Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Анализ характеристик водохранилищ различного генезиса

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Анализ характеристик водохранилищ различного генезиса"

-ргь ТТЛ

- 2 АИВ 1995

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВОДНЫХ ПРОБШЗ!

На правах рукописи

ГРИГОРЬЕВА Ирина Леонидовна

УДК 556.55

АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДОХРАНИЛИЩ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА

Специальность 11.00.07 - гидрология суш, водные ресурсы,

гидрохимия

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва - 1994

J■

Работа выполнена в Институте водных проблем РАН

Научный руководитель - доктор технически наук, профессор В.К.дебольский

Официальные оппоненты - доктор географических наук Н.й. Хоронхевич, кандидат географических наук В.П.Салтанкин

Зедущая организация - кафедра гидрологии суши

географического факультета МГУ ж. ¡¿.Б.Ломоносова

Защита состоится 1ЭЭБ г. в /^часов

на заседании специализированного совета Д.003.37.01 при Институте водных проблем РАН по адресу: 107078, Москва, ул. Нозо-Басманная 10, а/я 524

С диссертацией моею ознакомиться в библиотеке Института водных проблем РАН

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор географических на^-^^^^^^/^.С.Залетаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из ведущих факторов изменения природной среды за последние годы почти во'всех странах '.rapa являются водохранилища. В настоящее врем в мире насчитывается более 30 тысяч^ водохранилищ различных по своим параметрам, режимным характеристикам, направлению хозяйственного использования и воздействию на ок-руяавдую среду [Водохранилища и их взаимодействие с окружающей средой, 1986I. Наиболее эффективным способом систематизации и упорядочивания имеющихся сведений о водохранилищах является их классификация..

К началу 80-ых годов было предлокено значительное количество классификаций водохранилищ, ни одна из которых однако не содержит исчерпывающей информации ни о самом водохранилище, ни о характеристиках его режима. Пока не создано классификации содержащей кош- ' лексную гидрометеорологическую характеристику объекта исследования. Наибольшее распространение в настоящее время получили классификации водохранилищ по отдельным параметрам, которые, по мнению ряда авторов, являются этапом на пути создания "универсальной" классификации водохранилищ. Но простым объединением классификаций cío отдельным параметрам комплексной классификации получить не уда-этся. Необходимо искать другие подходы к решению этой проблемы: Од-зим из таких путей- является разработка комплексных критериев клас- -зификации и создание на этой основе гидрологической - базовой классификации, учитывающей ряд характеристик водного, термческого и [тщрохимического рекимов водохранилищ.

Цель работа состояла в определении гидрологического подхода к классификации водохранилищ и разработке комплексного критерия оценен состояния водоема до и после зарегулирования на основе анализа гатурной гидрометеорологической информации.

В соответствии с поставленной целью в задачи работы входило:

— исследование существующих классификаций водохранилищ;

ттг проведение, сравнительного анализа гидрометеорологических режимов ряда водохранилищ на основе созданного по материалам Гидрометеослужбы и литературным источникам банка данных;

— изучение взаимосвязей параметров гидрометеорологического ре-има водохранилищ различных морфологических типов;

— разработка комплексного гидрологического критерия для оцен-

ки степени изменения гидрометеорологического состояния исследуомю водохранилищ по сравнению с исходным водоемом;

разработка рекомендаций по частоте и периодичности гидрометеорологических измерений на водохранилищах для целей мониторинга на основе кгассификационных схем.

Научная новизна работы состоит в следующем. )

1. Проведен сравнительный анализ корреляций минерализации воды водохранилищ различных морфологических типов с характеристикам? их водного режима и показано влияние водообмена и морфологии водое ма на характер взаимосвязей.

2. йсслезованк корреляции температуры воды и температуры воздуха водохранилищ различных морфологических типов.

3. Предложен комплексный гидрологический критерий, и с его помощью оценена степень изменения гидрологического режима восьми конкретных водоемов после зарегулирования.

4. Исследована возможность применения предложенного критерия для экваториального районирования водоемов.

Практическое значение работы. Комплексный гидрологический крз терий, предложенный в работе, может служить для прогноза степени изменения гидрологического ренима водных объектов; на которых сооружаются или проектируются водохранилища, а также, наряду с полученными взаимосвязями основных гидрометеорологических характеристик, при разработке новых классификационных схем водохранилищ и щ предварительной опенке гидрологического режима водоема-аналога, а также при экваториальном районировании водоемов.

Апробадия работы и публикации. Основные результаты работы догадывались и обсуждались на Всесоюзной конференции молодых ученых "Гидрология 2000 года." /Москва, 1936/, на У1 съезде БГБО /Мурманс: 1991/, на Второй Всероссийской конференции по математическим проблемам экологии /Новосибирск, 1994/, на 17 Конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей" /Москва, 1994/, а также на научных семинарах ЮЛ РАН /Москва, 1986-94/.

По теме диссертации опубликовано шесть научных работ.

Объем и структура •работы. Диссертация состоит из введения, чг тырзх глав, заключения и списка использованной литературы из 123 наименований. Общий объем диссертации 153 страницы, включая 25 тас лиц и 23 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность теш диссертации, определена цель работы,'поставлены основные задачи исследования, по-сазанн научная новизна и практическая значимость работы, дается сраткоэ списание работа по главам.

В первой главе рассматриваются существующие классификации во-юхранилищ и их основные достоинства и недостатки.

Первые попытки классифицировать водохранилища в нашей стране [ за рубежом относятся к 30-40-ым годам.

Г.К.Долгов (1948) делит водохранилища на четыре типа по соот-юшению площади открытой еоды к площади мелководий. Г.В.Николь-!кий (1948) делает попытку установления закономерностей, которым одчкняются изменения ихтиофауны при развитии водохранилищ уме- • юнных-широт; в пустынной зоне и зоне влажного климата. И.А.Лифанов* 1946) подразделяет водохранилища по способу устройства чаши, по шфигурации и размерам.

A.Gardiner (193Э) подразделяет водохранилища Англии на нор-:ально эксплуатируемые и запасные.

H.Ellis (1940) делит водохранилища США на два класса: мелкие и . лубокие. По характеру стока вода он выделяет в первом классе два одкласса.

R.Peiuiak (1949) аналогично озерам подразделяет водохранилища о термическому режиму на умереннне и тропические; по трофическому ризнаку на мезстрофные и эвтрофные.

С.Тгуоп И D.Jaoiison (IS59) для США И W.Pearsall (1946) с соав-орами для Англии классифицируют водохранилища по признакам химизма ОДЫ.

Е.wiohliff и L.Poach (1937) делят водохранилища на такие, у эторых залита большая часть суии и на русловые.

Классификации водохранилищ, появившиеся в 50-ых начале 60- ых эдов, создавались в основном специалистами-гидробиологами и, как завило, носят узкоприкладной характер.

Так П.А.Дрягш (1957) классифицирует водохранилища по составу Етиофауны, И.М.Иоффе (I9SI) по уровню развития донной фауны. ■

•П.В.Тюрин (I9SI), указывая на влияние уроненного режима в во-зхратшищах на формирование рыбных запасов в них, подразделяет во-зхрашшща по характеру сработки урошя на три группы.

B.И.Кадиным (1961) предложена классификация водохранилищ по

признакам их происхождения, морфологии и трофичносш, Я.Я. Цеебом (1954) - экологическая классификация, в основу которой положен принцип единства организма и условий его обитания.

И.В.Барановым (1961) разработана Сиогидрохимическая зональная классификация водохраншшщ.

В 60-70-ых годах появляется значительное количество работ, обобщающих имеющиеся сведения о водохранилищах--(О.П.Автипова, 1961 М.А.Фортунатов, 1963; А.В.Авакян, В.А.Шарапов, 1977). Наибольшее распространение получают классификации водохранилищ по отдельным параметрам.

М.А.Фортунатов (1963) подразделяет водохранилища по полезной емкости на семь групп.

A.И.Макаровым и В.А.Вейаерт (1976) и А.Б.Авакяном и В.А.Шараповым (1977, 1979) были предложены классификации водохранилищ по полному объему.

Рядом авторов были выполнены классификации водохранилищ по площади водного зеркала (А.В.Авакян, В.А.Шарапов, 1977; В.А. Вей-нерт, 1969; П.Л.Пирожников, 1969); по водообмену (Б.Б.Богословский, 197I; А.В.Авакян, В.А.Шарапов, 1979; С.В.Григорьев, 1958, 1979); по глубине и глубине сработай уровня (Водохранилища мира, 1979); по конфигурации (В.А.Бахтиаров, 1969; В.М.Матарзин, Б.Б.Богословский, И.К^Мацаевич, 1977; А.В.Авакян, В.¿-.Шарапов,•• 1977)• и • т.д.

В зависимости от положения водохранилищ на местности ряд авторов делит их на горные и предгорные (П.А.Дрягин, 1957; Г.Б. Мельников, 1962; СЛ. Вендров, 1979; Водохранилища тара, 1979).

К.К.Эдельштвйн (1977) по морфологии ложа все водохранилища . подразделяет на три группы: долинные, котловинные и смешанного типа.

B.М.Широковым (1971) была предпринята попытка создания классификации водохранилищ по комплексу гидрологических, географических показателей и народохозяйственному назначении и использовании для созданных, строящихся и проектируемых водохранилищ Сибири.

В 80-ые годы не появилось существенно новых классификаций водохранилищ, те se, что предлагались касались либо отдельных регионов и стран (В.А.Николаенко, 1988; Alonso tí., Comelles, 1981), авторы которых использовали для классификации существующие классифи-. кационныэ схемы, либо отдельных водоемов, например схема экваториального районирования Иваньковского водохранилища В.П.Салтанкина

1981).

Обзор предложенных к настоящему времени классификаций водо-раншшщ показал, что их количество значительно, но ни одна из них, днако, не содержит исчерпыващей информации ни о самом водохрани-ище, ни о характеристиках его ранима. Все предложенные классифика-ди характеризуют водный объект с какой-то одной стороны.

Большинство классификаций водохранилищ содержат сведения о во-,оеме вообще и лишь некоторые о его гидрологическом режиме. Факти-:ески отсутствуют классификации, содержащие комплексные критерии, арактеризующие гидрологический режим водохранилища. Нв определены оличественные связи мекду отдельными характеристиками годного, ермического, гидрохимического и гидробиологического режимов.

При классификации водохранилищ по отдельным параметрам раз-ые авторы делят водохранилища на различное число категорий (3, 4, , 6, 7). Основания деления зачастую берутся произвольно, никак не ч -босноЕываясь.

Очевидно создать "универсальную" классификацию водохранилищ ;росто невозможно из-за множества параметров характеризующих водный 'бъект. Но создание комплексных классификаций для решения опреде-[енных зздач, например, природоохранных, для выявления группы водо-раннлищ чей режим претерпел наибольшие изменения и т.д., вполне ¡озможно и целесообразно. Для этого необходима выработка критериев, читыващих комплекс характеристик.

Исходя из имеющихся определений классификаций природных объек-■ов, мы можем дать следующее определение гидрологической классифи-:ации водохранилищ. .

Гидрологическая классификация водохранилищ - это подразделе-ие (группировка) водохранилищ по комплексу гидрстермодинамических ; гидрохимических характеристик с целью получения достоверного ¡редставления о водном объекте и его режиме и дальнейшего его изу-:ения.

Первым шагом на пути создания комплексной гидрологической классификации водохранилищ является, по нашему мнении, установле-ие количественных взаимосвязей мекду основными характеристиками идрометеорологического реяима отдельных водохранилищ, принадлежащих к различным морфологическим типам. Такими характеристиками яв-ищтся: объем притока в водохранилище, коэффициент водообмена, глубина водоема, температура воды и воздуха, радиационный баланс, содержание в воде растворенного кислорода, мтаерализзция воды.

А вторка - разработка комплексного гидрологического критерия классификации.

Как было указано во введении, в мире сейчас насчитывается более 30 тысяч водохранилищ, в России водоемов объемом свыше I млн.

м3 более 3000, поэтому рассмотреть их все в одной работе просто невозмокно. Чтобы облегчить задачу исследования, были выбраны . •восемь йодахрашшищ.-различного генезиса", расположенные в раз-' них прирожшх-и'.клшгаткческих зонах е. отличающиеся друг от друта своими параметрами, а такие характеристиками гидрологического и гидрохимического режимов. Это следующие водохранилища: Братское, по морфологической классификации К.К. Эдельштейяа (1977) относящееся к сложным пойшнно-доликным водохранилищам; Выгозерско-Ондское (озер-но-котловиннов); - Кайраккумское (простое-пойменно-долинное); Нгрвс-кое и Иваньковское (сложные котловинно-долинныз); Сзгяторское (Тбилисское) и Каттакурганскоэ (депрессионные); Сионское (простое кот-ловинно-долшное). - '

Во'второй главе работы был сделан подробный анализ гидрометеорологических режимов исследуемых водохранилищ, основные мордо-метрические характеристики которых представлены в табл!ще I.

Самым зфушшм и достаточно хорошо изученным является Братское водохранилище, которое расположено в бассейне Верхней Ангары, в северо-западной'части Иркутской области. Плотина Братской ГЭС является второй действующей ступенью Ангарского каскада. Наполнение водохранилища происходило с I/IX 1961 г. по I4/IX 1967 г. Площадь его водосбора равна 700000 км2.

. Выгозергао-Оядское водохранилище расположено в бассейне озер-но-речной системы Выга, в 94,5-170,6 км от устья р.Выг. В современном виде супрствует с 1954 г. после сооружения Ондского водохранилища и объедшения их в одну систему. Общая водосборная площадь его

составляет 19080 км2.

Нарвсказ водохранилище расположено на границе Эстонии и Ленинградской области. Создано в нижнем течении р.Нарвы в 1955- 1956 г.г. Водосборный бассейн Нарвского водохранилища шэет площадь 55700

кмг, включая водосбор Псковско-Чудского озера, из которого вытекает р. .Нарва. ■ ' .

ИванькоЕское водохранилище расположено в шной часта Верхневолжской нжзйны, образовано в 1937 г. в результате перекрытия русла

Волги у с. Иваньково плотиной гидроэлектростанции однозменного названия. Площадь водосбора водохранилища равна 41000 км2.

Таблица I

Основные морфомэтрические характеристики исследуемых водохранилищ. ' "

Водохранилище Объем,, км полный при НПУ Площадь зеркала при НПУ, км2 Глубина при НПУ, м Длина при Ширина при НПУ, км

средняя наибольшая НПУ,- км средняя наибольшая

Братское 169,7 5467 ■ 31,0 150 1020 5,9 25

Выгозерско-Ондское 7,1 1250 5,7 19 87 14,0 —"

Нарвское 0,365 200 1,8 15 52 1,0 1,5

Иваньковское 1,12 327 3,4 19 120 2,8 8,0

Сионское 0,325 10,4 31,4 67 11,5 0,9 2,3

Самгорское 0,308 11,8 26,2 45 9,8 1,2 2,0

Кайраккумское 3,414 544 6,3 23 60 9,1 •12

Каттакурган-

ское 0,325 10,4 31,4 67 11,5 0,9 2,3

Сионское и Садаорское водохранилища расположены в Восточной 'рузии. Первое сооружено в 1953 г. перекрытием р. Иори земляной истиной у пос. Сиони, второе создано в старом русле р. Куры в 5-6 м от г. Тбилиси и заполнение его осуществлялось в 1951- 1954 г.г. ¡одами р. Кори. Водосборная площадь Сионского водохранилища со-

¡тавляет 557 км2, Самгорского - 1008 км2.

Кайраккумское водохранилище расположено на территории Таджикистана , в среднем течении реки Сыр-Дарьи, в западной части Ферган-:кой долина. Образовано в 1955 г., площадь его водосбора равна

:36000 км2.

Каттакурганское водохранилище было создано в целях улучшения >рошения существующих полей и расширения площадей поливного земледелия Самаркандской области Узбекистана. Под водохранилище исполь-гавана котловина, расположенная к югу от русла р.Кара-Дарьи (левый »укав р. Зеравшан). В режиме наполнения водохранилища выделяются

несколько этапов, в 1966-1957 г.г. была осуществлена реконструкция плотины.

Климат водосборных бассейнов исследуемых водохранилищ различен и изменяется от резко-континентального для Братского до субтропи-ческо-континентального для Кайраккумского и Каттакур^анского водохранилищ.

Из восьми исследуемых водохранилищ Братское-осуществляет многолетнее регулирование стока, Нарвское - недельное, все ае остальные - сезонное.

Колебания уровня в течение года составляют в среднем для Карв-ского - 0,5 ы; для Выгозерско-Ондского - 2 м; Братского - 3-4 м; Иваньковского - 4,5-5 м; Кайраккумского - 5,5 м; Самгорского - 8 м; Сионского - 17-18 м; Каттакурганского - 22 м.

Основными составляющими водного баланса исследуемых водохранилищ является приток вода в водохранилище к сток из него. Средне-

многолетняя величина первого показателя изменяется от 98,7 км3 для

Братского до 0,144 км3 для Самгорского; второго - от 102,9 км3 для

Братского до 0,158 км3 для Самгорского.

Расчет коэффициентов условного водообмена по притоку (К ) и

по стоку (К ) для всех исследуемых водохранилищ показал, что наиболее проточным является Нарвское водохранилище (Кпр=22,2), а наименее проточным Братское и Самгорское (К =0,6-0,7).

По классификации щл^юдных вод О.А.Алекина (1956) вода всех исследуемых водохранилищ, кроме Кайраккумского, относится к гидро-кароонатному классу, группе кальция, второму типу. Вода Кайраккумского водохранилища относится к сульфатному классу.

Среднегодовые значения минерализации воды исследуемых водохранилищ изменяются от 21,8 мг/л для Выгозерско-Ондского до 922,4 мг/л для Кайраккумского.

Анализ существующих классификаций водохранилищ показал многообразие характеристик и параметров водохранилищ, используемых в качестве классификационных признаков.

Одной из основных проблем создания гидрологической классификации водохранилищ является, трудность объединения, в одном" критериальном комплексе одноименных и однородных характеристик.

Для того, чтобы оптимально подобрать необходимое количество

параметров, которые наиболее полно характеризовали бы гидрологический ригам водохревилщ к позеолили бы разработать комплексный критерий, который мог бы служить основанием гидрологической классификации, в третьей главе работы били проанализированы взаимосвязи целого ряда характеристик гидрометеорологического рейка. Для анализа были выбраны показатели, которые или использовались другими авторам в классификациях водохранилищ по отдельным параметрам шк могут быть используемы, по нашему мнению: радиационный индекс сухости (К), который по М.И.Будыко (1955) является показателем зональности, температура воздуха (Т . °С>, температура воды (Тв.

°С>,перепад температуры воды за период открытой воды Ш, °С), минерализация воды (мг/л), содержание в воде растворенного кислорода

(кг/л), объем водохранилища средний за месяц (и, м^Ю6) и в день отбора пробы воды (Ив_що, м^Ю6), объем притока вода в водоем (И ).и объем стока из него №ст), коэффициенты водообмена по притоку "и стоку (Кпр .К^.), средняя и максимальная глубина водохранилища (Н, Н , м;, величина сработки уровня (АН, м), показатель удлиненности (удл.) водоема, определяемый как отношение длины водохранилища (Ь, м) к средней его ширине (ь, м) при НПУ. В таблице 2 приведены среднегодовые значения основных характеристик -гидрологического режима водоемов, взаимосвязи которых рассматриваются в работе.

Поскольку водохранилища располагаются в разных зонах, то 'при классифицировании водохранилищ нужно обязательно учитывать показатель зональности, каковым по М.И.Будыко (1955), является радиационный индекс сухости №):

л =

ккал

В

(1)

где В - годовой радиационный баланс ' "^г"', ь - скрытая теплота' парообразования ) , л - годовая сумма осадков, см.

.Трудность применения этой характеристики заключается в том, что составляющие радиационного баланса, необходимого при его расчете, не измеряются на гидрокетеопостах. Тесная корреляционная зависимость между радиационным индексом сухости у. среднегодовыми значь-

1-2

шями температуры воздуха, позволяют использовать последний показатель при разработке гидрологического критерия.

Таблица 2

Среднегодовые значения исследуемых характеристик гидрометеорологического режима водохранилищ

Характе- Выг- -озер- Нарв-CKÔ9 Ивань ков- Братское Саг.»-гор- Сионское Кай-рак- Катта-кур-

ристика ско-Он деков ское ское кум- скоз ганское

V , км3 пр 7,13 7,57 8,42 98,68 0,15 0,38 16,94 C,8S

и, та!3 6,72 0,34 0,95 158,0 0,21 0,12 2,23 0,32

Кпр - 1,0 22,18 9,38 0,632 0,692 3,0 7,42 3,С

2и, мг/л 21,8 228,8 218,2 112,6 320,7 226,3 922,4 417,9

Т , °С В 5,6 8,2 7,8 5,7 12,4 12,1 II.S 14,2

т , °с а 2,3 3,4 3,8 -2,2 10,5 7,6 14,0 14,9

Н , м тах 18,0 15,0 19,0 150,0 45,0 67,0 23,0 25,0

Н, _м 5,7 1,8 3,4 3,1 26,2 31,4 6,3 10,6

УДЛ. - 52,0 42,9 172,9 8,2 12,8 . 6,0 2,8

Н' 0,718 0,744 0,808 1,7 1,58 1,11 5,0 5,1

Очевидно, что в критерии должны быть таксе использованы такие параметры, как минерализация воды, важнейшая характеристика гидрохимического рекима водоемов, и некоторые параметры водного рекима. Для выбора параметров определявших водный режим водоема был проведен подробннй анализ взаимосвязей их с минерализацией боды. Для подбора кривой, наиболее хорошо аппроксимирующей полученные завися-мости, был принят мзтод наименьших квадратов, в качестве характеристики теснота связи использовалось корреляционное отношение (т}).

Исследование связей меаду минерализацией воды водохранилищ различных морфологических типов и показателями их водного реки-лз показало, чго для всех типов водохранилищ, за исключением наливннх котловинных, с сильной сработкой уровня, наблидается зависимость _ минерализации воды от элементов водного баланса, коэффициентов водообмена. з для некоторых и от объема водохранилища.

^орфолагяческЕй тип Еодоеыа, теп регулирования и срздаеголо-

;се значение коэффштиента водообмена определяет тот параметр вод-юго режима, с которым возможна связь минералнзаани есдз-

Так для сильно проточных долинных водоемов с баиг.*.: годовым гоэффипклгтоы водообмена (К >20) ганералпзация зоды взаимосвязана

В

! одинаковой степени с коэффициентами водообмена по притеку и по :току и не зависит от объема водохранилища. Пример такого водоема -¡арвское водохраташзце.

Для долинных водохранилищ с коэффициентом водообмена.за год :орядка 5-8, но с сильной вегетационной сработкой (Кайраккумское) рослеживается связь минерализации воды только с объеме^ притока оды в водохранилище.

Для долинных водохранилищ с обменом воды примерно раз в ме-яц и сезонным типом регулирования (Иваньковское) имеет место сеязь инерализации воды с целым комплексом характеристик водного режа-а, главной из которых является объем притока воды за" предшествую-' ай отбору пробы воды месяц.

Определенную роль во взаимосвязи минерализации води с характе-истиками водного режима водоема играет его размер. Так для круп-

эйших водоемов (\7 > 50 км3), таких как Братское,-не прослеживается вязь между минерализацией и объемом воды в водоеме. Тогда как

ля крупных водоемов (и = 1-10 км3) с сезонным типом регулирования Иваньковское, Внгозерско-Ондское) такая связь существует. В то же ремя для всех трех водохранилищ имеет место взаимосвязь минерали-ации воды с объемом притока воды в водоем. .

Для средних (№ = 1-о,1 км3) долинных наливных водохранилищ с эвысокнм коэффициентом водообмена (Самгорское) минерализация воды первую очередь взаимосвязана с объемом воды в водоеме в день от-, эра пробы. Кроме этого, для данного типа водоемов существует связь зкду минерализацией воды и объемом притока и стока, и коэффициек-эм обмена по стоку.

Наиболее характерные взаимосвязи минерализации Еода с харакге-ютиками водного режима и объемом водоема описываются следующими равнениями.

Для Нарвского:

X

У = --• (2)

АХ + В

Для КаЗраккумского:

У = А хв (3)

Для Иваньковского:

А

У = В + — (4)

2

Для Выгозерско-Ондского, Братского и Самгорского:

х

- У = - , (5)

АХ - В •

где у - минерализация воды (нг/л), X - характеристика водного

режима, м3*103; А и В - коэффициенты регрессии, значения которых помещены в таблицу 3.

Таблица 3.

водохранилища период наблюдения А В V О2 ост

Выгозерско-Ондское 1971-75 0,0046 0,0007 0,89 697,01

Нарвское 1972-75 0,0443 1,2781 0,82 14,2

Братское 1969-75 0,009 0,005 0,88 58,15

Иваньковское 1962-77 24353,18 153,48 0,74 182,6

Самгорское 1965-71 0,0038 0,1359 0,85 150,4

Кайраккумское 1953-74 25919,66 - 0,4691 0,76 1665,3

Таким образом, в результате исследования корреляции минерализации воды с характеристиками водного режима водохранилищ установлено, что эти взаимосвязи определяются морфологическим типом водоема, коэффициентом водообмена, характером регулирования, глубиной

сработки уровня, размером водоема.

Из анализа связей минерализации воды водохранилищ с характер' ристиками их водного режима следует, что при разработке комплексного критерия наиболее целесообразны;»: будет.использование таких пара-мэтров, как объем водоема и объем притока вода в него. Симплекс этих двух характеристик дает возможность охарактеризовать зодооб- • мен водоема.

Важными классификационными признаками водохранилищ являются средняя, максимальная глубина и величина сработки уровня. Анализ взаимосвязей между значения;,и коэффициента водообмена по притоку и характеристиками глубины показал, что средняя глубина водохранилища' предпочтительнее при разработке критериального-комплекса.

Температура золы ъ температура воздуха являются основными характеристиками гигрс^етеорологического режима водохранилищ. В работе исследовались корреляции,среднемесячной температуры воды в по- .. верхностнок слое у берега замыкающего или центрального створа каждого из водохранилищ со среднемесячной температурой воздуха, измеренной на береговой станции, репрезентативной для данного водохранилища.

Для рассчетоз были использованы данные измерений, проводимые на постоянной гидрометеорологической сети бывшего СССР. Периоды наблюдений состазили--от 4--/КарЕское/ до 18 лет /Кайраккумское/.

Для каждого из исследуемых водохранилищ были построены графики зависимости среднемесячных-значений температуры воды от температуры воздуха. Анализ проводился по-сезонно. Для каждого из водохранилищ были выделены три периода: прогрева, периода максимальных температур и периода охлаздения.

Исследование взаимосвязей температуры воды и те.'.зературы еоз-духа для водохранищ различных морфологических типов показало, что' наиболее сложный вид связи наблюдается несной.

Для этого периода для трех водохранилищ: сложного яотловинно-долинного Иваньковского, простого пойменно-дохчлного Хайраккумско-го и озерно-котловикного Выгозерсхо-Ондского эта связь описывается степеннсЗ функцией; для сложного котловинно-доликного, но силь-нопроточнох'о, Нарвского водохранилища и депрэссиснного Каттакургак-ского она аппроксимируется линейной функцией; для сложного лоймекно-яолиеного Братского-, простого котлозинно-долинного Сионского и деп-ррсснонного Самгорского - показательной функпкей.

Летом и осенью зависимость температуры воды от температуры

воздуха для всех водохранилищ описывается линейной функцией.

Более высокая коррелируемость значений наблюдается для осеннего периода, менее высокая - для летнего.

Морфологический тип водоема не оказывает решающего влияния на характер исследуемой связи. Прослеживается нелинейная зависимость от размера водоема и положения его на местности (равнинное, горное, предгорное).

Несмотря на очевидность использования в качестве симплекса отношения температуры воздуха и температуры воды, цроведенные исследования показали, что последний показатель должен быть заменен на такую характеристику как перепад температуры вода за период открытой воды, который также подчиняется закону зональности как и температура воздуха, что вытекает из связи его с радиационным индексом сухости.

Поскольку водохранилища расположены в разных природных зонах и для некоторых из них среднегодовая температура воздуха может быть отрицательной, поэтому целесообразно заменить ее значением за период открытой воды (1; ). Продолжительность периода открытой воды (т ) также должна быть включена в гидрологический критерий как

показатель, характеризующий длительность взаимодействия водоема с атмосферой. Кроме этого нужно учесть в критерии продолжительность характерного времени, например год. Таким образом, мы получим два симплекса: отношение температуры воздуха, осреднешой за период открытой воды и перепада температуры воды за период открытой воды и отношение продолжительности периода открытой воды к характерному времени.

Анализ существуют, классификаций водохранилищ и связей ряда характеристик гидрометеорологического режима водохранилищ позволил разработать комплексный гидрологический критерий, которому посвящена четвертая глава работы, в которой также приводится перечень характеристик гидрометеорологического режима необходимых при состав-леншЕ автоматизированных баз данных по результатам гидрологического мониторинга для целей классификации.

Поиск критериального комплекса, наиболее полно характеризующий гидрологический режим водного объекта проводился исходя из следующих условий:

— безразмерность критерия;

— отсутствие в нем векторных величин;

— наличие в критерии основных классификационных параметров.

Исходя из последнего условия и учитывая результата анализа связей характеристик гидрометеорологического рекима, полученные в третьей главе, минимальное количество параметров, входящих в критерий равно шести:

1. параметр, характеризующий объем водохранилища;

2. параметр, характеризующий его глубину;

3. параметр, характеризующий минерализацию воды в водохранилище;

4. параметр, характеризующий его кислородный резким;

5. параметр, характеризующий изменение температуры'воды з водохранилище ;

5. некоторая климатическая характеристика,водохранилища, на-пригир среднегодовая температура воздуха в районе водохранилища или среднее значение температуры воздуха за период открытой воды.

Учитывая первое условие, из этих шести параметров могио составить пять безразмерных величин:

— отношение объема водохранилища при ШЗУ (??) и объема притока зоды в него (V? );

пр _

— отношение срздней глубины водохранилища при КПУ (Н) и его сработки (АН);

— отношение содержания" в зодэ растворенного кислорода" (0г)'й

его минерализации (суммы основных конов) - 2и;

— отношение перепада температуры воды в водохранилище за период

открытой воды (Д1;,0с) а среднего значения температуры воздуха в

районе водохранилища за тот аз период (1; )-,

— отношение периода открытой воды (1 ) к характерному времени (г), например году.

Теперь, если в чнелятвль этих отношений составить параметры улучизуиле обменные процессы з водоеме, то критериальный комплекс, хзрактэразуищй данный ведакй объект, будет выглядеть следующим об-разо;.1:

7? 2и т Дt

дн "н

1В

Расчет критерия по формуле 6 для исследуемых водохранилищ и их исходных водоемоз приводится в таблице 4.

Наибольшее значение критерия получено для Иваньковского водохранилища (12,37*ТО-г) проточного (Кпр=7,13), ереднеминерализован-

ного водоема (£и=218,2), со значительным содержанием в воде органического вещества (00=12,5 мг О/л). Большое значение критерия

(6,38*Ю~г) получено для сильно проточного (Кпр=20,7), срежешке- -

рализованного (2и=220 мг/л), с высоким содержанием в воде органического вещества Нарвского водохранилища. Наименьшее значение критерия получено для Братского водохранилища (0,13*Ю~г) гигантского по своим размерам и объему и отличающегося от других водохранилищ крайне низким коэффициентом водообмена (К. = 0,6). Для остальных

водохранилищ значения критерия изменяются от 0,4*10~г у Самгорского

до 3,83*1О-2 у Кайраккумского.

Разброс полученных значений критерия для исходных водоемов более значителен и колеблется от 4,0*10 ~г для Выгозерско-Ондского до

471&*Ю~г для Самгорского водохранилищ. Таким образом, чем больше водоем, на котором сооружено водохранилище и чем меньше его водообмен, тем значения критерия будут меньше.

Гораздо нагляднее.результаты анализа, проведенного, по степени изменения гидрологического режима исследуемых водохранилищ по сравнению с исходным водоемом. Для Выгозерско-Ондского водохранилища

значения К больше К в 1,8 раза; для Нарвского в 1,2 раза;

исх. в""чца ■*■

Братского - 47; Иваньковского - 1,6; Сионского - 1797; Самгорского 12092; Кайраккумского - 9,3 и Каттакурганского - 538 раз.

Из сопоставления значений критерия, полученных для исходного водоема и исследуемого водохранилища можно заключить, что наименьшее изменение претерпевает режим водохранилищ, сооружаемых на озерах (Выгозерско-Ондское) или на крупных равнинных реках в их верхнем или среднем течении (Иваньковское, Кайраккумское), а также на реках, уровень которых уже зарегулирован озером (Нарвское). Особенно значительные изменения в гидрологическом режиме свойственны для водохранилищ наливных, в которые поступает вода по подводящему каналу (Каттакурганское, Самгорское), а также горных и предгорных водохранилищ, сооружаемых на небольших горных реках (Сионское).

Таблица 4.

Расчет критерия (К^ изменчивости гидрологического режима исследуемых водохранилищ (I) з исходных водоемов 12)

Характеристика Выг-озер-ско-Он дскоэ Нарв-скоэ Ивань ков- ское Братское Сам-горское Сионское Кай-рак-кум-ское Катта-курганское

Объем притока в водоем^3 *10® 1 2 7134 5500 7541 5-44,3 7990 393,2 98684 6210 144,5 25,9 337,4 25,9 16874 1156 877,5 518,4

Объем водного объек-тЖНПУ, т 2 7100 3400 365 39 1120 60 169700 5360 308 0,06 325 0,07 3414 36 840 2

Содержание кислородп, мг/л 1 2 9,26 7,10 . 10,36 10,51 11,18 10,83 11,71 11,80 10,86 9,02 8,50 9,02 10,80 9,21 10,45 . 10,34

Минерализация вода, мг/л Продолжительность господа-открытой воды, дней 1 2 1 2 21,8 12,2 190 180 228,8 201,7 281 225. 218,2 235,1 211 200 . 112,6 118,0 180 • 180 320,7 210,0 365 332 . 226,3 210,0 360 332 . 922,4 1016 338 349 417,9 356,4 335 325

Средняя тем пература воздуха за период открытой во-д£°С Перепад тем пературы во да за тот яэ период"С Величина сработай уровня, м Средняя глубина водного объекта, м 1 2 1 2 1 2 1 2 10,2 9,9 23,0 22,9 1,27 1,24 5,7 6,2 11,6 11,9 24,0 23,4 0,33 1,02 1.8 3,0- 12,2 12,5 25,0 24,7 4,08 5,90 3,4 2,& 9,8 10,2 23,0 17,5 3,22 5,50 31,0 3,0 19,9 20,6 25.0 22.1 8,00 1,50 25,2 0,5 14,2 15,2 24.0 22.1 22,65 1,50 31,0 0,5 22,2 23.5 27,1 25.6 5,5 2,9 6,3 2,0 22.7 20.8 26,7 26,3 17,07 5,00 10,6 1,5

К, Ю~2 К, КГ2 1 2 2,2 4,0 6,38 7,75 12,37 20,08 0,13 6,10 0,39 4716 Г,66 2983 3.83 35,65 3,28 1765

Расчет ^для водохранилищ волжского каскада подтвердил основные выводы, сделанные для восьми исследуемых в работе водохранилищ.

На примере Иваньковского водохранилища было показано, что значения ^изменяются зо времени, в зависимости от изменения входящих в него характеристик.

Для того, чтобы учесть загрязнение водных объектов органическими веществами, полученные значения критерия были умножены на частное от деления среднегодового значения перманганатной окислявмос-

- ти (ПО) на плотность воды (р) при 4°С при нормальном атмосферном

давлении (1000 кг/м3) и помещены в таблицу "5, при этом соотношение 6 примет вид:

2и

Ьтк г дг

дн н

по р

(7)

Таблица 5

Значения критерия изменчивости гидрологического режима исследуемых водных объектов до и после зарегулирования с учетом перманганатной окисляемости (ПО)

...

Водохранилище Значения Кг, 10

после зарегулирования до зарегулирования -

Самгорское 0,5 5659

Братское 0,5 12

Сионское 2,0 3570

Катгакурганское 5,6 2294

Кайраккумское 6,5 43

Выгозерско-Ондское 27,0 40

Нарвское 97,0 137

Иваньковское 155,0 124

Из таблицы 5 видно, что по значениям К2 исследуемые водохранилища можно разделить, по крайней мере, на четыре группы: меньше

1,0*ГО~8 - малопроточные водохранилища с низкими значениями перман-ганатной окисляемости не провыиащими 3,8 мг О/л (Самгорское, Брат-

сков); от 2,0 до в,5*10~8 - водохранилища с очень низкими значениями ПО, не превышавшими 1,7 мг О/л и значительной сраСоткой уровня в вегетационный период (Сионское,"Каттакурганское, Кайраккумское);

около 30*10~8- малопроточные водохранилища с очень низкой минерализацией и высокими значениями ПО (12,3 мг/л), пример Выгозерско- '.

_о

Ондскоэ водохранилище; от 90 до 155*10 - мелксводные, сильнопро-точнно, среднеминэрализованЕыэ (220 мг/л), с высокими среднегодовыми значениями ПО (более 12,5 мг О/л) водохранилища (Иваньковское, Нарвское).

Сравнительный анализ К для исследуемых водохранилищ и их исходных водоемов показал, что с учетом ПО степень ухудшения гидрологического ренима водного объекта после его зарегулирования несколько уменьшается за счет более низких значений ПО в водохранилище.

Расчет критс-рил по предложенным формулам (6,7) для конкретных водоемов показал, что больше значения К свойственны проточному, средне- или елабоыанерализованному водохранилищу с высоким содержанием в воде органического вещества.

Полученные значения критерия' для восьми исследуемых водоемов до и после зарегулирования позволили количественно оценить степень изменчивости их гидрологического режима после создания водохранилища. При этом было показано, что наименьшее изменение претерпевает реним водохранилищ, созданных в результате подпора уровня озер, крупных равнинных рек в их верхнем и среднем течении и рек; уровень' которых уже зарегулирован озером.

При проектировании и строительстве водохранилищ полученный критерий может быть применен при подборе водоема-аналога и прогнозе степени ухудшения его гидрологического режима после завершения строительства.

На примере Иваньковского водохранилища в диссертации исследовалась возможность использования предлояэниого критерия при экваториальном районировании водоемов. Было установлено, что с некоторыми допущениями критерий мсгет применяться при предварительном районировании водохранилища на участки.

. Разработка комплексных классификаций водохранилищ требует на-

литая баз данных характеристик, которые используются в них. При создании баз данных характеристик гидрологического режима водохрани-. лищ, по нашему мнению, всю информацию можно распределить по следующим разделам:

.1. Основные морфометрические характеристики водохранилищ.

2. Общая физико-географическая характеристика водосборных бассейнов.

3. Метеорологический режим водоемов.

4. Режим уровней.

5. Термический режим.

6. Водный баланс.

7. Водообмен.

8. Гидрохимическая характеристика.

По каждому- разделу в работе приводится список параметров, которые целесообразно включить в базы данных.

Анализ взаимосвязей основных характеристик гидрометеорологического режима водохранилищ различных морфологических типов и разработка комплексного гидрологического критерия показали, что для целей классификации можно ограничиться среднемесячными,, а в некоторых случаях даже среднегодовыми значениями. Длина рядов наблюдений за исследуемыми характеристиками должна насчитывать не менее 50 значений., желательно за период 7-10 лет. ....

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в сле-дувдем. '

1. Систематизированы данные по основным гидрометеорологическим характеристикам водохранилищ: Братского, Выгозерско-Ондского, Нарвского, Иваньковского, Самгорского,.Сионского, Кайраккумского, Каттакурганского. На основе статистической обработки имеющихся рядов наблюдений выполнен сравнительный анализ их гидрометеорологических режимов.

2. Произведен корреляционный анализ основных, характеристик гидрометеорологического режима исследуемых водохранилищ, выявлены виды фуикций, описывающие полученные связи и показано влияние морфологического типа и размера водоема на вид этих функций.

3. На основе имевдейся гидрологической информации проанализированы характеристики, с помощью которых можно описать гидрологи-

ческий режим водохранилищ и но которым рассчитан комплексный критерий для каждого из исследуемых водохранилищ.

4. С помощью полученного критерия проведен анализ степени изменения гидрологических режимов исследуемых водохранилищ после зарегулирования. ,

5. Прэдлокэн перечень характеристик гидрометеорологического режима и основных параметров водоемов необходимых для составления классификационных схем л банков данных водохранилищ, с целью получения однородной информации о них.

6. Даны рекомендации по частоте и периодичности измерений гидрометеорологических характеристик и длине рядов наблюдений, необходимых для целей классификации а мониторинга.

7. Предложенный в работе комплексный гидрологический критерий с некоторыми допущениями может быть использован при экваториальном районировании водоемов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следувщих работах:

1. О связи минерализации, водного и термического режимов во-, доема /на примере Иваньковского водохранилища/. //Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Гидрология 2000 года". - Москва, 1936. -С. 142-143 /в соавторстве с В.Т.Григорьевым,К.В.Хирпичниковой/.

2. Исследование связи минерализапии с водным и термическим режимами водоема на примере верхнего участка Иваньковского водохранилища. //Водные ресурсы. - 1988. - № 1. - С. 100-104 /.в соавторстве с В.Т.Григорьевым/.

3. Критерий изменчивости гидрологического режима водных объектов. //Гидротехническое строительство. - 1994. - № 7. - С. 3-7 /в соавторстве с В'ЛС.Дебольским/.

4. Исследование взаимосвязей минерализации воды водохранилищ различных морфологических типов с характеристиками их водного режима по данным мониторинговых наблюдений.//Тезисы докладов 2-й Всероссийской конференции по математическим проблемам экологии. -Новосибирск, 1994. - С. 18-19 /в соавторстве с 0.3.Рожковым/.

_ 5. Комплексная опенка гидрологического режима водных объектов до и после зарегулирования. //Тезисы докладов 17 Конференции "Динамика и терлика рек, водохранилищ, внутренних и окраинных морей",-Москва, 1994. - Т. 1.-С. 63-65.

6. Исследование взаимосвязей минерализации воды водохранилищ различных морфологических типов с показателями их водного рбз»има. (Водные ресурсы, в печати)-