Содержание к диссертации
Введение
1. Природные факторы формирования стока и основные черты водного режима рек
1.1. Рельеф и геологическое строение 9
1.2. Климат 17
1.3. Почвы 21
1.4. Растительный покров 24
1.5. Гидрография
1.6. Основные черты водного режима рек
2. Основные направления хозяйственной деятельности на водосборе 35
2.1. Лесоэксплуатация 37
2.2. Регулирование стока 40
2.3. Промышленное и коммунальное водоснабжение 42
2.4. Орошение и осушение 46
2.5. Другие направления хозяйственной деятельности 47
3. Характеристика исходной информации и метода исследования 50
3.1. Существующие методы оценки антропогенных изменений речного стока
3.2. Характеристика исходной гидрологической информации 56
3.3. Характеристика исходной метеорологической информации 62
3.4. Обзор имеющейся информации о факторах хозяйственной деятельности, действующих на водосборе
4. Статистический анализ однородности рядов стока 69
4.1. Определение момента нарушения однородности рядов наблюдений
4.2. Проверка существенности нарушения однородности рядов наблюдений
4.3. Годовой сток 78
4.4. Максимальный весенний сток 79
4.5. Минимальный летний сток 87
4.6. Минимальный зимний сток 93
4.7. Коэффициент естественной зарегулированное стока ф 97
5. Корреляционный анализ связей стока и формирующих его факторов 103
5.1. Определение степени влияния отдельных предикторов на характеристики стока
5.2. Годовой сток
5.3. Максимальный весенний сток 113
5.4. Минимальный летний сток 122
5.5. Минимальный зимний сток 131
6. Оценка степени антропогенного изменения речного стока 141
6.1. Методика расчетов 141
6.2. Максимальный весенний сток 148
6.3. Минимальный летний сток 153
6.4. Минимальный зимний сток 158
Заключение 165
Литература 170
Приложения 180
- Растительный покров
- Промышленное и коммунальное водоснабжение
- Характеристика исходной гидрологической информации
- Проверка существенности нарушения однородности рядов наблюдений
Введение к работе
Вторая половина XX столетия ознаменовалась периодом интенсивного техногенеза, связанного с научно-технической революцией в промышленности и сельском хозяйстве. Одним из последствий этого процесса стало усиление антропогенного воздействия на природную среду. В современных условиях хозяйственная деятельность достигла таких масштабов, что стала оказывать влияние не только на качество природных вод, но также на их режим и на суммарные водные ресурсы больших речных бассейнов и регионов. Это вызвало необходимость оценки их изменения под влиянием деятельности человека.
Актуальность данной проблемы обусловлена прежде всего необходимостью эффективного использования и охраны водных ресурсов в современный период и в ближайшем будущем. Решение этого вопроса в значительной мере зависит от точности опенки происшедших.изменений в режиме рек в результате антропогенного воздействия и объективного представления о последствиях тех или иных хозяйственных мероприятий, способных изменить условия формирования и величину речного стока. Использование традиционных расчетных методов оценки числовых характеристик стока, основанных на предположении о его стационарности, может привести к существенным ошибкам при принятии решений.
К настоящему времени выполнено большое количество исследований, посвященных оценке влияния, как отдельных видов, так и всего комплекса факторов хозяйственной деятельности преимущественно на сток крупных рек в замыкающих створах (Водо-грецкий, 1979, 1990, Родионов 1-984, Лалыкин 1980, Шикломанов 1979, 1989). Применительно к малым и средним рекам таких исследований значительно меньше. Существую-
щие оценки влияния хозяйственной деятельности на сток малых и средних рек в отдельных районах страны имеют часто разноречивый характер и, как правило, охватывают только некоторые виды этой деятельности, характерные для отдельных бассейнов (сведение лесов, разработки полезных ископаемых, агротехнические мероприятия и др.).
Использование методов оценки антропогенного влияния на речной сток, применяемых для больших водосборов, не всегда возможно для малых и средних рек. Это связано, главным образом, так и с отсутствием достаточной исходной информации. Поэтому, в этих условиях требуются дополнительные исследования с целью усовершенствования существующих методов оценки влияния хозяйственной деятельности применительно к конкретным ее особенностям.
Речной сток изменяется во времени под влиянием целого комплекса природных факторов, ведущими из которых являются метеорологические. Поэтому установление характера природной зависимости стока от этих факторов является надежной основой для объективной оценки влияния хозяйственной деятельности на речной сток. Важным моментом в реализации данной задачи является отбор из множества метеорологических элементов и их сочетаний наиболее значимых, стокоформирующих.
Целью данной работы является оценка характера и степени изменения водного режима рек Пермской области под влиянием хозяйственной деятельности: За исключением реки Камы такая оценка до сих пор не производилась. Значительная часть территории области относится к наиболее развитым в промышленном отношении регионам страны, где влияние антропогенных факторов на сток становится уже заметным. Нарушенным является режим стока некоторых рек и в районах интенсивного развития сельского хозяйства.
Оценка влияния-антропогенных факторов на сток связана с большими трудностями, одна из которых - отсутствие достаточной и репрезентативной количественной информации о разных видах хозяйственной деятельности на водосборах рек. Вторая сложность заключается в том, что влияние антропогенных факторов приходится оценивать на фоне
естественных флуктуации речного стока и формирующих его факторов. Большие затруднения связаны и с тем, что число гидрологических и метеорологических пунктов наблюдении в области и продолжительность периода этих наблюдений для исследований не всегда достаточны.
В этих условиях для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие задами.
Анализ имеющейся режимной гидрометеорологической информации.
Выбор для исследования рек, в бассейнах которых в течении достаточно длительного периода ведутся гидрометрические и метеорологические наблюдения.
Выбор исследуемых параметров водного режима рек. В данном случае исследовалось влияние антропогенных факторов на годовой сток рек, максимальный сток весеннего половодья и минимальный сток летней и зимней межени, а также изменение внутри-годового перераспределения стока, оцениваемое коэффициентом внутригодовой зарегу-лпрованности стока.
Сбор по возможности полной информации о развитии различных видов хозяйственной деятельности, действующих на территории Пермской области.
Выбор и обоснование методики исследования.
Выполнение корреляционного анализа для количественной оценки влияния различных естественных факторов на речной сток и на этой основе восстановление нарушенных многолетних рядов этого стока.
Оценка характера и степени изменения естественного режима стока под влиянием хозяйственной деятельности:
Исходными материалами для исследований послужили материалы гидрометрических и метеорологических наблюдений Росгидромета за период с 1881 по 1997 годы по 40 гидрологическим и 28 метеорологическим станциям и постам. Кроме того использовались фондовые материалы Управления лесами Пермской области, Комитета по водно-
му хозяйству Пермской области и Управления водных ресурсов Коми-Пермяцкого автономного округа.
Решение поставленных задач производилось на основе методов географо-гидрологического анализа результатов расчета эмпирических связей стока и формирующих его факторов методами математической статистики (оценка статистической однородности рядов наблюдений, регрессионный анализ).
Научная новизна работы заключается в том, что в результате использования обил ирного объема гидрометеорологической информации, применения современных статистических методов и вычислительной техники достаточно подробно оценена роль различных факторов формирования годового стока, а также его экстремальных значений. На основе генетического анализа полученных результатов ряды гидрометрических наблюдений разделены на периоды с различным уровнем влияния на сток хозяйственной деятельности. Восстановлены естественные ряды гидрометрических наблюдений по рекам, для которых установлены их существенные антропогенные изменения. Оценены статистические параметры этих рядов, степень воздействия антропогенных факторов на экстремальные характеристики стока ряда рек Пермской области и характер его внутриго-дового распределения.
Практическая ценность работы заключается в том, что количественная оценка антропогенного изменения максимального и минимального стока ряда рек необходима при определении расчетных параметров этого стока для проектирования различных сооружений и объектов: Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых территориальных строительных норм. Восстановленные ряды стока могут использоваться как аналоги при дальнейших оценках влияния хозяйственной деятельности на речной сток. Выявленные связи стока с основными его природными факторами могут использоваться для уточнения методов долгосрочных гидрологических прогнозов.
Основные положения работы обсуждены на VI Межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и решения» (Пермь, 1998
: -7-
г.), научно-практической конференции «Гидрология Урала на рубеже веков» (Пермь, 1999 г.), на VII межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения» (Пермь, 2000 г.) и на научном семинаре кафедры гидрологии и охраны водных ресурсов ПТУ (Пермь, 2000 г.).
Основные результаты выполненных исследований опубликованы в 3 печатных работах.
Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 40 рисунков, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (112 наименований) и приложения.
Автор выражает большую благодарность за предоставление необходимой для исследований информации и методическую помощь при ее анализе следующим организациям:
Пермскому центру по гидрометеорологии и мониторингу окружающей природной среды;
Уральскому Управлению по гидрометеорологии и мониторингу окружающей природной среды;
Управлению лесами Пермской области;
Комитету по водному хозяйству Пермской области;
Управлению водных ресурсов Коми-Пермяцкого автономного округа;
Гидрологической станции г. Березники.
Растительный покров
Также как и в распределении почв, в распространении основных типов растительности наблюдается сочетание широтной зональности и высотной поясности. Рассматриваемая территория в пределах равнины в основном расположена в основном в лесной зоне. Лишь на юго-востоке располагается участок лесостепи (Кунгурская лесостепь). Возвышенности Урала покрыты горными лесами (Рис. 1.8.), в пределах наиболее значительных поднятий выше лесов распространена растительность подгольцового (субальпийского) и гольцового(альпийского) поясов.
На Северном Урале (бассейны Вишеры, Яйвы) наиболее характерна среднегорная моховая елово-пихтовая тайга. Нередки березняки, возникшие на месте рубок и пожаров. Лесистость достигает 90% и более. На высоте более 300 м к ели и пихте примешивается кедр. Верхняя граница леса проходит на высоте 600-700 м. Выше располагаются горные луга, заросли папоротников и кустарников. На отдельных вершинах подгольцовый пояс переходит в горную тундру, где среди скал и каменистых глыб к местам скопления мелкозема приурочена скудная растительность изо мхов и лишайников. Южнее, в бассейнах Косьвы и Чусовой два последних пояса выклиниваются, преобладают низкогорные южнотаежные и смешанные леса, местами встречаются березовые леса, производные от темнохвойной тайги (Горчаковский, 1968).
Северная часть равнинной территории представлена подзоной средней тайги, с преобладанием темнохвойных еловых лесов. Меньшую площадь занимают сосняки (междуречье Камы, Весляны, Лемана). Леса часто заболочены. Лесистость подзоны состав ляет 70-90%. Распаханные земли в северной части подзоны практически отсутствует, южнее (бассейны Иньвы, Кондаса) ее значения колеблются в пределах 3-22%. Подзона южной тайги охватывает бассейны Обвы, Очера, Сивы, а также территории, прилегающие к Камскому водохранилищу. Здесь также преобладают темнохвойные леса, но их состав более разнообразен (примесь липы, березы), много кустарников, развит травяной покров. Сосняки занимают небольшую площадь. Довольно велика роль производных от темнохвойной тайги березняков. Лесистость колеблется от 30 до 70% (Горчаковский, 1968, Гидрографические характеристики ..., 1971).
Самую южную часть равнинной территории (среднее течение Сылвы, бассейны Ирени, Тулвы, Сарса, Тюя, Быстрого Таныпа, Буя) занимают смешанные и широколиственные леса. В породном составе здесь представлены ель, пихта, липа, клен, ильм, иногда - дуб. На месте сведения хвойных лесов встречаются липняки. В целом, лесная растительность сильно пострадала от рубок; на месте смешанных широколиственно-хвойных лесов с относительно плодородными землями выросли пахотные угодья. Лесистость не превышает 30-50%.
Северная граница лесостепи на рассматриваемой территории проходит по 5737" северной широты. Лесостепь занимает большие пространства в бассейнах Сылвы и Ирени. Здесь, среди открытых, большей частью распаханных земель, встречаются острова дубово-липовых и березовых лесов. Лесистость составляет Л 5-25% (Горчаковский, 1968, Гидрографические характеристики ..., 1971).
Данные о лесистости и распаханности бассейнов исследуемых рек приведены в Приложении 1. Основной водной артерией Пермской области является р. Кама. Она берет начало на Верхне-Камской возвышенности и впадает в Камский залив Куйбышевского водохранилища. В замыкающем створе рассматриваемой территории (с. Поваренки) ее длина со -26 ставляет 1484 км, площадь водосбора 189000 км2. Крайний юг области занимают бассейны рек (Саре, Тюй, Быстрый Танып, Буй), впадающих в р. Каму или в ее приток р. Белую (Уфу) за пределами области.
Меридиональное простирание Уральских гор вносит существенные различия в рисунок и густоту речной сети, характер водного режима рек. Правыми притоками Камы (Коса, Уролка, Кондас, Иньва, Обва, Очер, Нытва), а также ее левыми притоками на севере (Весляна, Лупья, Леман, Южная Кельтма, Пильва) и юге области (Тулва) являются реки, берущие начало на возвышенностях Русской равнины и имеющие типичный облик равнинных рек (Рис. 1.1.). На участке между 58 и 60 30 северной широты Кама течет вдоль Уральских гор в меридиональном направлении. Здесь ее левые притоки, берущие начало в горах, наиболее многоводны.
Изменение густоты речной сети в целом отражает особенности условий увлажнения, а также водопроницаемости слагающих водосборы пород (Рис. 1.9.). С ростом суммы осадков наблюдается увеличение густоты речной сети. Максимальная густота речной сети характерна для наиболее увлажненных горных частей бассейнов Вишеры и Колвы. Здесь коэффициент густоты речной сети достигает 0,71-0,80 км/км2. В целом для гор и предгорий Урала значения коэффициента густоты речной сети составляют 0,51-0,60 км/км (Кеммерих, 1968, Ресурсы ..., 1973, Водные ресурсы ..., 1977).
В равнинной части территории зональное изменение густоты речной сети нарушается, в связи с более высоким увлажнением территории возвышенностей. На севере ко-эффициент густоты речной сети колеблется в пределах 0,41-0,60 км/км , на восточных склонах Верхне-Камской возвышенности его значения возрастают до 0,51-0,70 км/км2. Затем он понижается до 0,41-0,50 км/км2, вновь возрастая в пределах Тулвинской возвышенности до 0,51-0,60 км/км2. На крайнем юге области его значения вновь уменьшаются до 0,41-0,50, а на закарстованных участках водосбора Сарса - 0,21-0,30 км/км2 (Кеммерих, 1968, Ресурсы ..., 1973, Водные ресурсы ..., 1977).
Промышленное и коммунальное водоснабжение
Промышленное и коммунальное водоснабжение во второй половине XX века также претерпело значительные изменения. В связи с процессом интенсивного техногенеза изменялась структура водного хозяйства, увеличивалась сфера применения воды (тепло- и электроэнергетика, удаление золы и шлама, др. цели). Параллельно с ростом объемов во-допотребления росли и объемы сточных вод различного происхождения (промышленных, хозяйственно-бытовых, шахтных), отводимых в русла водотоков.
Данные о величине и структуре водопотребления и водоотведения в комитете по водному хозяйству Пермской области и Управлении водных ресурсов Коми-Пермяцкого автономного округа имеются, начиная с середины 70-х г.г. За предшествующий период сведения отсутствуют. Но по некоторым показателям последних двух десятилетий можно судить о динамике данного процесса.
Так, в 70-80-х г.г: существенно росли объемы удельного хозяйственно-питьевого водопотребления в пересчете на душу населения. По данным A.M. Черняева (1987), в Пермской области в 1975 году оно составило 140 л/сут 1чел., в 1980 - 155 л/сут чел., а в 1981 - уже 160 л/сут чел. Тенденция роста до 230-240 л/сут 1чел. была характерна для периода до начала 90-х г.г. В последующие годы (данные Пермкомвода) этот вид водопотребления начал снижаться и составил 220-230 л/сут 1чел. в 1994 году, 200-210 л/сут 1чел. в 1998 году.
Аналогичная тенденция прослеживается для промышленного водоснабжения, так же как для водопотребления по области в целом (Таблица 2.2.). До начала 90-х г.г. был характерен рост забора воды на хозяйственные нужды, в последующий период его объемы существенно снижались. Главной причиной таких изменений является экономическая ситуация в стране, а именно - спад промышленного и сельскохозяйственного производства. Применение водооохранных и водосберегающих технологий играет здесь значительно меньшую роль, так как большинство предприятий не в состоянии осуществлять их в условиях экономического спада.
Использование воды и отведение сточных вод, прежде всего, обусловливаются размещением промышленного производства и населения. Исходя из этого, территориальную структуру водопотребления можно сгруппировать следующим образом. К первой группе относятся 5 наиболее крупных городов и промышленных центров области (Пермь, Березники, Соликамск, Краснокамск, Чайковский) и Добрянский район (Пермская ГРЭС), расположенные по берегам р. Камы. Ко второй группе отнесены рассматриваемые по отдельности бассейны рек Яйвы, Косьвы и Чусовой, то есть горнопромышленная часть области. Отдельно рассматривается преимущественно сельскохозяйственный бассейн р. Сылва с г. Кунгур, а также . бассейны рек севера области. Оставшиеся неохваченными районы области (в основном сельскохозяйственные) отнесены к категории «прочие» (Таблица 2.4.). Как видно из этой таблицы, более 90% забираемой на хозяйственные нужды воды приходится на группу крупных городов и горнопромышленную зону области. Следовательно, наибольшие объемы забора воды на хозяйственные нужды, кроме р. Камы приходятся на бассейны рек Яйвы, Косьвы и.Чусовой. В других районах области воздействие этого фактора может быть весьма существенным лишь для малых водосборов.
Одной из особенностей водоотведения является наличие шахтного водоотлива в бассейнах Яйвы, Косьвы и Усьвы. В разные годы его величина в бассейнах Яйвы и Косьвы составляла 10-20% всего водопотребления, а для Усьвы - 80-90%. Однако, в сравнении с величиной годового стока большинства названных рек величина шахтного водоотлива незначительна.
Для водосборов рек сельскохозяйственных районов области (Иньва, Обва, Сылва и ее притоки, Тулва, Саре, Тюй, Быстрый Танып) характерно отведение сточных вод в выгреба, что может рассматриваться как фактор внутригодового перераспределения тока, а в некоторых случаях - как безвозвратное изъятие воды. В бассейнах ряда рек юга области (Ирень, Бабка, Тюй, Быстрый Танып) к категории безвозвратного водопотребления относится закачка воды в пласты для повышения их нефтеотдачи. Как правило, нефтедо бывающая промышленность является главным (или одним из главных) потребителей свежей воды в на водосборах указанных рек.
Традиционными районами развития сельского хозяйства Пермской области являются ее южные районы, а также бассейны рек Иньвы и Обвы. Регулярное орошение, особенно в южных районах области (бассейны рек Ирень, Тюй, Быстрый Танып) осуществляется с конца 60-х г.г. Для забора воды на нужды орошения в районах его развития сооружались пруды, а во многих случаях водоотбор для орошения осуществляется и из открытых водотоков. Динамику оросительных мелиорации в целом по области за различные годы можно проследить как по изменению орошаемых площадей, так и по изменению объемов забора воды на нужды орошения (Ладыгин и др., 1983; Черняев, 1987, Обобщенные данные по форме 2 ТП (Водхоз) ..., 1977-1998).
Из таблицы видно, что на протяжении двух десятилетий в области происходил рост как площади орошаемых земель, так и объемов забираемой на эти нужды воды. В 90-х гг., в связи с общим спадом производства, забор воды постепенно уменьшался, а в конце этого периода упал до уровня 70-х г.г. Таким образом, наибольшее воздействие оросительных мелиорации на сток рек могло проявиться в середине 80-х г.г. Однако, для большинства рек величина водоотбора даже в эти годы в сравнении величиной стока была незначительна (0,7-1,2% среднего многолетнего минимального зимнего и 0,4-1% ми нимального летнего стока). Наибольшие значения этих величин относятся к бассейнам Обвы (3,9 и 2,7% соответственно), Иньвы (3,4 и 3,4%) и Бабки (3,1 и 2,7%). Тенденция изменений объемов орошения для этих рек та же, что и для области в целом. Однако, даже эти объемы водоотбора находятся в пределах точности учета речного стока.
Характеристика исходной гидрологической информации
Сведения о характеристиках стока рек Пермской области имеются по 125 пунктам («Основные гидрологические характеристики», 1979, «Ресурсы поверхностных вод», 1973, Борисова, Комлев, 1980). Размещение постов по территории относительно равномерное. Вместе с тем имеются районы, плохо освещенные данными гидрологических наблюдений (левые притоки р. Камы на севере области, притоки Вишеры), на некоторых реках, берущих начало на территории области (Тюй) гидрологические наблюдения в ее пределах не ведутся. Особенностью некоторых постов являются короткие (10 и менее лет) ряды наблюдений на них (бассейны рек Койвы, Лемана, Сивы, Нытвы). Для многих рек (Вишера, Березовая, Язьва, Яйва, Обва, Косьва, Чусовая, Ирень, Бабка), наблюдения на которых велись в течение длительного периода, в рядах гидрологических характеристик имеются пропуски (по четыре и более лет). Все это несколько затрудняет выбор объектов для исследования указанной группой методов. Очень мало наблюдений по малым рекам.
Еще одной особенностью исследуемой территории, также влияющей на выбор объектов исследования, является то обстоятельство, что регулярные и методически правильные наблюдения за стоком здесь были организованы в конце 20-х, середине 30-х г.г. и охватили в основном крупные реки. В дореволюционный период работы по изучению речного стока и оценке на этой основе водных ресурсов рек практически не проводились (Борисова, Комлев, 1980). Более широкая сеть пунктов наблюдений была организована позже, в 40-60-е г.г., что для некоторых рек может совпадать с началом возрастания антропогенной нагрузки. Следует также отметить, что с середины 80-х г.г. сеть гидрологических станций и постов неуклонно сокращается.
Для рек, на которых наблюдения за уровнями воды велись со второй половины 19 века (реки Кама, Чусовая), величины стока восстановлены по связям с уровнями воды, построенным в 30-е г.г. Однако, надежность этих данных может быть недостаточно высокой в связи с распространением этих связей на длительный ряд предшествующих лет (Д.Л. Соколовский, 1943), недоучетом стока на пойме и др. Наибольшие ошибки при этом характерны для минимальных меженных (особенно минимального зимнего) расходов воды. Все же полностью отбросить указанную информацию представляется нецелесообразным по причине утраты в этом случае большого объема данных за период с малой антропогенной нагрузкой. Выбор рек для целей настоящего исследования производился по следующим критериям: наличие длительного периода наблюдений за стоком (не менее 20 лет); относительное равномерное распределение речных бассейнов по территории; максимальные размеры водосборных бассейнов не более 50 тыс. км . Для анализа на некоторых реках принималось по два пункта наблюдений по следующим причинам: различное развитие факторов хозяйственной деятельности на разных участках водосборной площади; исследование изменений стока за разные периоды наблюдений, при невозможности приведения данных к одному ряду для последующего анализа выбранной группой методов; перенос наблюдений из одного пункта в другой. В частности, в связи с этим данные по пунктам р. Весляна - д. Оныл и р. Яйва - д. Лубнище пересчитаны соответственно для пунктов р. Весляна - д. Зюлева и р. Яйва - с. Усть-Игум; для уточнения причин изменения стока в другом пункте.
Наименьший размер площади водосбора при выборе пунктов не устанавливался, так как одной из задач работы является исследование влияния факторов хозяйственной деятельности на формирование стока с малых водосборов. Для оценки общего изменения условий увлажнения исследуемой территории к анализу привлекались данные двух длинно-рядных пунктов (р: Кама - КамГЭС и р. Кама - г. Сарапул), с площадью водосбора в несколько раз превышающей указанную выше. Восстановление по данным пунктам не производилось, анализировалось только изменение стока с помощью суммарных кривых и хронологических графиков. Таким образом, в работе в основном использованы данные по стоку преимущественно малых и средних рек по классификации Г.В. Бачурина (1963). В таблице 3.1. приведены сведения о количестве пунктов наблюдений, используемых в работе с разбивкой их на градации по площадям водосбора и продолжительности наблюдений. Их детальная характеристика содержится в Приложении 1.
В качестве исследуемых характеристик стока приняты средний годовой сток, максимальный сток весеннего половодья (срочный) и минимальный сток зимней и летне-осенней межени (суточный). В качестве величины, характеризующей внутригодовое распределение стока, использовался коэффициент естественной зарегулированное стока ф. Годовой сток является интегральной характеристикой, позволяющей судить о водных ресурсах бассейна, степени увлажненности, водном балансе территории. Его величина и многолетние колебания определяют возможность и целесообразность использования вод для конкретных нужд народного хозяйства. Это базовая характеристика для всех гидрологических, водохозяйственных и воднобалансовых расчетов для строительства, водоснабжения, установления нормативов антропогенной нагрузки на водные объекты и т.д. В основе подавляющего большинства исследований связи речного стока с метеорологическими факторами лежат данные о годовом стоке, что обусловлено устойчивостью этих связей во времени.
Максимальный весенний сток обусловливающий наивысшие подъемы уровня воды, которые нередко приводят к катастрофическим последствиям, имеет большое значение при размещении населенных пунктов и различных объектов на берегах рек. Величина максимальных расходов весеннего половодья регламентирует наличие и размеры различных инженерных сооружений (дамбы, водосбросы), а также объектов транспортной и иной инфраструктуры территории (мосты, переходы). Немаловажно значение максимального весеннего стока для рыбного хозяйства, как определяющего условия прохождения нереста для ценных промысловых рыб, а также для сельского хозяйства - как фактора затопления сельхозугодий.
Минимальный сток имеет определяющее значение при разработке мероприятий по упорядочению использования и охраны водных ресурсов. Его характеристики лимитируют режим водопользования, объемы водопотребления и водоотведения (разбавления сточных вод), влияют на существование биоценозов экосистемы, т.е. в целом ограничивают ведение хозяйства. Существуют отрасли хозяйства, не допускающие даже кратковременных перебоев в подаче воды. Поскольку величины минимального стока во многих случаях соизмеримы с объемами задействованной на производстве воды, они являются наиболее чувствительными к влиянию факторов хозяйственной деятельности.
Проверка существенности нарушения однородности рядов наблюдений
В случае установления нарушения однородности ряда стока (кроме случая изменения метеорологических условий его формирования) осуществляется проверка существенности данного нарушения с помощью статистического и генетического анализа.
Первый предусматривает проверку однородности ряда с помощью статистических критериев, среди которых выделяются параметрические и непараметрические. Первые в основном, разработаны для условий отсутствия внутрирядной связанности и предполагают симметричное нормальное распределение элементов выборки. К гидрологическим характеристикам, имеющим асимметричное распределение, эффективно применение непараметрических критериев (Анализ ..., 1985). В данной работе использовались непараметрические критерии Вилкоксона и Колмогорова-Смирнова.
Уровень значимости при статистической проверке однородности рядов стока при помощи критериев Вилкоксона и Колмогорова-Смирнова принимался согласно рекомендациям, изложенным в (Анализ ..., 1985) в зависимости от тенденции изменения стока и водности периодов до и после нарушения однородности ряда стока, а именно: при однозначном изменении тенденции величин стока и водности принимался уро вень значимости 0,01 при различной направленности этих изменений - 0,10. Коэффициент водности рассчитывался согласно формуле 4.4. Проверка существенности нарушения однородности гидрологических рядов производилась на ПЭВМ с помощью современных автоматизированных методов. При выборках ограниченного объема и различий периодов по водности статистический анализ нарушения однородности может не дать объективных результатов. В случаях, когда при графическом анализе было установлено нарушение однородности ряда, но статистически нулевая гипотеза не могла быть отвергнута при соответствующих уровнях значимости, к оценке привлекался генетический анализ.
Его сущность заключается, в сопоставлении погрешности выборки, относящейся к естественному режиму рассматриваемого ряда и относительной величины изменения значений стока при нарушении их однородности (Анализ ..., 1985). Средняя квадратиче-ская погрешность среднего значения ненарушенной выборки временного ряда стока определяется по формуле: aQ = (Cv/Vn)100% (4.12) где CN - коэффициент вариации, п - число членов выборки. Относительное изменение стока рассчитывается по формуле: eQ = ((AQ / (QiKB)) 100% (4.13) Изменение стока AQ определяется по формуле: -77 AQ = Q2-QiKu (4.14) где Ch и Qi - сток расчетного водосбора после и до изменения; К„ - коэффициент водности, рассчитываемый по формуле 4.4. Если 7Q SQ нарушение однородности не доказывается и наоборот, при (JQ SQ ряд признается неоднородным и рассматриваются две выборки. При несущественном нарушении стока оценивалась тенденция изменений путем расчета уравнения линейного тренда. Параметры уравнения определялись по методу наименьших квадратов по формулам 4.2 и 4.3.
Графический анализ рядов среднего годового стока показал изменение угла наклона по 9 пунктам из 35 в конце 70-х, начале 80-х г.г. Перечень пунктов и момент изменения приведены в Приложении 6.
Антропогенные факторы, способные увеличить годовой сток в бассейнах этих рек отсутствуют. На водосборах таких рек, как Лолог, Коса, Пильва, Уролка, Кува основным видом хозяйственной деятельности являются лесоразработки, реки использовались для лесосплава. Кроме того, в бассейне Косы и Кувы развито регулирование стока прудами. Для сельского водоснабжения на водосборе Косы используются преимущественно подземные источники, однако суммарный водозабор невелик и не превышает 0,2% от среднего многолетнего годового стока. На водосборах Обвы и Иньвы развиты как уже указанные направления хозяйственной деятельности, так и промышленное и коммунальное водоснабжение. Однако, суммарный водозабор не превышает 1% от среднего многолетнего годового стока. Перечисленные факторы не способны увеличить величину среднего годового стока. То же можно сказать и о водосборе р. Чусовая - пгт Кын.
Таким образом, причиной изменения стока на этих реках, скорее всего, стало изменение метеорологических факторов его формирования. Забегая вперед, необходимо отметить, что для неосвоенных в хозяйственном отношении рек этой группы характерно увеличение и характерных расходов, причем одновременно с увеличением средних годовых расходов.
Здесь надо заметить, что наблюдения почти на всех этих пунктах (за исключением р. Иньва - г. Кудымкар) начаты в 50-60-х г.г. На хронологических графиках и разностных интегральных кривых двух длиннорядных постов (р. Кама - КамГЭС и р. Чусовая -пгт Лямино, см. рис. 4.2.) видно, что водность периода 1951-1977 года значительно ниже, чем последующего. При этом, тренд за более чем 100-летний промежуток времени на этих пунктах очень незначителен. К аналогичному выводу приводит и анализ хронологических графиков годовой суммы осадков по нескольким длиннорядным метеостанциям (рис. 4.3.). Построение интегральных зависимостей годовой суммы осадков от времени для большинства принятых метеостанций за период 1951-1997 г.г. обнаруживает изменение угла наклона графика в конце 70-х, начале 80-х г.г. (рис. 4.4.). В Приложении 6 приведены результаты расчета коэффициента водности К„ по формуле 4.4. из них видно, что количественное изменение годовой суммы осадков во втором периоде (после изменения угла наклона интегральной кривой) практически равно изменению годового стока.
Таким образом, причиной роста величины среднегодового стока исследуемых рек стало увеличение увлажнения территории их водосборов. Далее излагается характер изменения экстремальных характеристик стока, количественная оценка которого дается в заключительной главе.
