность, т.е. тенденция к группировке лет повышенной и пониженной водности (Христофоров, 1994), являющаяся результатом регулирующей способности водосбора. Для большей части рек Терского бассейна коэффициент корреляции среднегодовых расходов смежных лет r(1) статистически достоверен и превышает 0. Для минимальных месячных расходов воды характерны еще более сильная внутрирядная связность. Для некоторых рек он составляет 0,7-0,8. Значения r(1) превышают 0,7 на 15% исследуемых рек. r(1) 0,5 на 30% рек, максимально составляя 0,92.
На реках предгорья, и поли-высотно-зональных реках (в равнинных и предгорных створах) (рис 3.2.2) внутрирядная связность рядов среднегодовых и минимальных месячных расходов воды прослеживается в течение 8 лет. Это прежде всего р. Нальчик – с. Белая речка, р. Сунжа – г. Грозный, р. Терек – с. Эльхотово, р. Терек – г. Моздок, р. Терек – с. Степное, р. Камбилеевка – с. Ольгинское, р. Малка – ст. Прохладная.
Автокорреляционные функции среднегодовых расходов воды у этих рек имеют хорошо выраженные максимумы при сдвиге на 1 год, 3 года, 7 лет, и минимумы на сдвиге в 2 года, и в 5-6 лет (рис. 3.2.1). Значения r(1) для данных рек изменяются от 0,2-0,3 до 0,7-0,8, значения r(3) - от 0,4 до 0,75, r(7) составляет 0,2-0,55.
Значения r(1) минимальных месячных расходов воды для предгорных водосборов и створов полизональных рек составляют от 0,4 до 0,9. Форма автокорреляционных функций (рис. 3.2.4) для рек со значительной внутрирядной связностью обычно монотонно убывающая. При достижении сдвига в 8 лет коэффициенты корреляции на таких реках снижаются до 0,2-0,77. После сдвига на 8 лет значения r() резко падают, становясь статистически недостоверными, как и в случае автокорреляционных функций рядов среднегодовых расходов воды.
Второй областью со значительной естественной многолетней зарегулированностью стока является высокогорная область междуречья р. Баксан и р. Фиагдон, а также часть горного массива, прилегающего в г. Казбеги (рис 3.2.2, 3.2.5). Очерченная территория совпадает с областью распространения доюрских складчато-глыбовых структур (подробнее – в разделе 3.2). При этом если значительная внутрирядная связность рядов среднегодовых расходов воды наблюдается в «ядре» данной области, для рядов минимальных месячных расходов воды высокие значения коэффициентов автокорреляции r() наблюдаются и на реках, расположенных по периферии области распространения доюрских складчато-глыбовых структур.
Максимумы и минимумы атокорреляционной функции среднегодовых расходов воды для этих рек могут наблюдаться при разном сдвиге, чаще всего не совпадая с максимумами и минимумами типичной для всего остального бассейна автокорреляционной функции, описанной выше (максимумы при сдвиге на 1, 3 и 7 лет). К примеру, для верховьев рек Чегем и Черек наибольшее значение коэффициента автокорреляции наблюдается при сдвиге на один год (r(1)=0,5-0,6), при дальнейшем сдвиге значение r монотонно убывает. Для р. Урух – с. Ханзидон характерны максимумы автокорреляционной функции при сдвиге в 2, 5 и 7 лет (r(2) = 0,71, r(5) = 0,58, r(7) = 0,56), а значение r(1) равно 0,26 и является статистически недостоверным. В среднем значение r(1) среднегодовых расходов воды для данных рек составляет 0,5-0,65.
Для минимальных месячных расходов воды рек данной области r(1) составляет от 0,4 – 0,75. Форма автокорреляционных функций (рис. 3.2.4) для данных рек со значительной внутрирядной связностью обычно монотонно убывающая, при этом для отдельных створов наблюдается чередование максимумов и минимумов функции при разном сдвиге. После сдвига на 8 лет значения r() на всех реках резко падают, становясь статистически недостоверными, как и в случае автокорреляционных функций рядов среднегодовых расходов воды.
Для остальных высокогорных и среднегорных рек бассейна Терека: верховья Терека, Аргуна, Фортанги, Ассы, Малки, - автокорреляционная функция выражена не четко, значения ординат функции невелики, часто они становятся статистически недостоверными уже на второй-третий год. Значения r(1) среднегодовых расходов воды для данных рек составляет от 0 до 0,4. Значения r(1) минимальных месячных расходов воды составляют не более 0,45 и также часто статистически недостоверны. Подробнее про многолетнюю естественную зарегулированность стока в бассейне р.Терек см в разделах 3.2 и 3.3.
Для характеристики процессов современного направленного изменения характеристик годового и минимального стока, был проведен анализ исследуемых рядов на однородность с использованием критериев Стьюдента и Фишера, построены разностно-интегральные кривых среднегодового и минимального месячного расхода воды в модульных коэффициентах, нормированных на Cv, за период 1945-1995 гг., когда в бассейне р. Терек работало наибольшее число гидрометрических постов.
В результате было выявлено три основных типа многолетних колебаний характеристик стока воды в бассейне Терека.
К первому типу (р. Терек - Владикавказ на рис. 4.3.1) относятся верховья большинства рек бассейна (Терек, Малка, крупные притоки Терека в верховьях, крупные притоки р. Сунжа) (1 на рис. 4.3.2). Для них характерны, прежде всего, частые чередования относительно маловодных и многоводных периодов, можно выделить до 3-х циклов водности за период с 1945-1995 гг. И в целом эти периоды не сильно выражены: на графике они трудно заметны на глаз (рис. 4.3.3, 4.3.4). Проверка рядов среднегодового и минимального стока данных рек рядов на однородность с помощью критериев Фишера и Стьюдента не выявляет никаких направленных изменений. Для таких рек не характерна значительная внутрирядная связность рядов минимальных месячных и среднегодовых расходов воды, и при этом многолетние колебания минимальных месячных и среднегодовых расходов воды происходят достаточно синхронно. Обычно отношение r(1) к r(qмин.мес,qср) составляет 0,2-0,6. Кроме того, разностно-интегральная кривая минимального стока имеет практически синхронный ход с разностно-интегральной кривой среднегодового расхода воды. Многолетние колебания минимального месячного и среднего годового стока данных рек в большей мере определяются колебаниями климатических величин, как показано в разделе 3.3, регулирующее воздействие геолого-геоморфологических особенностей водосборов оказывает малое влияние.
Расчет гидрологических характеристик годового, минимального и максимального стока рек Терского бассейна в условиях недостаточной гидрологической изученности
В области прогноза минимального стока рек наибольшее распространение получили методы прогноза, основанные на наличие инерции гидрологических явлений и возможности экстраполяции интегральных гидрологических характеристик (кривых спада, отображающих изменения суммарных запасов воды в речном бассейне или речной системе). При составлении прогнозов локального характера данный подход может быть реализован двумя способами:
А. Построением типовых кривых спада половодья, и нахождением параметров этой кривой.
Б. Для меженного периода, если ограничить заблаговременность прогноза одним месяцем, можно отказаться от вычисления кривой истощения запаса подземных вод в бассейне. В этом случае можно подобрать индекс, который бы приближенно характеризовал подземный сток к началу рассматриваемого месяца. Часто это средний расход воды за предыдущий месяц, или последнюю декаду предыдущего месяца.
В основном, исследования в области использования данного метода для прогноза минимального стока проводились для равнинных бассейнов. Кривые спада в этом случае характеризовали истощение запасов русловой сети или сезонных запасов грунтовых вод. В горных речных бассейнах мы сталкиваемся, во-первых, с очень малыми значениями времени руслового добегания (это могут быть первые стуки или даже часы (Христофоров и др., 2007), что исключает возможность долгосрочного прогноза по данным о запасе воды в речной сети. Во-вторых, вместо грунтового стока, характерного для равнинных рек, в горных бассейнах мы сталкиваемся с большой ролью подповерхностного стока, обусловленной наличием толщи рыхлых отложений залегающей на твердых коренных породах. Эта особенность горных бассейнов отмечалась разными исследователями (Аполлов и др., 1974 г., Важнов, 1966, Бефани, 1977). В отличие от подземных водоносных горизонтов и даже грунтовых вод на равнинных территориях, подповерхностный водоносный слой не является изолированным сверху, а наоборот активно взаимодействует с поверхностью водосбора так, что иногда невозможно провести четкую границу между подземным и поверхностным стоком (Важнов, 1966). В этом случае мы также имеем дело с гораздо большими значениями скорости разгрузки подповерхностного горизонта по сравнению с грунтовым (Бефани, 1977). Таким образом, возможность прогноза по кривым спада ограничена быстрым временем добегания как вод русловой сети, так и вод подповерхностного слоя. А кривая спада, проведенная по впадинам на гидрографе, не будет характеризовать истощение ранее сформировавшихся запасов воды. По сути, она будет являться продуктом случайного наложения отдельных паводков друг на друга (рис. 7.3.1).
Таким образом, использование метода кривой спада для прогноза водного стока рек горных территорий становится возможным только после прохождения многоводного периода, при переходе рек на подземное питание, т.е. в период устойчивой зимней межени.
В таком случае обычно переходят к шагу времени, равному одному месяцу и используют прием, описанный в (Руководство…Вып. 1, 1989). Ищется зависимость:
Qn+1=cQn+b; b=(1-c)q (7.3.1) где Qn+1 , Qn – средний расход воды n+1-ого и n-ого месяца соответственно, q-средний многолетний базисный сток.
Для большинства рек Терского бассейна характерна тесная зависимость между средними расходами воды смежных месяцев в меженный период. В частности, зависимости для расчета среднемесячных расходов воды по данным о расходах воды предыдущих месяцев были построены для р.Терек – пгт. Казбеги, р. Аргун – с. Дуба-Юрт, р. Баксан - с. Заюково.
Причем, для каждого n-ого месяца были построены зависимости вида (Христофоров, Кармолдаев, 1994):
Для каждой зависимости был определен коэффициент множественной корреляции r, и критерий эффективности прогноза
Анализируя полученные результаты можно отметить:
1. Линейная зависимость месячного расхода воды от стока в предыдущие месяцы наблюдается, начиная с ноября по наиболее вероятный лимитирующий месяц (для р. Терек – пгт. Казбеги и р. Баксан – с. Заюково -это март, для р. Аргун – с. Дуба-Юрт – февраль (см. раздел 4.2)).
2. С увеличением числа членов зависимости (добавлением расходов воды за n-2, n-3 месяц) коэффициент корреляции незначительно растет (на 0.01) и критерий S также чаще всего немного повышается (на 0,01 – 0,03), что связано с увеличением числа оцениваемых параметров. В отдельных случаях введение новых членов в зависимость немного уменьшает значение S , но в целом наиболее надежным можно считать уравнение зависимости вида (7.3.2) с двумя оцениваемыми параметрами.
3. Для некоторых рек (например, р. Белка – г. Гудермес) не прослеживается четкой зависимости месячных расходов воды от расходов предыдущих месяцев в меженный период. Это связано с паводочным режимом рек и отсутствием четко выраженной кривой спада в маловодный период. Заблаговременность описанных выше прогностических зависимостей равна одному месяцу. Можно увеличить заблаговременность прогноза, в этом случае надо искать зависимость вида: Qn=aQn - k+b, (7.3.5)
Где Qn, Qn - k – средний расход воды n-ого и (n – k)-ого месяца соответственно, k 1. Заблаговременность в таком случае будет равна k месяцев.
В условиях устойчивой зимней межени связь между среднемесячными расходами воды прослеживается довольно долго, до 5 месяцев. Но при увеличении заблаговременности прогноза, теряется его точность: уменьшается коэффициент корреляции и увеличивается показатель S , что можно видеть на примере прогностических зависимостей, построенных для
Прогноз стока рек Терского бассейна в многоводный период В области прогноза характеристик максимального стока рек горных территорий обычно выделяют следующие основные виды прогноза:
1. Краткосрочный прогноз расходов и уровней воды.
2. Долгосрочный прогноз объема половодья за вегетационный период.
Краткосрочный прогноз уровней и расходов воды обычно требуется в период прохождения половодья и паводков для оценки угрозы наводнения на том или ином участке реки. Обычно при разработке подобных прогнозов отказываются от рассмотрения процессов формирования стока на водосборе и ограничивают заблаговременность прогноза временем добегания по русловой сети. Это связано со сложностью моделирования процессов формирования стока на водосборе, особенно в условиях низкой степени гидрометеорологической изученности, а также с невозможностью на современном этапе развития метеорологических прогнозов получить количественный прогноз величины осадков.
Для краткосрочного прогноза уровней и расходов воды могут использоваться как простейшие методы, основанные на построении эмпирических зависимостей (метод соответственных уровней), так и гидродинамические модели разной сложности, с помощью которых возможно рассчитывать трансформацию паводочной волны посредством решения системы уравнений Сен-Венана, обычно, в упрощенном виде.
Прогнозы по соответственным уровням имеют большую историю. Систематически составлять их начали в 1851 г. во Франции для предупреждения населения Парижа о наводнениях, вызываемых дождевыми паводками р.Сены. Более чем вековой опыт показал, что во многих случаях они обладают высокой точностью (Аполлов и др., 1974).
Метод соответственных уровней является довольно упрощенным по своим возможностям типом гидрологического прогноза. Но, тем не менее, в условиях низкой гидрометеорологической изученности горных бассейнов, а также отсутствия сведений о морфометрии русел рек, разработанные на данный момент гораздо более развитые и точные способы краткосрочного прогнозирования речного стока, основанные на математическом моделировании, зачастую становятся неприменимыми. Поэтому, исходя из принципа соответствия метода прогноза объему и качеству исходных гидрометеорологических данных, для большого числа горных рек наиболее эффективным может оказаться краткосрочный прогноз уровней и расходов воды именно с помощью метода соответственных уровней.
Суть метода сводится к установлению эмпирических связей между соответственными уровнями (расходами) воды, наблюдавшимися в верхнем и нижнем створах. Заблаговременность прогноза равна разности сроков наступления таких уровней (расходов) в указанных створах. Соответственными называют расходы (уровни) воды в верхних и нижних створах, отвечающие одной и той же фазе водного режима (начало интенсивного подъема или спада, максимумы и минимумы, точки перегиба на гидрографах), а разность в сроках наступления соответственных расходов (уровней) называют временем их добегания (Руководство …. Вып.2, 1989).
Построение такого рода эмпирической зависимости для заданного участка реки представляет собой приближенное решение уравнений Сен-Венана при допущении малости их инерционных членов (Руководство … Вып.2, 1989).
