Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Условия формирования стока в бассейне дона 12
1.1 Физико-географические факторы формирования стока и водного режима в бассейне дона 12
1.2 Гидрогеология исследуемого района 18
1.3 Динамика климатических характеристик и ее влияние на условия формирования стока рек бассейна дона на современном этапе
1.3.1. Количество атмосферных осадков за холодный и теплый период года 26
1.3.2. Запас воды в снежном покрове 28
1.3.4 Дата начала устойчивого перехода через ноль градусов осенью и весной 32
1.4 Хозяйственная деятельность в бассейне дона 34
1.4.1 Использование воды различными водопользователями 37
1.4.2. Забор воды на коммунально-бытовые нужды 43
1.4.3. Забор воды на промышленные нужды 48
1.4.4. Забор воды на сельскохозяйственное водоснабжение и орошение 50
1.4.5. Антропогенное регулирование стока 52
Глава 2 Общая характеристика водных ресурсов донского бассейна 63
2.1. Гидрологическая изученность бассейна р. Дон 63
2.2. Пространственное распределение водных ресурсов в бассейне дона 68
ГЛАВА 3 Минимальный сток рек бассейна дона 84
3.2 Факторы формирования минимального стока 91
3.3. Пространственно-временная изменчивость среднего меженного стока в бассейне дона 94
3.4. Минимальные месячные модули стока за зимнюю и летне-осеннюю Межень: пространственное распределение и многолетняя динамика 108
3.6. Анализ условий водопользования и эффективности средств инженерной защиты в период маловодья 2010 г. В бассейне дона 141
Глава 4 Половодье рек донского бассейна в условиях современных климатических изменений 148
4.1. Особенности формирования половодья в донском бассейне 148
4.2. Пространственно-временные изменения характеристик весеннего половодья 156
4.2.1.Слой стока за половодье и его изменения 160
4.2.2. Форма волны половодья. Максимальные модули стока за половодье . J66
4.2.3. Доля стока за половодье. Коэффициент дружности. 772
4.2.4. Временные характеристики половодья 174
Глава 5 Внутригодовое распределение стока рек бассейна дона и его трансформация в конце xx - начале XXI века 178
Глава 6 Нагрузка на водные ресурсы в бассейне дона 188
Заключение 195
Список литературы 201
- Динамика климатических характеристик и ее влияние на условия формирования стока рек бассейна дона на современном этапе
- Пространственное распределение водных ресурсов в бассейне дона
- Минимальные месячные модули стока за зимнюю и летне-осеннюю Межень: пространственное распределение и многолетняя динамика
- Форма волны половодья. Максимальные модули стока за половодье
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена большой водохозяйственной значимостью Донского бассейна как источника водных ресурсов в масштабе страны. Географическое положение бассейна и благоприятные природные условия привели к бурному развитию различных отраслей хозяйства, большинство из которых испытывало большие потребности в водных ресурсах. Современный водохозяйственный комплекс в бассейне Дона начал складываться с 50-х годов прошлого столетия. Основной задачей было обеспечение питьевого, промышленного, сельскохозяйственного водоснабжения, бесперебойной подачи воды на нужды орошения и водного транспорта во всех частях водосбора. Большое количество водопотребителей с различными, порой противоречивыми требованиями к подаче воды в различные сезоны года определяет зависимость функционирования всего водохозяйственного комплекса не только от величины общих водных ресурсов бассейна, их распределения по территории, но и характеристик водного режима рек бассейна Дона в его различные фазы. Изучение и обобщение данных о водном режиме рек Донского бассейна проводилось в работах М.В. Болгова (Болгов и др., 2005), В.М. Мишона (Мишон, 2000), П.М. Лурье (Лурье, 1999). В работах В.Г. Дубининой, А.Е. Косолапова (Дубинина и др., 2010) рассматриваются различные аспекты водопользования в бассейне, нагрузки на водные ресурсы и ее нормирования. Однако данные наблюдений за последние свидетельствуют о том, что отмечаемые за последние десятилетия климатические изменения существенно меняют картину пространственно- временной изменчивости характеристик стока.
Все это оправдывает интерес к изучению современных изменений водного режима рек Донского бассейна как в связи с его хозяйственным значением, так и со стороны влияния меняющегося климата на характеристики речного стока.
Целью данной работы является изучение современных особенностей пространственно-временной изменчивости характеристик водного режима рек бассейна Дона в условиях меняющегося климата и антропогенного воздействия.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Сформировать базу гидрометеорологических данных, включающую в себя различные метеорологические показатели, характеристики стока рек за различные фазы водного режима, данные по использованию водных ресурсов.
-
Провести статистическую обработку гидрометеорологических данных и выявить достоверные изменения водного режима в современных климатических условиях, оценить их возможные последствия для водохозяйственного комплекса.
-
Построить комплекс карт характеристик стока и их изменений на основе данных статистического анализа за три периода 1936-2008, 1936-1969, 19702008 гг., выявить пространственно-временные закономерности распределения этих характеристик.
-
Выделить однородные районы по условиям формирования и изменения водного режима на современном этапе.
-
Изучить экстремальные проявления малой водности рек, в том числе явления отсутствия стока, характеристики бессточных периодов.
-
Оценить возможности прогноза и расчета характеристик водного режима в его различные фазы, в том числе для неизученных рек.
Основные защищаемые положения:
-
-
Комплекс карт расчетных характеристик водного режима рек Донского бассейна, учитывающих современные изменения стока.
-
Методики расчета и прогноза характеристик водного режима, в том числе: среднего годового, среднего меженного, минимального месячного стока, максимальных расходов, слоя стока половодья, дат его начала и окончания, продолжительности половодья, характеристики бессточных периодов.
-
Результаты анализа многолетних колебаний стока за различные фазы водного режима рек Донского бассейна в контексте меняющегося климата и антропогенного воздействия, необходимые для разработки стратегии развития водохозяйственного комплекса.
Объекты, состав и методика исследований. Объектом изучения являются реки бассейна Дона с различными площадями водосбора. Основное внимание в работе уделено средним рекам с площадями водосбора от 2000 до
20 000 км , отражающим зональные условия формирования стока.
Исследование водного режима проводилось на основе данных наблюдений на 55 гидрологических постах и 56 метеостанциях. Данные о стоке за период 1988-2008 гг. были любезно предоставлены ФГБУ «Северо-Кавказское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды». Метеорологическая информация за весь период наблюдений была предоставлена ФГБУ «ВНИИГМИ - МЦД». Данные о хозяйственной деятельности в бассейне, в том числе Схема комплексного использования и охраны водных объектов бассейна Дона взяты из открытых источников сайта Донского БВУ ().
В состав работы входил сбор и анализ материалов, статистическая обработка рядов наблюдений за различными характеристиками стока, пространственно-временной анализ, в основе которого лежало разделение рядов на два периода - современный (1970-2008 гг.) и ранний (19361969 гг.). Полученные данные позволили построить целый ряд карт расчетных характеристик стока, всесторонне проанализировать изменения стока воды в разные фазы водного режима. Представленные в работе карты построены с помощью пакета ArcView. Статистическая обработка данных проводилась с помощью пакетов Statistica и Excel.
Научная новизна работы заключается в комплексном региональном пространственно-временном обобщении характеристик водного режима рек Донского бассейна с учетом современной гидрометеорологической информации, оценке влияния происходящих и ожидаемых изменений климата на водный режим рек и водохозяйственный комплекс территории, наборе методических приемов, позволяющих определять характеристики водного режима в условиях отсутствия или недостатка данных наблюдений, обновлении методик прогнозирования характеристик стока в условиях меняющегося климата.
Практическая значимость работы заключается в региональном анализе современной гидрометеорологической обстановки в Донском бассейне, разработке практически реализуемых подходов к прогнозированию и расчетам характеристик стока за различные фазы водного режима, оценке масштабов современных климатических изменений и их влияния на водный режим рек территории. Полученные зависимости и комплекс карт могут быть использованы для характеристики водного режима и оценки его возможного изменения на неизученных реках. Практическую ценность имеет разработка методических средств для прогнозирования характеристик стока в условиях напряженной водохозяйственной обстановки в Донском бассейне. Практическое значение имеют результаты анализа явления отсутствия стока и других проявлений экстремальных гидрологических условий (маловодий), в том числе в 2010 г.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на международных конференциях студентов и аспирантов «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007, 2008, 2009); международной научной конференции UNESCO «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (Москва, 2008, 2009, 2010, 2011), конференции молодых специалистов в ПНИИИСе (2007, 2008); международной конференции «Global Change: Facing Risks and Threats to Water Resources» Sixth World FRIEND Conference (Fez, Morocco, 2010); международной научно-практической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы сельского и водного хозяйства» (Москва, 2010); международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Б.И. Куделина «Ресурсы подземных вод: Современные проблемы изучения и использования» (Москва, 2010); XXXII международном географическом конгрессе (Германия, Кельн); научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (2012), заседании гидрологической комиссии Московского отделения Русского географического общества (2012), итоговой конференции Научного Образовательного Центра ИВП РАН-МГУ (2011, 2012).
Результаты регионального анализа характеристик водного режима рек бассейна Дона вошли в отчет по Государственному контракту № 02.740.11.0336 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2011). Методические средства для прогнозирования стока рек Донского бассейна разработаны в рамках той же ФЦП при выполнении госконтракта П164 «Совершенствование системы мониторинга гидрологических процессов для повышения эффективности и безопасности водопользования»). Оценки экстремальных событий, связанных с недостатком водных ресурсов получены при выполнении Государственного контракта с Московско-Окским бассейновым водным управлением (2010-2012). Ряд важных практических результатов получен при выполнении проектов РФФИ: № 10-05-00252 «Влияние изменений климата на формирование речного стока и опасных гидрологических явлений на юге Европейской территории России», № 11-0500467 "Изменения поверхностного и подземного стока рек России и их режимов в условиях нестационарного климата", № 09-05-92001-ННС «Исследование влияния изменений климата на ресурсы поверхностных и подземных вод: анализ, оценка и прогноз». Исследование водного режима рек Донского бассейна проведено в рамках гранта Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований №11.G34.31.0007 «Оценка природных рисков в береговой зоне» (2011).
Публикации. Всего автором опубликовано 27 работ, из них 13 по теме диссертации, в том числе 5 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 211 страниц, включая 121 рисунок и 27 таблиц. Список литературы содержит 113 наименований, в том числе 5 - на иностранном языке.
Автор выражает благодарность научному руководителю Н.Л. Фроловой за всеобъемлющую помощь и содействие, докторам географических наук профессорам кафедры гидрологии суши МГУ Н.И. Алексеевскому и В.М. Евстигнееву, сотрудникам кафедры гидрологии суши, кандидатам географических наук доценту В.А. Жуку, старшему преподавателю А.Г. Косицкому за консультации, сотрудникам ФГБУ «Северо-Кавказское управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» за предоставленную информацию и доброе отношение.
Динамика климатических характеристик и ее влияние на условия формирования стока рек бассейна дона на современном этапе
Донской бассейн имеет довольно развитую речную сеть: густота речной сети меняется от 0,11 до 0,31 км/км2, большое влияние на расчлененность территории оказывают рыхлые породы, слагающие поверхность бассейна. В Дон впадает 84 притока, причем бассейн обладает сильной асимметрией: площади водосборов правобережных и левобережных притоков соотносятся как 1/5. Основные правобережные притоки Дона - Красивая Меча (6000 км2), Сосна (17400 км2), Тихая Сосна (4350 км2), Чир (9580 км2), Северский Донец (98900 км2), основные левобережные притоки - Воронеж (21600 км ), Битюг (8840 км2), Хопер (61100 км2), Медведица (34700км2), Иловля (9250 км2), Сал (21300км2). В верховьях Дона и в среднем его течении правые притоки отличаются небольшой длиной и меньшими размерами бассейнов, чем левые.
В целом, расчлененность территории достаточно велика. Интенсивному росту оврагов и балок способствовали многие факторы: легко размываемые осадочные породы, слагающие поверхность водосбора, значительная крутизна склонов по территории возвышенностей, а также усиленная вырубка лесов и распашка степей в пределах водосбора, приводящие к слабой закрепленности легкоразмываемых почв растительностью. В развитии гидрографической сети бассейна и по сей день, значительную роль играют современные эрозионные процессы.
По характеру водного режима р. Дон и его притоки относятся к рекам равнинного типа с резко выраженным весенним половодьем и низким меженным стоком. Величина весеннего стока для всего бассейна (до ст. Раздорской) составляет 79%, для верховьев (г. Задонск) - 68% (Лурье, Панов, 1999). Весеннее половодье проходит на реках неодинаково. Подъем уровней и продолжительность половодья зависит от множества причин. В верховьях Дона, в особенности на территории Среднерусской возвышенности, весеннее половодье характеризуется высоким и резким подъемом уровней и небольшой продолжительностью. Быстрый сброс талой воды в реки и быстрый подъем уровней объясняются здесь компактностью водосборов, сильно развитой овражно-балочной сетью, значительными уклонами водотоков и склонов, и также небольшими размерами пойм. В нижнем течении вследствие плоского рельефа, меньшей расчлененностью территории, вытянутости водосборов и наличия широких заболоченных пойм подъем уровня весной отличается небольшой интенсивностью. Продолжительность половодья на крупных притоках Дона в среднем составляет 1-2 месяца. Интенсивность спада значительно меньше интенсивности подъема (до 6 м/сут), и составляет 0,05-0,1 м/сут (Болгов и др., 2005).
Характерной особенностью водного режима всех рек лесостепной зоны ЕТР, в том числе и Дона, является наличие длительной летней межени, часто переходящей в зимнюю. Летняя межень наблюдается в среднем 4-5 месяцев (Норватов,1958), в течение которых изредка наблюдаются дождевые паводки. Паводки обычно проходят в июне - июле и обычно характеризуются незначительным и кратковременным подъемом уровней. В годы с интенсивными ливнями в верховьях бассейна подъем уровня во время паводков может достигать 1-2 м над меженным (Болгов и др., 2005). Наиболее низкие уровни воды наблюдаются на большинстве рек во второй половине лета, августе, сентябре. Осенью на притоках Верхнего Дона отмечается незначительный, плавный и медленный подъем уровня воды (до 0,3-0,5 м над меженным) (Болгов и др., 2005).
Замерзание обычно происходит очень медленно и часто прерывается. От момента появления первого плавучего льда до ледостава часто проходит 20-30 дней. Неустойчивость ледяного покрова, временные вскрытия и последующие замерзания являются характерной особенностью бассейна Дона. В начале зимы, при установлении ледостава уровни воды начинают падать и в конце декабря -январе достигают наинизших за зиму значений. Зимние меженные уровни, как правило, выше летних. Для бассейна Дона характерны часто повторяющиеся оттепели, приводящие к зимним паводкам. На малых реках такие паводки могут превышать по объему половодье, во время их прохождения вода иногда течет поверх льда.
В конце февраля - начале марта, с наступлением положительных температур на реках начинается таяние и разрушение льда (Болгов и др., 2005). На ряде средних и малых рек лед иногда успевает полностью стаять на месте и весеннее половодье не сопровождается ледоходом. Массовое вскрытие рек обычно происходит в марте. Основным источником питания являются талые воды и это несмотря на то, что наибольшее количество осадков выпадает летом. Значительная часть летних осадков теряется на испарение и инфильтрацию. Бассейн Дона имеет пониженное питание по сравнению с Днепром и Волгой (Болгов и др., 2005). Гидрологический режим характеризуется маловодьями и значительно большей изменчивостью стока. В летний период реки переходят полностью на подземное питание, изредка дополняемое выпадением дождей. Для зимнего сезона также характерно грунтовое питание, изредка наблюдается дополнительное питание за счет талых вод во время оттепелей.
В пределах лесостепной и степной зоны ЕТР глубокое грунтовое питание в бассейне Дона составляет 33% от суммарного годового стока. По примерным подсчетам доля подземного питания в общем объеме летнего стока составляет более 50%, а иногда достигает 70-90% (Норватов, 1958). Так, например, для Хопра эта величина составляет 70%, для Медведицы - 80% (Норватов, 1958). Таким образом, в условиях лесостепной и степной зоны грунтовое питание рек имеет большое значение, особенно в летний сезон.
Гидрогеологическое строение территории Донского бассейна имеет ряд особенностей, оказывающих значительное влияние на сток рек в различные фазы водного режима путем его регулирования. Основной особенностью подземного питания рек по сравнению с поверхностным является его инерционность. Подземное питание обеспечивает так называемый базисный сток, для которого характерны устойчивые, плавные изменения водности, наблюдаемые в межень. Сработка запасов подземных вод представляет собой очень длительный процесс, продолжительность которого зависит от своеобразной «емкости» водосбора, под которой понимается его способность аккумулировать воду в периоды повышенной водности. Эта способность зависит от типа водовмещающих пород, емкостных свойств грунта и почвы, а также от условий пополнения этих запасов, т.е. от условий общей увлажненности территории. Из-за отсутствия гидрогеологических данных в
Пространственное распределение водных ресурсов в бассейне дона
Для выявления роли каждого субъекта в бассейне в заборе воды на коммунально-бытовые нужды была проведена оценка соотношения населения частей субъектов относящихся и не относящихся к бассейну Дона. Для этого все города в субъекте делились на две группы - относящихся и не относящихся к бассейну (табл. 1.4.2).
Согласно СНиПу 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения» от 2003 года, удельное среднесуточное водопотребление на одного городского жителя составляет около 600 л/сутки, на сельского - 150 л/сутки. Эти цифры сильно завышены по сравнению с реальными значениями, поскольку удельное среднесуточное водопотребление сильно различается в зависимости от степени благоустройства районов жилой застройки (наличием или отсутствием внутреннего водопровода и канализации, ванн, местных водонагревателей и проч.).
Согласно данному документу удельное хозяйственно-питьевое водопотребление в случае застройки зданиями, оборудованными внутренним водопроводом и канализацией, но не имеющими ванн, составляет 125-160 л/сутки на человека, в случае наличия ванн и местных водонагревателей - 160— 230 л/сутки на человека, а в случае наличия централизованного горячего водоснабжения - 230-350 л/сутки на человека. Для районов застройки зданиями с водопользованием из водозаборных колонок удельное среднесуточное водопотребление следует принимать 30-50 л/сутки.
Согласно полученным цифрам (табл. 1.4.2), на 1.01.2012 года в бассейне Дона суммарно проживает 11,8 млн. человек, из которых 7,4 млн. (63%) являются городскими жителями, а 4,4 млн. (27%) - сельскими. Средняя плотность населения - 28 человек/км2. В бассейне Дона находятся около 100 городов и 160 поселков городского типа. Самыми крупными промышленными центрами являются: Ростов-на-Дону (1048 тыс—жителей), Воронеж (848 тыс. жителей), Краснодар (713 тыс. жителей), Липецк (502 тыс. жителей), Ставрополь (368 тыс. жителей) и Белгород (363 тыс. жителей).
Если принять ориентировочно, что удельное водопотребление на одного городского жителя составляет 350 л/сут, а на одного сельского - 150 л/сут, то примерно потребление воды на коммунально-бытовые нужды составит около 0,94 км3/год.
Если говорить о динамике численности населения во времени, то все субъекты Российской Федерации, в той или иной мере относящиеся к бассейну Дона, можно разделить на несколько групп.
К первой группе относятся субъекты с условно постоянным положительным приростом численности населения. Сюда можно отнести Краснодарский и Ставропольский край, а также Белгородскую область. С 1990 по 1995 гг. в этих субъектах наблюдалось относительно существенное увеличение числа жителей, затем был период относительно постоянной или слабо отрицательной тенденции, и к концу 2000-х годов численность населения зафиксировалась на постоянном уровне. Табл. 1.4.2. Соотношение численности населения субъектов и их частей, относящихся к бассейну Дона (Регионы России, 2010)
Субъект « я я L чЯ ое о ,_;В о я1) --іЧ сеa sН о О н и Я Я D О О евюя я яО, Он я а8 охчГ я я о чосеяо к очоо се Ячи3"оЯ нto ЯЯCJчиосоЯио ок —5 (N о _ о. — о Ри евЯч и В"СІяни"я яич и о сеяО —і О нк оО (NЧ ни о и Я Иао чо о, о иXЯяя . сеС яW Ои 1=15 ия ва «о ч «сео ч о о, о иXЯ я я -. СЄа яX оі яЯ ю Население малых городов и городских поселений в бассейне Дона оя яо оосе ЮmCJя Я щ ч и о сеяо И t,ч S о ои п X ОщX кИо и иCQ и я я и чCJоСЄж - по географическому расположению городов, определялась их принадлежность к бассейну Дона; - определялось как разница между городским населением в субъекте и населением крупных городов в субъекте, а затем бралась доля, соответствующая площади субъекта в пределах бассейна; - определялось как доля от всего сельского населения субъекта, соответствующая доле площади субъекта в пределах бассейна
Далее идет группа субъектов, в которых наблюдалось увеличение численности населения между 1990 и 1995 гг., а затем последовал период планомерного сокращения числа жителей (Ростовская, Саратовская и Волгоградская области). К последней группе относятся все остальные субъекты РФ, входящие в той или иной мере в бассейн Дона. Здесь с 1990 г наблюдается постоянное и планомерное сокращение численности жителей.
Подводя итоги можно сказать, что для большинства субъектов, входящих в бассейн Дона свойственно плавное снижение численности населения в последнее десятилетие (рис. 1.4.7).
В рамках рассмотрения численности населения как фактора использования водных ресурсов интересным аспектом является изменение соотношения числа городских и сельских жителей, поскольку оно напрямую влияет на использование воды в коммунально-бытовых целях через степень благоустройства жилищной застройки. Изменение соотношения городских и сельских жителей в различных субъектах так же, как и численности населения, носит различную направленность (рис. 1.4.8).
К первой группе регионов можно отнести Саратовскую, Волгоградскую, Белгородскую, Пензенскую, Орловскую, Воронежскую, Тамбовскую, (условно) Липецкую области, а также Ставропольский край. Здесь с 1990 г. наблюдается слабое, но постоянное увеличение числа городских жителей, в среднем возросшее за 20 лет на 2-3%. В Рязанской и Курской области происходит более существенное увеличение числа городских жителей, на 5-6 %. В Тульской области и Краснодарском крае наблюдается небольшое сокращение доли городского населения на 1,5 и 0,7% соответственно. При этом Тульская область продолжает оставаться наиболее урбанизированным регионом, здесь доля городских жителей превышает 80%.
Минимальные месячные модули стока за зимнюю и летне-осеннюю Межень: пространственное распределение и многолетняя динамика
Изменчивость годового стока на современном этапе в среднем для бассейна может характеризоваться коэффициентами вариации около 0,4 (рис. 2.2.5). Река Дон согласно данным (Водные ресурсы..., 2008) обладает наиболее высоким коэффициентом вариации модуля среднегодового стока среди рек России.
В пределах Донского бассейна наименьшие значения Cv (менее 0,3) свойственны для верхнего течения Дона вплоть до впадения р. Тихая Сосна, затем значение коэффициента вариации модуля среднегодового стока возрастает до 0,3-0,4, а ниже впадения р. Битюг уже составляет 0,4-0,6 (рис. 2.2.5). Пониженные коэффициенты вариации модуля среднегодового стока наблюдаются в верхнем течении Хопра и Медведицы, в пределах бассейна Пролетарского, Веселовского водохранилища, оз. Маныч-Гудило. Максимальные значения коэффициента вариации свойственны для рек, впадающих в Цимлянское водохранилище, а также нижнего течения Северского Донца. Внутрирядная связность значений среднегодового стока практически не прослеживается, первые коэффициенты автокорреляции для большинства рек не превышают 0,1.
Исследование многолетних изменений характеристик стока основывается на статистическом анализе временных рядов. Как и для многих природных процессов для многолетних колебаний стока свойственна цикличность -свойство случайных последовательностей образовывать чередующиеся периоды повышенной и пониженной водности. Вопрос о цикличности изменений стоковых характеристик напрямую связан с репрезентативностью имеющихся временных рядов наблюдений. Согласно традиционной гидрологической практике (СП 33-101-2003) считается, что временной ряд стоковых характеристик репрезентативен, если его длина составляет не менее 40 лет.
Основным вопросом в изучении многолетних колебаний стока является вопрос выявления его направленных изменений. Для определения значимости и достоверности тенденции всегда использовались различные статистические критерии, значения которых являлись мерой изменений математического ожидания или дисперсии (проверка однородности ряда).
В работе нами критерий Спирмена на выявление тренда. Критерий Спирмена использует оценку rs - коэффициента корреляции между рангами членов ряда и номерами соответствующих лет: (2.2.1) п Данный критерий тренда с уровнем значимости а принимает гипотезу однородности, если \rs\4n-1 t(—). Если rs Jn-\ t(—), то имеет место статистически достоверная тенденция к увеличению значений характеристик с ростом /. Если г.чл1п-\ -?(—), то имеет место статистически достоверный убывающий тренд. При уровне значимости 5% превышение их абсолютных значений над критичесиспользовались стандартные критерии Стьюдента и Фишера, а также ким числом 1,96 означает наличие статистически достоверного возрастающего или убывающего тренда.
Были рассчитаны средние значения, средние квадратические отклонения, параметры линейных трендов, значения статистических критериев Спирмена rs, Стьюдента t(M) и Фишера /(D). Для всего ряда и его отдельных частей также рассчитывались первые коэффициенты автокорреляции г(1). В настоящее время естественный режим речного стока большинства рек бассейна нарушен хозяйственной деятельностью человека, что, безусловно, приводит к изменению однородности многолетних рядов. Интенсивное освоение бассейна Дона началось еще в 18-19 вв., поскольку издавна данный регион использовался для выращивания зерновых, что требовало больших объемов воды. В таких условиях сложились предпосылки для строительства большого количества мельничных прудов.
Оценить степень влияния климатических и антропогенных факторов на речной сток возможно с помощью восстановления естественных характеристик стока. Условно-естественный сток от начала наблюдений до 1990 г. восстановлен проектными институтами «Гидропроект» и «Южгипроводхоз». В данной работе многолетние ряды годового стока обработаны до 2006 г. и приведены к условно-естественному состоянию Л.Ф. Сотниковой с учетом дополнительных материалов института «Южгипроводхоз». Для контроля точности процедуры восстановления стока продление рядов осуществлялось с помощью нескольких методик - регрессионных зависимостей и воднобалансовых соотношений. Стоковые ряды по р. Северский Донец приняты по данным «Схемы комплексного использования водных ресурсов СССР на период до 2005 г.» в проработке «Укргидропроекта».
Для створа Цимлянской плотины многолетний ряд был продлен и приведен к условно-естественному стоку по воднобалансовой методике. В этом случае учитывался сток в створе Цимлянской плотины; сброс воды через гидроузел; забор воды в Донской магистральный канал и в Генераловскую оросительную систему; забор воды в Волго-Донской судоходный канал; испарение с зеркала водохранилища; изменение объема водохранилища. Источниками этих данных послужили водные балансы Гидрометслужбы. Восстановление стока в створе Раздорской выполнено путем учета боковой приточности на участке Цимлянская - Раздорская и использования результатов расчета водного баланса водохранилища. Боковая приточность получена суммированием стока рек Северский Донец, Кагальника и Сала. Анализ полученных характеристик условно-естественного среднего годового стока показал, что основные его изменения за счет антропогенной деятельности складываются ниже Цимлянского водохранилища. Выше Цимлянского водохранилища потери стока за счет агролесомелиоративных мероприятий, промышленно-коммунального и сельскохозяйственного водопотребления незначительны как для Верхнего Дона (до г. Задонска), так и для Среднего Дона (вплоть до г. Калач) (табл. 2.2.4).
Форма волны половодья. Максимальные модули стока за половодье
Подводя итоги, следует подчеркнуть основные особенности пространственно - временных изменений среднего меженного модуля стока в бассейне Дона, как показателя, отражающего подземную составляющую стока.
За последние сорок лет в бассейне Дона произошло беспрецедентное увеличение среднего меженных расходов воды рек. Увеличение данной характеристики для некоторых створов произошло в 2 и более раза. Если в начале 1960-х годов подземный модуль стока изменялся от 2,5 до 0,3 л/(с-км2), составляя 0,8 л/(с-км2) в среднем для бассейна, то в настоящее время он может быть охарактеризован диапазоном значений от 3,3 до 0,3 л/(с-км ), при этом среднее значений для бассейна увеличилось до 1,5 л/(с-км ). Изолинии модуля среднего меженного стока сдвинулись на северо-запад на 300 и более километров по сравнению с их положением в первой половине 1960-х годов (согласно картам Б.И. Куделина).
Наличие статистически значимых трендов роста средних меженных модулей стока прослеживается для абсолютного большинства рек и, кроме того, увеличение подземного стока подтверждается данными наблюдений за уровнями подземных вод. Как для рек с наличием, так и для рек с отсутствием статистически достоверного тренда характерна синхронность многолетних колебаний стока вне зависимости от размера реки. Минимальные месячные модули стока за зимнюю и летне-осеннюю межень: пространственное распределение и многолетняя динамика
Минимальные месячные расходы воды за летне-осеннюю и зимнюю межень являются традиционными расчетными гидрологическими характеристиками. Безусловно, минимальные 30-дневные расходы являются более репрезентативными показателями по сравнению с минимальными расходами за календарные месяцы. Однако для получения минимальных 30-дневных значений модуля стока необходима обработка данных на уровне суточных значений, что в условиях недостатка гидрологической информации часто не представляется возможным.
Пространственное распределение минимальных месячных модулей стока за зимнюю и летне-осеннюю межень носит сходный характер, уменьшаясь с северо-запада на юго-восток. Наиболее высокие минимальные зимние и летние модули стока воды наблюдаются в бассейне верхнего Дона, Красивой Мечи, и составляют около 3 л/(с-км2). При этом летние расходы в 80% случаев (43 из 50 створов) оказываются меньше зимних, за исключением постов в самом верхнем (р. Дон - г. Задонск, р. Красивая Меча - г. Ефремов, р. Сосна - Беломестная) и в самом нижнем (р. Сал, Егорлык и Тузлов) течении Дона (рис. 3.4.1).
Изолиния в 1,5 л/(с-км2) минимального месячного зимнего стока, отделяющая область повышенных модулей выше по течению относительно г/п р. Дон - г. Лиски соответствует изолинии в 0,7 л/(с-км2) для летне-осеннего периода в северо-западной части Донского бассейна. Модули минимального месячного зимнего стока от 0,7 до 1,5 л/(с-км ) характерны практически для всего бассейна Северского Донца, верхнего и среднего течения Хопра (до г/п Новохоперск), включая бассейн Вороны. Для летне-осеннего период данная полоса охватывает еще большую территорию за счет более северного положения изолинии в 1,5 л/(с-км2).
Для среднего и нижнего течения Дона (ниже г/п Павловск), а также левобережных притоков низовья Северского Донца как зимние, так и летне-осенние минимальные месячные модули стока составляют 0,3-0,7 л/(с-км ). Существенная разница зимних и летне-осенних модулей выявляется для области наименьших значений (рис. 3.4.1). Если для зимнего периода она представляет собой единый достаточно обширный регион, включающий в себя бассейн Иловли, Быстрой, левобережье Цимлянского водохранилища, бассейн Сала, то для летне-осеннего периода это узкая полоса, проходящая по бассейнам р. Тузлов, р. Быстрая и р. Есаулковский Аксай, а также отдельная область, охватывающая бассейн Иловли и верховья Бузулука.
На фоне общего увеличения водности межени, изменения минимальных месячных расходов воды носят наиболее очевидный и резкий характер. Статистически достоверные изменения характеристик минимального месячного стока, как за зимний, так и за летний период, фиксируются для всех изученных створов. Пространственное распределение изменений минимальных месячных модулей стока носит не столь очевидный и закономерный характер, как изменения среднего меженного модуля стока и на первый взгляд имеют несколько хаотичный характер. Однако при более детальном можно выделить общую закономерность их распределения, как для зимнего так и для летне-осеннего минимально месячного стока.
Область наибольших изменений характеристик сосредотачивается в достаточно широкой полосе, протянувшейся в средней части бассейна с юго-запада на северо-восток, от верховья и левобережных притоков Северского Донца дугой через бассейн Битюга, среднее течение Хопра, бассейн Бузулука к верховьям Хопра и Медведицы (включая бассейн Вороны). Эта полоса с точки зрения зимнего периода может ассоциироваться с границей смещения «фронта зимы». К юго-востоку от этой полосы как в первой половине XX века, так и на современном этапе не происходило устойчивого становления снежного покрова, устойчивый зимний период отсутствовал. К северо-западу от этой полосы и в настоящее время формируется снежный покров. А вот «внутри» этой полосы произошла трансформация условий формирования стока. Если раньше в большем числе случаев эту область можно было относить к региону, где формируется снежный покров, то сейчас картина изменилась на противоположную. Наибольшее увеличение летнего стока в той же самой полосе также скорее всего опосредованно, через сток половодья, связано с изменением характера зим.
Увеличение минимальных месячных модулей стока воды для больше части бассейна составляет 30-60% по отношению к среднему за 1936-1969 гг. Рост исследуемых характеристик в 2 и более раз характерно для бассейна р. Уды и среднего течения Хопра (г/п Поворино). Для верхнего течения Хопра, бассейна
Вороны характерно увеличение минимальных месячных модулей стока в 1,5 раза в зимний период, для летнего периода оно еще больше, до 2 и более раз (для р. Хопер - г. Балашов - 130%). Для левобережных притоков Северского Донца (р. Красная, Айдар, Деркул) изменения минимальных месячных модулей составляют 100-120% для обоих периодов. В верхнем течении Дона (выше г/п Лиски) относительное изменение модулей несколько меньше и составляет в зимний период 50-100 %, в летне-осенний - 40-60%. Однако в абсолютных величинах модули минимального зимнего и летнего месячного стока уменьшились на 0,7-1 л/(с-км2). В зимний период для самого верхнего течения Дона (г/п Задонск), бассейна Красивая Меча, верхнего течения Сосны (г/п Беломестная) изменения составляют 20 10%.
Похожие диссертации на Водный режим рек бассейна Дона в условиях меняющегося климата
-
