Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методика оценки статистических характеристик группировок минимального стока

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Методика оценки статистических характеристик группировок минимального стока"

Министерство образования и науки Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

На правах рукописи УДК 556 167 + 556 165

и031-?06-75

Громова Марина Николаевна

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУППИРОВОК МИНИМАЛЬНОГО СТОКА

Специальность 25 00 27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

_ л . „ , Г\ п ^ 'Л

кандидата технических наукУ ЫКи ¿Ьии

Санкт-Пе гербург 2008

003170675

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом университете

Научный руководитель. Заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук профессор В В Коваленко Научный консультант. кандидат технических наук

НВ Викторова Официальные оппоненты Заслуженный эколог РФ

доктор географических наук профессор В.А. Шелутко кандидат технических наук доцент В Л Трушевский

Ведущая организация. Государственный гидрологический институт (ГГИ)

Защита диссертация состоится «19» июня 2008 г, в 15— часов на заседании специализированного совета (Д 212 197 02) Российского государственного гидрометеорологического университета по адресу 195196, г Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета

Автореферат разослан «19» мая 2008 г

Заслуженный работник высшей школы РФ, Ученый секретарь специализированного сорта кандидат географических наук г- /-г]/^'

Воробьев В Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время уделяется серьезное внимание возможным тенденциям изменения гидрологического режима под воздействием климатических вариаций и хозяйственной деятельности Разрабатываются общие и региональные методики долгосрочных прогнозов речного стока Среди прогнозируемых величин особое место занимают характеристики минимального стока и его многолетних колебаний Они широко используются в национальном хозяйстве, особенно при водохозяйственном проектировании. Важным является их изучение и оценка в современных условиях возрастающего дефицита водных ресурсов и ухудшения экологического состояния водных систем и отдельных водных объектов в районах интенсивного водопотребления Особую значимость приобретает постановка задачи о выбросах случайного процесса минимального стока за определенный уровень заданной обеспеченности С точки зрения практической гидрологии решение этой задачи отвечает на вопрос о группировках лет с водностью ниже некоторого заданного значения (их продолжительности и частоты появления) Это актуально, например, для гидроэнергетики и водоснабжения Имея карты подобных характеристик в условиях нового климата, мы фактически прогнозируем статистические характеристики засух

Цели и задачи исследования Цель данного исследования - разработка методики оценки характеристик группировок минимального зимнего и летне-осеннего стока России при стационарном гидрометеорологическом режиме и при возможных изменениях климата

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи - собраны и статистически обработаны данные о минимальном 30-суточном зимнем и летне-осеннем стоке рек России,

- численно оценены характеристики группировок (частота и длительность), соответствующие стационарному гидрологическому режиму и получен комплект карт с применением ГИС-технологий;

- выполнена параметризация стохастической модели формирования минимального стока для стационарной гидрологической ситуации на территории России,

- выполнена сценарная оценка вероятностных характеристик минимального стока с использованием стохастической модели, основанной на уравнении Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), при возможном изменении климата и построены соответствующие карты,

- выполнена оценка характеристик группировок минимального стока на различные временные интервалы с учетом изменения климатической ситуации и получен комплект карт возможных их изменений в будущем и карт отклонений значений этих характеристик от таковых, соответствующих стационарному гидрометеорологическому режиму,

- оценены возможные пути использования полученных результатов

Методика исследований и исходный материал Решение перечисленных задач проводилось численными методами на основе статистической обработки исходной гидрологической информации Для расчета характеристик группировок использовался аппарат теории выбросов с помощью программ, написанных на языке Pascal Решение задачи долгосрочных оценок характеристик минимального стока осуществлялось при помощи математического моделирования на основе уравнения ФПК

Для построения карт использовались программы Surfer и Idrisi

Научная обоснованность и достоверность положений и выводов подтверждается статистической оценкой промежуточных результатов, а также использованием теории марковских случайных процессов, приводящих к уравнению Пирсона, описывающему стационарные процессы формирования стока

Научная новизна и практическая значимость В ходе проведенного исследования были получены следующие основные результаты

1 Выполнена параметризация стохастической модели формирования минимального стока на территории России с плотностью 30 км2 на расчетную точку

2 Произведена оценка характеристик группировок минимального стока, соответствующих стационарному гидрометеорологическому режиму Построены карты этих характеристик

3 Выполнена сценарная оценка вероятностных характеристик минимального 30-суточного стока с учетом климатического сценария, при котором происходит повышение температуры воздуха в будущем и почти повсеместное увеличение количества осадков Построены карты этих характеристик, позволяющие оценивать чувствительность различных отраслей национального хозяйства к возможным изменениям статистических характеристик минимального стока

4 Выявлены и построены зависимости коэффициента корреляции между смежными рядами минимального стока и такими характеристиками, как модуль минимального стока и коэффициент вариации Первые использовались для определения коэффициентов г(1) в новой климатической ситуации

5 Выполнена оценка возможных значений характеристик (частоты и продолжительности) группировок минимального стока с учетом возможных изменений климата Построены карты этих характеристик

6 Рекомендованы пути возможного практического применения полученных результатов

Практическое применение результатов диссертации определяется возможностью использования полученных карт статистических характеристик минимального стока при оценке чувствительности производственных функций различных отраслей экономики к вариациям гидрологической ситуации вследствие изменения климата

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы кафедры гидрофизики и гидропрогнозов РГГМУ «Моделирование и прогнозирование гидрологических процессов в условиях антропогенного изменения речного стока», а также двух тем («Фрактальная диагностика речного стока для целей частично инфинитного прогнозирования гидроэкологических катастроф» и «Частично инфинитный механизм в моделировании и прогнозировании гидрологических катастроф»), выполняемых по заданию федерального агенства по образованию на проведение научных исследований (№№ roc per 01 2004 09546, 0Г 2006 03264) Ее результаты внедрены в учебный процесс по специальности «Гидрология» - 07 32 00

На защиту диссертации выносятся

- результаты оценок характеристик группировок минимального 30-суточного летне-осеннего и зимнего стока, соответствующих стационарному гидрометеорологическому режиму,

- результаты сценарных оценок вероятностных характеристик минимального 30-суточного стока для территории Сибири и Дальнего Востока по одному из возможных климатических сценариев,

- закартированные результаты сценарных оценок частоты и продолжительности выбросов случайного процесса минимального стока для территории России,

- методика долгосрочной сценарной оценки характеристик группировок минимального стока при возможном изменении климата (для равновесных климатических сценариев)

Апробация работы Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов, итоговых сессиях ученого Совета РГГМУ в 2005, 2006 г г, на конференции молодых ученых «Изменение климата и окружающая среда» в 2005 г, на VI международном молодежном экологическом форуме стран Балтийского региона «Экобаптика» в 2006 г, на политехническом симпозиуме «Молодые ученые -

промышленности Северо-Западного региона» в 2006 г, на дне молодого ученого в Политехническом университете в 2007 г.

По теме диссертации опубликовано 9 работ

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 81 источника, 4 приложения Работа изложена на 165 страницах текста, включая 32 рисунка и 9 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагается актуальность темы, а также основные цели и задачи диссертации

В первой главе рассматривается влияние основных физико-географических факторов на формирование и распределение по территории России минимального стока Оцениваются возможные изменения основных факторов, формирующих минимальный сток Приводятся существующие методы оценки гидрологических последствий изменений климата Описываются существующие прототипы данной методики Ставятся задачи исследования

Во второй главе описываются исходные данные и математический аппарат, который лежит в основе разрабатываемой методики

Экспериментальными данными для расчета и прогноза характеристик группировок служили ряды наблюдений за минимальным 30-суточным зимним и летне-осенним стоком на территории России, приведенные в изданиях Государственного водного Кадастра (Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши) При этом использовалась информация по створам на реках с водосборной площадью в пределах от 1200 до 50000 км2 в зависимости от территориального расположения и рельефа местности Рассматривались реки, сток которых не искажен влиянием антропогенной дея-

тельности Для расчетов было отобрано 365 рядов наблюдений за минимальным 30-дневным зимним стоком, и 450 рядов - за минимальным 30-дневным летне-осенним Средняя продолжительность рядов наблюдений составила 40 лет После статистической обработки выяснилось, что из всех исходных гидрологических рядов репрезентативными оказалось для зимнего стока 354 ряда, для летне-осеннего - 421.

Основной моделью в диссертации служила стохастическая модель формирования стока Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК) Исследование возможности прогнозирования по этой модели характеристик минимального стока было выполнено Н В Викторовой в 2002 г. Однако эти исследования остались логически не полностью завершенными, так как, во-первых, рассматривалось только несколько регионов Европейской территории России, а, во-вторых, были опущены вопросы, связанные с прогнозом характеристик выбросов, что является основой данной диссертационной работы Уравнение ФПК имеет вид

dt dQ 2 qql

где p (Q, t) - плотность вероятности расхода воды;

Q - расход воды в замыкающем створе, t - время,

A(Q, t) и B(Q, t) - соответственно коэффициенты сноса и диффузии, определяемые по выражениям1

А = -(с + О 5G? )Q- 0 SGjvtf + JV; B = GtQ2-2GtM+GM,

где - интенсивность внутреннего шума (с ),

- интенсивность внешнего климатического шума (л^),

- взаимная интенсивность шумов,

си N - соответственно статистические нормы бассейновых и кли-

матических шумов

В установившемся режиме (а климатические сценарии предполагают равновесную ситуацию), уравнение ФПК переходит в уравнение Пирсона

¿р = 6-д ^

¿о+^е+^.е2

где а, и ¿>2 - параметры, которые характеризуют физико-статистические свойства водосбора и рассчитываются по формулам

а -

+2Ы

сЫ_,

2с + в7 '

Ь =-сл_

2 с + С?

Ь, =

2с + в=

с

(4)

2 с +

Процедура прогнозирования состоит из следующих этапов

1) параметризация модели, то есть определение численных значений коэффициентов, соответствующих текущей климатической ситуации и уровню хозяйственной деятельности,

2) задание внешнего воздействия (приземной температуры воздуха и нормы годовых осадков из заданного климатического сценария),

3) задание трендов хозяйственной деятельности, демографии и т д с помощью коэффициентов, входящих в модель,

4) численное интегрирование уравнения ФПК (прогноз характеристик стока на требуемую заблаговременность) Обоснованность применимости этой модели объясняется тем, что она подходит для всех видов многолетнего стока, в частности для минимального, так как ее решением в равновесном (квазистационарном) режиме является семейство кривых Пирсона, которыми (как правило) исчерпываются запросы практической гидрологии

При оценке характеристик группировок минимального стока использовался аппарат теории случайных выбросов. Ряд минимального стока рассматривался как случайная последовательность, так как для него характерны иррегулярные колебания и дискретное задание данных

Случайная последовательность {хк }(& = 0, ±1, ±2 ) удовлетворяет условию стационарности Это означает, что любая м-мерная плотность распределения вероятности рДх, , , ,х,т) зависит только от взаимного

расположения моментов времени ц,12, , 1т и не меняется при сдвиге всех отсчетов на одни и те же интервалы времени т

Рх ' Х12 ' Х1,„ )= Рх > Х12+Т > • 5 Х1/г1+Г )

Считается, что в /-тый момент времени имеет место выброс случайной последовательности {Хк } сверху вниз (отрицательный выброс), если

хы>а, х,<а (6)

В данном случае за значение а принят расход воды в реке, ниже которого не могут быть полностью удовлетворены промышленно-бытовые или какие-либо другие требования (минимальный 30-суточный расход 80 %-ной обеспеченности) В этом случае число выбросов сверху вниз и их продолжи-

тельность показывают, сколько раз за интересующий нас промежуток времени будут наблюдаться перебои с водоснабжением и какая будет их длительность Если данные показатели выше допустимых, то встает вопрос о дополнительных источниках водоснабжения.

В данной работе рассчитывались основные характеристики группировок, такие как средняя их длительность и частота появления Частота группировок рассчитывается по формуле

и = р{х0<а,х1>а\ (7)

где р{х0 < а, Л] > а} находится по зависимости

р{х0 <а,Х,>а}= (х,, х2 , (8)

где рх(х[, х2) - двумерная плотность распределения смежных членов последовательности [хк

Средняя длительность отрицательной группировки

ЕГ = М*о>д} (11)

Р{х0 > а)

или

ЕГ=\_-р<^>а] (12)

В работе В А Румянцева и И.В Бовыкина было предложено осуществлять предварительную нормализацию исходного ряда {*,} Нормализованные значения У1 удобно получать с помощью преобразования, которое нашло широкое применение при использовании метода Монте-Карло

где Р(х,) - одномерная функция распределения исходного ряда,

Ф"1 - функция, обратная функции распределения случайной величины, распределенной по нормальному закону с параметрами ноль и единица

Преобразованный таким образом ряд значений {У,} находится во взаимно однозначном соответствии с исходным рядом {Х^ и подчиняется одномерному закону распределения N(0, 1) Если взять величину Ъ, удовлетворяющую условию

Ь = ф-'(Да)), (14)

то каждой группировке значений минимального 30-дневного стока {Л1,} относительно уровня а будет однозначно соответствовать аналогичная группировка значений {У,} относительно уровня Ь

Расчет характеристик группировок минимального стока подразумевает выполнение следующих этапов

1) определение коэффициента вариации исходного гидрологического

ряда,

2) расчет коэффициента автокорреляции между смежными членами ряда минимального стока,

3) осуществление нормализации исходного асимметричного ряда и определение коэффициента корреляции между смежными членами нормальной нормированной последовательности,

4) определение характеристик группировок по соответствующим таблицам в зависимости от коэффициента автокорреляции нормализованного ряда и уровня, ниже которого и рассчитываются выбросы минимального стока

Для оценки изменения характеристик группировок необходимо иметь информацию об изменении значений коэффициентов вариации и автокорреляции г( 1) в новых климатических условиях

Для частоты появления группировок V и средней продолжитель ности отрицательных группировок ЕГ входными параметрами для таблиц служат уровень Ь и коэффициент корреляции между смежными членами нормированной последовательности {у,} Как таковой методики для прогноза коэффициента корреляции между смежными членами ряда минимального стока найдено не было В этом случае целесообразно применять графические зависимости и аналитические выражения, связывающие величину коэффициента корреляции между смежными членами ряда и такими характеристиками стока, как среднемноголетний модуль М, коэффициент вариации и т д Последние прогнозируются при помощи стохастической модели формирования стока ФПК Используя найденное значение коэффициента корреляции нормированного ряда, соответствующего новой климатической ситуации, при заданном уровне водности Ь, определяется частота появлений и средняя длительность группировок минимального 30-дневного стока в будущем при изменении водности

В третьей главе рассчитываются основные характеристики группировок минимального стока, соответствующие стационарной гидрометеорологической ситуации и дается сценарная оценка статистических характеристик и характеристик группировок на различные временные интервалы с учетом наиболее вероятного климатического сценария Для сценарной оценки выбросов необходима информация о возможном изменении коэффициента корреляции между смежными членами ряда в будущем В диссертации был сделан новый шаг в прогнозировании коэффициента автокорреляции с использованием связи, существующей между коэффициентом автокорреляции, модулем минимального стока и коэффициентом вариации Подобная связь была установлена по имеющимся рядам наблюдений. Полученное поле точек ока-

запось достаточно хаотичным, однако после разбиения его на определенные градации, удалось получить статистически значимые зависимости (рисунок 1)

<0

\

0,5 п

0,4 -

0,4

0,3

0,3 1

0,2

0,2

/?2 = 0 78

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 М, л/с км2 —►

б) | 0,6 - 0,4 -| ^ 0,2 0

г* » ♦ » | « 4 ♦ —ч»

0,00 4,00 8,00 12,00 16,00 20,00 М, л/с км2 ^

Рисунок 1 - Зависимость г(1) =]{М) для минимального 30-суточного зимнего (а) и летне-осеннего (б) стока на территории России

Полученные результаты представлены в виде карт вероятностных характеристик минимального стока и карт отклонений характеристик группировок минимального стока в новой климатической ситуации от тех, которые соответствуют стационарному гидрометеорологическому режиму (рисунки 2, 3)

[//1 - районы с отрицательными г(1)

Рисунок 2 - Изолинии возможных отклонений частоты группировок минимального 30-суточного зимнего стока от существующих к 2100 году, %

\/Л - районы с отрицательными г(1) Рисунок 3 - Изолинии возможных отклонений длительности группировок минимального 30-суточного летне-осеннего стока от существующих к 2100

году, %

На основании полученных результатов, можно сделать следующие выводы Возможное потепление на Земле в значительной степени скажется на вероятностных характеристиках минимального стока России К 2100 году их изменение составит 20 % Что касается характеристик выбросов, то влияние изменения климата на них при использованном сценарии скажется меньше С практической точки зрения, результаты исследований могут быть применены при составлении водохозяйственных балансов на перспективу, при усовершенствовании методик экологического использования речных бассейнов

В заключении сформулированы основные результаты исследований-

1 Впервые произведена оценка характеристик группировок минимального 30-суточного зимнего и летне-осеннего стока, соответствующих стационарному гидрометеорологическому режиму и построены карты этих характеристик для большей части территории России,

2 Получена сценарная оценка вероятностных характеристик минимального 30-суточного стока при одном из возможных климатических сценариев для территории Сибири и Дальнего Востока, а также построены карты этих характеристик,

3 Разработана методика прогнозирования коэффициента автокорреляции на основе выявленной связи этого коэффициента с модулем минимального стока и коэффициентом вариации,

4 Выполнена сценарная оценка частоты и продолжительности группировок минимального стока для территории России и построены соответствующие карты

В приложении представлены результаты расчетов, а также справка об эффективности результатов исследований

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1 Оценка влияния возможных изменений минимального стока на экономическое развитие северо-запада ЕТР // Материалы итоговой сессии уче-

ного совета 27 - 28 января 2004 года Информационные материалы Часть I Секции метеорологии, гидрологии, экономических и социально-гуманитарных наук - СПб изд РГГМУ, 2004 - С 66 - 67 (в соавторстве с Н В Викторовой);

2 Влияние возможных изменений минимального стока на экономическое развитие Северо-Запада ЕТР // Проблемы современной гидрологии Сборник научных трудов РГГМУ - СПб изд РГГМУ, 2004 - С 45 - 53 (в соавторстве с Н В Викторовой),

3. Прогнозы стока на территории Северо-Запада ЕТР // Материалы итоговой сессии ученого совета 25 - 26 января 2005 года. Информационные материалы - СПб изд РГГМУ, 2005 - С 8-9 (в соавторстве с С М Губановым)

4 Оценка характеристик выбросов минимального стока ЕТР // Сборник трудов международной школы-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда» - СПб Изд «Гранд»,2005 -С 177-183

5. Оценка и прогноз характеристик выбросов минимального стока рек ЕТР // Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета 25 - 26 января 2006 года - СПб изд РГГМУ,2006-С 12-13

6 Application of stochastic model for the forecast of the minimal runoff of the nvers of basin of the Baltic sea // Сборник трудов VI международного молодежного экологического форума стран Балтийского региона «Экобалтика» -СПб Изд СПбГПУ, 2006 - С 139(в соавторстве с НВ Викторовой)

7 Прогноз характеристик минимального стока для целей управления водными ресурсами // Материалы конференций Политехнического симпозиума «Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона» -СПб Изд СПбГПУ, 2006 - С 13 (в соавторстве с Н В Викторовой)

8 Влияние нормы модуля и коэффициента вариации минимального стока на коэффициент корреляции между смежными членами ряда

Электронный журнал "Исследовано в России", 230, стр 2199-2205, 2006 г http.//zhurnal аре relarn m/articles/2006/230 pdf (в соавторстве с Н В Викторовой)

В рецензируемых журналах из списка ВАК

9 Прогноз характеристик минимального стока для целей управления водными ресурсами // Научно-технические ведомости СПбГПУ - СПб : Изд СПбГПУ, 2007. - № 2 (50) - С 284 - 287 (в соавторстве с Н В Викторовой)

Отпечатано с готового оригинал-макета в ЦНИТ «АСТЕРИОН» Заказ № 149. Подписано в печать 14.05 2008 г. Бумага офсетная Формат 60х841/16 Объем 1,25 п. л. Тираж 100 экз. Санкт-Петербург, 191015, а/я 83, тел. /факс (812) 275-73-00, 275-53-92, тел 970-35-70

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Громова, Марина Николаевна

Сокращения.

Нормативные ссылки.

Введение.

1 Особенности формирования минимального стока рек России и постановка задачи.

1.1 Влияние физико-географических факторов на формирование минимального стока и его распределение по территории России.

1.2 Возможные изменения факторов, формирующих минимальный сток.

1.3 Существующие методики прогноза характеристик минимального стока

1.4 Постановка задачи.

2 Исходные данные и методика исследований.

2.1 Исходные данные.

2.2 Методика расчета характеристик группировок минимального стока.

2.3 Методика прогноза статистических характеристик и характеристик группировок минимального стока по стохастической модели.

3 Расчет характеристик минимального стока и их сценарная оценка на долгосрочную перспективу.

3.1 Расчет характеристик группировок минимального стока.

3.2 Сценарная оценка статистических характеристик минимального стока.

3.3 Сценарная оценка характеристик группировок.

3.4 Пути практического использования полученных результатов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Методика оценки статистических характеристик группировок минимального стока"

Для эффективного использования водных ресурсов и предотвращения ущерба от возможных неблагоприятных факторов нужно иметь достаточно надежное представление об изменении погодно-климатических, и как следствие, гидрологических условий.

В связи с этим возникает необходимость в долгосрочном и сверхдолгосрочном прогнозировании гидрометеорологических элементов.

При проектировании различных сооружений должна учитываться динамика природных процессов. С ней в будущем надо увязывать все водохозяйственные мероприятия. Причем при составлении схем комплексного использования рек на перспективу необходимо иметь данные о тех или иных гидрологических величинах, главным образом, в отношении их распределения по территории.

В настоящее время уделяется серьезное внимание вопросу о тенденциях изменения гидрологического режима под воздействием таких факторов, как изменение климата и хозяйственная деятельность на водосборах. Разрабатываются общие и региональные прогнозы речного стока для разных территорий. Среди прогнозируемых величин особое место занимает минимальный сток и его многолетние колебания по территории. Это одна из основных гидрологических характеристик, широко используемых в национальном хозяйстве, особенно в водохозяйственном проектировании. Особенно важным его дальнейшее изучение и оценка становятся в современных условиях возрастающего дефицита водных ресурсов и ухудшения экологического состояния водных систем и отдельных водных объектов в районах интенсивного водопо-требления. Также особую значимость приобретает задача о выбросах случайного процесса минимального стока за определенный уровень заданной обеспеченности. С точки зрения практической гидрологии решение этой задачи отвечает на вопрос о группировках лет с водностью ниже некоторого заданного значения (их продолжительность и частота появления). Все это имеет важное значение для многих отраслей хозяйства, например в гидроэнергетике и водоснабжении. Имея карты этих характеристик в условиях нового климата, мы имеем фактически прогноз статистических характеристик засух. Для оптимального планирования хозяйственной деятельности на водосборах, при решении вопросов о переброске стока в другие районы, нужно иметь надежные данные о необходимом для восполнения объеме воды (уметь определять распределение объемов выбросов) и адекватно оценить, как изменятся характеристики группировок при возможном изменении гидрологического режима. Изменения водных ресурсов, происходящие под влиянием антропогенной нагрузки на водную среду и речные бассейны, проявляются в первую очередь на низком, минимальном стоке рек как наиболее чувствительном водном индикаторе, лимитирующем водопотребление и водопользование.

Для предсказания многолетних колебаний речного стока широко используется метод математического моделирования. Одним из путей его использования для прогноза гидрологической ситуации является применение стохастической модели Фоккера-Планка—Колмогорова (ФПК) [1].

В качестве решения данной модели получаются различные распределения семейства кривых Пирсона. В гидрологии наиболее распространена кривая Пирсона III типа, а также ее трансформации.

Методика прогнозирования колебаний стока на основе данной модели позволяет давать решение в виде кривой обеспеченности и позволяет оценивать устойчивость сложившегося гидрологического режима к вариациям климата и хозяйственной деятельности.

Но есть и недостатки. При использовании уравнения ФПК делается ряд допущений, например, некоторые параметры модели при прогнозах остаются постоянными, так как при сегодняшнем уровне развития гидрометеорологии нет никакой информации об их изменении в новом климате. Подробнее о различного рода допущениях в рассматриваемой модели описано в главе 1.

Цель данного исследования - разработка методики долгосрочных сценарных оценок характеристик группировок минимального зимнего и летне-осеннего стока России при возможном изменении климата.

В качестве объекта исследования была выбрана территория России.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- собраны и статистически обработаны данные о минимальном 30-суточном зимнем и летне-осеннем стоке рек России;

- численно оценены характеристики группировок (частота и длительность), соответствующие стационарному гидрологическому режиму и получен комплект карт с применением ГИС-технологий;

- выполнена параметризация стохастической модели формирования стока, соответствующая текущей гидрологической ситуации;

- выполнена сценарная оценка вероятностных характеристик минимального стока на основе стохастической модели формирования стока Фокке-ра-Планка-Колмогорова при возможном изменении климата на различные интервалы времени и построены соответствующие карты;

- выполнена оценка характеристик группировок минимального стока с учетом изменения климатической ситуации и получен комплект карт этих характеристик, а также их отклонений от существующих;

- произведена оценка возможных путей использования полученных результатов в различных отраслях национального хозяйства.

Решение поставленных задач проводилось путем статистической обработки исходной гидрологической информации. Для расчета характеристик группировок использовался аппарат теории выбросов.

Статистическая обработка гидрологической информации и расчет характеристик выбросов осуществлялся с помощью программ, написанных на языке Pascal.

Решение задачи долгосрочных оценок характеристик минимального стока осуществлялась при помощи математического моделирования.

Для построения карт использовались программы Surfer и Idrisi.

Научная обоснованность и достоверность результатов подтверждается статистической оценкой промежуточных результатов.

Работа выполнялась в рамках Госбюджетной темы кафедры гидрофизики и гидропрогнозов РГГМУ «Моделирование и прогнозирование гидрологических процессов в условиях антропогенного изменения речного стока» и тем, выполняемых по единому наряд-заказу министерства образования и науки РФ (№№ гос. per. 01.2004 09546, 01.2006 03264), «Фрактальная диагностика речного стока для целей частично инфинитного прогнозирования гидроэкологических катастроф» и «Частично инфинитный механизм в моделировании и прогнозировании гидрологических катастроф». Ее результаты внедрены в учебный процесс по специальности «гидрология» — 07.32.00.

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов, итоговых сессиях ученого Совета РГГМУ в 2005, 2006 г.г., на конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда» в 2005 г., на VI международном молодежном экологическом форуме стран Балтийского региона «Эко-балтика» в 2006 г., на Дне молодого ученого в Политехническом университете в 2007 г.

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 81 источник, четырех приложений. Работа изложена на 165 страницах текста, включая 32 рисунка и 9 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Громова, Марина Николаевна

Заключение

Целью данного исследования являлась разработка методики долгосрочной оценки характеристик выбросов минимального зимнего и летне-осеннего стока России при возможном изменении климата.

В ходе проведенного в диссертации исследования были получены следующие основные результаты: впервые произведена оценка характеристик группировок минимального 30-суточного зимнего и летне-осеннего стока, соответствующих стационарному гидрометеорологическому режиму и построены карты этих характеристик для территории России; получена сценарная оценка вероятностных характеристик минимального 30-суточного стока по климатическому сценарию, связанному с удвоением СО2 в атмосфере для территории Сибири и Дальнего Востока, а также построены карты этих характеристик; разработана методика прогнозирования коэффициента автокорреляции на основе выявленной связи этого коэффициента с модулем минимального стока и коэффициентом вариации; выполнена сценарная оценка частоты и продолжительности группировок минимального стока для территории России и построены соответствующие карты.

В совокупности эти результаты позволяют утверждать, что достигнута главная цель диссертации, а именно разработана методика долгосрочных оценок характеристик группировок минимального стока при возможном изменении климата. Технологически эта методика состоит из следующих этапов: а) Выполняется параметризация стохастической модели формирования минимального стока; б) Оцениваются норма, коэффициент вариации и коэффициент автокорреляции рядов минимального стока; в) Используя идею нормализации асимметричных прогнозных распределений определяются и картируются характеристики группировок.

На защиту диссертации выносятся: результаты оценок характеристик группировок минимального 30-суточного летне-осеннего и зимнего стока, соответствующих стационарному гидрометеорологическому режиму; результаты сценарных оценок вероятностных характеристик минимального 30-суточного стока для территории Сибири и Дальнего Востока по климатическому сценарию, связанному с удвоением содержания углекислого газа в атмосфере; закартированные результаты прогнозных оценок частоты и продолжительности выбросов случайного процесса минимального стока для территории России; методика долгосрочной сценарной оценки характеристик группировок минимального стока (для равновесных климатических сценариев).

Практическое применение результатов определяется возможностью использования полученных карт статистических характеристик и характеристик группировок минимального стока при оценке чувствительности производственных функций различных отраслей экономики к изменениям гидрологической ситуации вследствие изменения климата.

Следует отметить, что в качестве внешнего воздействия при сценарных оценках характеристик минимального стока задавалась только норма среднегодовых осадков. В будущем можно усовершенствовать прогнозы, одновременно учитывая возможные изменения температуры воздуха, осадков и факторов подстилающей поверхности. Дальнейшая перспектива исследований в дальнейшем также сводится к «размораживанию» коэффициентов модели, а именно коэффициента стока, который принимается в зависимости как от климатических факторов, так и факторов подстилающей поверхности. Также через коэффициент стока можно учесть антропогенную деятельность на водосборах.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Громова, Марина Николаевна, Санкт-Петербург

1. Коваленко, В.В. Моделирование гидрологических процессов Текст. / В.В. Коваленко-СПб.: Гидрометеоиздат, 1993.-256 с.

2. Владимиров, A.M. Сток рек в маловодный период года Текст. / A.M. Владимиров.-JL: Гидрометеоиздат, 1976.—296 с.

3. Владимиров, A.M. Минимальный сток рек СССР Текст. / A.M. Владимиров.-JI.: Гидрометеоиздат, 1970. — 216 с.

4. Раковская, Э.М Физическая география России Текст. Ч. 1. Общий обзор. Европейская часть и островная Арктика / Э.М Раковская, М.И. Давыдова-М.: Гуманит. изд. центр Владос, 2003.-288 с.

5. Раковская, Э.М. Физическая география России Текст. Ч. 2 Азиатская часть, Кавказ и Урал / Э.М. Раковская, М.И. Давыдова—М.: Гуманит. изд. центр Владос, 2003.-304 с.

6. Ресурсы поверхностных вод Текст.: Монография. Т. 8. Северный Кавказ,—Л.: Гидрометеоиздат, 1973.-320 с.

7. Шикломанов, И.А. Влияние изменения климата на гидрологию и водное хозяйство Текст. / И.А. Шикломанов, Г. Линз //Метеорология и гидрология.-1991.-№ 4.-С.51 -66

8. Антропогенные изменения климата Текст. / Под ред. М.И. Будыко, Ю.А. Израэля.-Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-408 с.

9. Будыко, М.И. Предстоящие изменения климата Текст. / М.И Будыко. и др.-Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-256 с.

10. Будыко, М.И. Ожидаемые изменения климата СССР к 2000 г. Текст. /М.И. Будыко //Метеорология и гидрология—1991.-№ 4.-С.84 94

11. Шабалова, М.В. Модель изменения региональных климатических характеристик, основанная на палеоклиматических данных Текст. / М.В. Шабалова и др. //Метеорология и гидрология—1993.-№ 7.-С.345 — 443

12. Израэль, Ю.А. Адаптация водного хозяйства Российской Федерации Текст. / Ю.А. Израэль и др. // Глобальные изменения природной среды: Избр. науч. тр.-М., 1997.-С.373 -391

13. Атлас мирового водного баланса: Приложение к монографии «Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли» Карты.—М., JL: Гидрометеоиздат, 1974.-65 листов

14. Gleick, Р.Н. Methods for evaluating the regional hydrologic impacts of global climatic changes Text. / P.H. Gleick // J. Hydrol.-1986.-Vol. 88

15. Gleick, P.H. The development and testing of a water balance model for climate impacts assessment Text. / P.H. Gleick // Water Resources—1987.-Vol. 23

16. Bultot, F., Repercussions of a CO2 doubling on the water cycle and on the water balance. A case study for Belgium Text. / F. Bultot, A. Coppens, A. Dupriez, D. Gellens, F. Meulenberghs // J. Hydrol.-1988.-Vol. 99

17. Bultot, F. Simulation of the impact of CO2 atmospheric doubling on precipitation and evapotranspiration study of the sensitivity to various hypotheses Text. / F. Bultot, D. Gellens // Proc., Conf. on Climate and Water.-Helsinki, 1989

18. Shiklomanov, I. A. Anthropogenic change of climate, water resources and water management problems Text. / I.A. Shiklomanov // Proc., Conf. on Climate and Water, Helsinki, 1989

19. Георгиади, А.Г. Масштабы гидрологических изменений в бассейне реки Волги при антропогенном потеплении климата Текст. / А.Г. Георгиади, И. П. Милюкова // Метеорология и гидрология 2002 - № 2 — С.72 — 79

20. Георгиади, А.Г. Возможные изменения речного стока в бассейнах крупных рек Русской равнины в XXI веке Текст. / А.Г. Георгиади, И. П. Милюкова // Водное хозяйство 2006 - № 1.-С.62 - 77

21. Георгиади, А. Г. Речной сток в бассейне р. Волга в эпохи глобального потепления климата Текст. / А.Г. Георгиади, И. П. Милюкова // Экстремальные гидрологические события в Арало-Каспийском регионе: Труды международной научной конференции.-2006.-С.87 91

22. Георгиевский, В.Ю. Оценка влияния возможных изменений климата на гидрологический режим и водные ресурсы рек территории бывшего СССР Текст. / В.Ю. Георгиевский и др. //Метеорология и гидрология—1996-№ 11- С.89-99

23. Пивоварова, И.И. Учет метеорологических факторов в стохастической модели формирования годового стока Текст.: Дис. . канд. техн. наук: 25.00.27 защищена 10.12.98; утв. 11.06.99 / Пивоварова Инна Ивановна.-СПб., 1998.-129 с.-КТ№ 001547

24. Хаустов, В.А. Устойчивость вероятностных характеристик годового стока к антропогенным воздействиям Текст.: Дис. . канд. техн. наук: 25.00.27.- защищена 17.06.99; утв. 18.10.99 / Хаустов Виталий Александрович-СПб., 1999. 155 е.-КТ№ 007948

25. Громова, М.Н. Прогнозы стока на территории Северо-Запада ЕТР Текст. / М.Н. Громова, С.М.Губанов // Материалы итоговой сессии ученого совета 25 26 января 2005 года. Информационные материалы.-СПб.:Изд. РГГМУ,2005.-С.8 - 9

26. Указания по определению расчетных гидрологических характеристик. СН 435-72: одобрен в кач-ве нормат. док-та Гос. Комитетом Совета Министров СССР по делам строительства от 24 февраля 1972 г.-Л.: Гидрометеоиздат, 1972.-17 с.

27. Определение расчетных гидрологических характеристик. СНиП 2.01.14-83: одобрен в кач-ве нормат. док-та постановлением Гос. Комитета СССР по делам строительства от 15 июля 1983 г. № 186.-М.: Стройиздат, 1983.-97 с.

28. Атлас расчетных гидрологических карт и номограмм Карты.-Л.: Гидрометеоиздат, 1986—200 с.

29. Баранов, В.А. Карты минимального стока рек Европейской территории СССР Текст. / В.А. Баранов, Л.Н. Попов //Труды ГГИ.-1966-Вып.133 С.112 - 147

30. Баранов, В.А. Карты минимального стока рек Азиатской территории СССР Текст. / В.А. Баранов, 3. И. Петерсен, Л. Н. Попов //Труды ГГИ-1967.- Вып.139.-С.24 35

31. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 2 Бассейн Днепра.-JI.: Гидрометеоиздат, 1984.-148 с.

32. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 3 Бассейн Дона—JI.: Гидрометеоиздат, 1986 — 559 с.

33. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 5 Бассейны рек Балтийского моря, Ладожского и Онежского озер.-Л.: Гидрометеоиздат, 1982 — 686 с.

34. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 6 Бассейны рек Кольского полуострова — Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-220 с.

35. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 7 Бассейны рек западного побережья Белого моря, бассейн Кубани—Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-218 с.

36. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 8 Бассейны Онеги, Северной Двины и Мезени — ,Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-392 с.

37. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 9 Бассейн Печоры—Л.: Гидрометеоиздат, 1989271 с.

38. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 10. Бассейны Оби (без бассейна Иртыша), Надыма, Пура, Таза.-JI.: Гидрометеоиздат, 1984.-491 с.

39. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 11. Бассейн Иртыша.-Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-481 с.

40. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 12. Бассейн Енисея (без бассейна Ангары и Пясины).—Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-463 с.

41. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 13. Бассейн Ангары.-Л.: Гидрометеоиздат,1986.-289 с.

42. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 14. Бассейн Байкала.-Л.: Гидрометеоиздат,1987.-172 с.

43. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 15. Бассейн Лены (верхнее течение).—Л.: Гидрометеоиздат, 1986—263 с.

44. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 17. Бассейны Колымы и рек Магаданской области—Л.: Гидрометеоиздат, 1985.-429 с.

45. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 18. Бассейны рек Камчатской области.-Л.: Гидрометеоиздат, 1987.-385 с.

46. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 20 Бассейны Шилки, Аргуни и Амазара.-Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-243 с.

47. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 21. Бассейны Уссури и рек Японского моря.-Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-386 с.

48. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 23 Бассейн Волги (верхнее течение).-Л.: Гидрометеоиздат, 1986.-627 с.

49. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 24. Бассейн Волги (среднее и нижнее течение) и Урала—Л.: Гидрометеоиздат, 1985—517 с.

50. Государственный водный кадастр. Поверхностные воды. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши Текст. Ч. 1 Реки и каналы. Т. 1. Вып. 25. Бассейн Камы—JL: Гидрометеоиздат, 1986— 243 с.

51. Изменения климата и их последствия Текст.-СПб.: Наука, 2002269 с.

52. Румянцев, В.А. Пространственно-временные закономерности колебаний стока рек Евразии Текст. / В.А. Румянцев, И.В. Бовыкин.-Л.: Наука, 1985.-148 с.

53. Румянцев, В.А. Применение теории случайных выбросов к исследованию временных гидрологических рядов Текст. / В.А. Румянцев // Труды ГГИ.-1973 .-Вып. 211 .-С. 192 221

54. Болынев, Л.Н. Таблицы математической статистики Текст. / Л.Н. Большев, Н.В.Смирнов.-М.: Наука, 1983.-^-16 с.

55. Дружинин, B.C. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации. Учебное пособие Текст. / B.C. Дружинин, А.В. Сикан—СПб: Изд.РГГМУ, 2001.-170 с.

56. Митропольский, А.К. Техника статистических вычислений Текст. / А.К. Митропольский.-М.: Наука, 1971.-576 с.

57. Пространственно-временные колебания стока рек СССР / Под ред. А.В. Рождественского-Л.: Гидрометеоиздат, 1988.-376 с.

58. Громова, М.Н. Оценка характеристик выбросов минимального стока ЕТР Текст. / М.Н. Громова // Сборник трудов международной школы-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда»-СПб: Изд. «Гранд», 2005.-С.177 —183

59. Громова, М.Н. Оценка и прогноз характеристик выбросов минимального стока рек ЕТР Текст. / М.Н. Громова // Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета 25 — 26 января 2006 года-СПб.: изд. РГТМУ, 2006-С.12 -13

60. Раткович, Д.Я. Многолетние колебания речного стока Текст. / Д.Я. Раткович.-Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-256 с.

61. Рождественский, А.В. Статистические методы в гидрологии Текст. / А.В. Рождественский, А.И. Чеботарев-Л.: Гидрометеоиздат, 1972.-424 с.

62. Викторова, Н.В. Влияние возможных изменений минимального стока на экономическое развитие Северо-Запада ЕТР Текст. / Н.В. Викторова, М.Н.

63. Громова // Проблемы современной гидрологии. Сборник научных трудов РГГМУ .-СПб: изд. РГГМУ, 2004.-С.45 53

64. Викторова, Н.В. Прогноз характеристик минимального стока для целей управления водными ресурсами Текст. / Н.В. Викторова, М.Н. Громова // Научно-технические ведомости СПбГПУ.-2007.- № 2 (50).-С.284 287

65. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. СПЗЗ-101-2003: одобрен в кач-ве нормат. док-та пост. Госстроя России от 26 декабря 2003 г. № 218.-М.: Изд.Госстроя России, 2004.-74 с.

66. Раткович, Д.Я. Гидрологические основы водообеспечения Текст. / Д.Я. Раткович-М.: Изд. РАН, 1993.^130 с.

67. Временные методические рекомендации по установлению минимально допустимых расходов воды в реках для оценки возможных изъятий водных ресурсов при выдаче лицензий на специальное водопользование Текст. // Приложение 1 к письму от 17.01.97 № НМ-53/163

68. Фащевский, Б.В. Основы экологической гидрологии Текст. / Б.В. Фащевский -Минск: Экоинвест, 1996.-239 с.

69. Болгов, М.В. Пороговые стохастические модели минимального стока Текст. /М.В. Болгов, И.А. Филиппова//Метеорология и гидрология—2006 — № 3.-С.88 94

70. Болгов, М.В. Современные проблемы водных ресурсов и водообеспечения Текст. / М.В. Болгов, В.М. Мишон, Н.И. Сенцова.-М.: Наука, 2005 .-318 с.