Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Минимальный сток рек Северо-Западного региона Российской Федерации

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Минимальный сток рек Северо-Западного региона Российской Федерации"

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

УДК 556.535.3 На правах рукописи

Малышева Наталья Геннадьевна

МИНИМАЛЬНЫЙ СТОК РЕК СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Специальность 25.00.27 -гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

г о июн 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2013

005062147

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом Университете (РГГМУ)

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор

кандидат географических наук, начальник отдела гидрометеорологии Управления охраны окружающей среды ООО «Нефтегазгеодезия»

Ведущая организация:

Владимиров Анатолий Михайлович

Барышников Николай Борисович Комаринский Дмитрий Валентинович

Государственный гидрологический

институт

Защита состоится «20» июня 2013 г. в 15 час 30 мин на заседании Диссертационного совета Д 212.197.02 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., д. 98, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан

«20» мая 2013 г.

Ученый секретарь ^ / , /

Диссертационного совета , В Н Воробьев

канд. геогр. наук ^ Ч 7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Меженный сток является одним из важнейших индикаторов изменений водного режима реки, вызываемых антропогенным воздействием и колебаниями климата, а его количественные характеристики ключевыми в системе государственного мониторинга окружающей среды.

Данные о меженном стоке и минимальном стоке, как правило, наименьшем за 30-суточный период, используются в разработке проектов водоснабжения: питьевого, хозяйственно-бытового и промышленного. Характеристики меженного и минимального стока необходимы при проектировании атомных, тепловых и гидроэлектростанций, в горнодобывающей промышленности. Данные о минимальных расходах воды используются при решении вопросов, связанных с охраной вод от загрязнения при разработке экологических паспортов предприятий и оценке экологических ущербов.

В промышленно развитых районах, таких, как Северо-Западный регион РФ, сброс сточных вод в реки в меженный период может приводить к загрязнению реки в результате накопления загрязняющих веществ в русле даже в том случае, если сбрасываются очищенные технические воды.

Характеристики минимального стока играют определяющую роль при разработке мер по рациональному использованию и охране водных ресурсов. Они лимитируют водопотребление и водопользование, влияя на существование биоценозов экосистем. Таким образом, они являются лимитирующими для человеческого общества, а иногда и катастрофическими - в периоды длительных засух. Поэтому данные о минимальном стоке относятся к разряду основных гидрологических характеристик.

Актуальность диссертационной работы также обусловлена введением в действие Свода правил по определению основных расчетных гидрологических характеристик (СП 33-101-2003), предполагающего создание территориальных строительных норм (ТСН), которыми должны учитываться регио-

нальные особенности гидрологического режима и соответствующие методы определения расчетных характеристик.

Наряду с ТСН предполагается подготовка научно-прикладных территориальных Справочников с использованием гидрологических рядов, включающих данные последних лет наблюдений, необходимых для Госстроя РФ и других крупных и мелких организаций, требующих данных о минимальных расходах воды. При решении этих задач необходима систематизация региональных данных о минимальном стоке.

Цель и задачи диссертационного исследования:

Целью работы являлась разработка региональных методик для расчета минимального стока малых рек с обоснованием набора предикторов и структуры расчетных формул; построение современных карт минимальных летне-осенних и зимних модулей стока 80 %-ой обеспеченности для исследуемой территории; выполнение двухуровневого районирования территории Северо-Запада ЕТР по условиям формирования минимального стока с использованием спектрального и кластерного анализа.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- сбор и обобщение информации о минимальном стоке зимней и летне-осенней межени рек Северо-Запада ЕТР за период с начала наблюдений по 2011 г., включая выборки наименьших за сутки и за 30 суток расходов воды;

- сбор и обобщение информации о температуре воздуха и осадках за период с начала наблюдений по 2010-2011 гг.;

- первичный анализ информации и оценка трендов в рядах гидрометеорологических характеристик;

- статистический анализ исходной информации, включающий проверку рядов минимального стока на соответствие модели случайной величины, на однородность, оценку параметров распределения;

- обоснование выбора расчетной аналитической кривой, расчет минимальных расходов воды периодов летне-осенней и зимней межени 80 %-ой вероятности ежегодного превышения;

- районирование Северо-Запада ЕТР по условиям формирования зимнего и летне-осеннего стока;

- усовершенствование формулы СП 33-101-2003 и разработка новых формул для расчета минимального стока малых рек при отсутствии наблюдений для каждого гидрологически однородного района;

- построение новых карт изолиний 80 %- го модуля минимального стока летне-осенней и зимней межени для Северо-Запада ЕТР;

- расчет районных переходных коэффициентов от 30-суточных значений к суточным и от 80 %-ой обеспеченности к другим обеспеченностям;

- параметризация формулы расчета минимального стока озерных рек.

Материалы и методы:

В диссертационной работе использованы данные о суточных и 30-суточных минимальных расходах воды зимней и летне-осенней межени на реках Северо-Запада ЕТР за период с 30-40-х годов по 2011 г. по 107 пунктам стационарной сети наблюдений. При оценке климатической составляющей в формировании минимального стока использовались данные о среднемесячных значениях температуры воздуха и суммарных по месяцам осадках за период с начала наблюдений по 2010-2011 гг. по десяти метеостанциям исследуемого региона.

При подготовке отдельных глав диссертационной работы использовались методы гидролого-географического и гидролого-гидрогеологического анализов, а также статистического анализа гидрометеорологической информации, методы гидрологического районирования, включая метод сходства очертаний выборочных спектров и метод кластерного анализа.

Графические расчеты и построения производились с помощью ГИС «Maplnfo Professional». Спектральный и кластерный анализ осуществлялись в пакете статистического анализа «STATISTICA».

Научная новизна работы:

- Разработана новая методика расчета минимального стока малых рек СЗ ЕТР при отсутствии наблюдений.

- Построены новые карты изолиний модулей стока 80 %-ой обеспеченности летне-осенней и зимней межени для определения минимального стока средних рек СЗ ETC.

- Применены новые методы спектрального и кластерного анализа, позволившие избежать субъективизма при гидрологическом районировании территории.

На защиту выносятся:

- набор методик для расчета минимального стока малых рек СЗ ЕТР при отсутствии наблюдений с обоснованием набора предикторов и структуры расчетных формул;

- формула расчета минимального стока озерных рек с уточненными параметрами;

- карты модулей минимального стока 80 %-ой обеспеченности летне-осенней и зимней межени для средних рек СЗ ЕТР;

- районирование территории по условиям формирования минимального стока с использованием методов корреляционного, спектрального и кластерного анализа;

- обоснование способов аппроксимации эмпирических кривых обеспе-ченностей в условиях неоднородных выборок для исследуемой территории;

- оценка влияния климатических и антропогенных факторов на минимальный сток рек Северо-Западного региона РФ, а также при расчетах минимального стока рек в целях оценки водных ресурсов в наиболее напряжен-

ный по водности период года, при расчетах водоснабжния и водопользования.

Практическая значимость работы:

Практическая значимость проведенных в диссертационной работе исследований заключается в разработанной методике оценки минимального стока рек промышленно развитого региона, существующего в современных климатических условиях. Методика позволяет рассчитать минимальный сток малых и средних рек с достаточной для практики точностью и может быть включена в нормативный документ Госстроя России в форме раздела ТСН или подобного документа, а также при подготовке изданий по Водному Кадастру России.

Апробация работы:

Работа в целом была представлена и обсуждена на научном семинаре кафедры гидрологии суши РГГМУ (2012). Промежуточные итоги исследований представлялись в устных докладах с последующими публикациями на итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (2009, 2010,2012).

Результаты исследований докладывались на Международной научно-практической конференции «Мониторинг окружающей среды» (Брест, 2009).

Личный вклад автора:

Личный вклад автора включает формулировку цели и постановку задач работы, сбор и анализ данных наблюдений, выполнение расчетов, интерпретация полученных результатов, подготовку результатов исследований для использования в практике инженерных расчетов.

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 7 статей, две из которых в научно-теоретическом журнале по перечню ВАК «Ученые записки РГГМУ» (Малышева Н.Г. № 21, 2011; Владимиров A.M., Малышева Н.Г. № 24, 2012) и Ме-

тодические указания по дисциплине «Методы статистической обработки гидрометеорологической информации» (в соавторстве, 2003)

Структура работы:

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников, включающих 102 наименования, из которых 5 на иностранных языках и четырех приложений. Текст изложен на 150 страницах и включает 20 таблиц и 60 рисунков. Приложения занимают 40 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлена цель и определены задачи работы. Обозначена область практического применения результатов исследований.

В ГЛАВЕ 1 рассмотрены существующие методы расчета минимального стока, особое внимание уделяется нормативным документам по расчету основных гидрологических характеристик, в том числе последнему документу Госстроя РФ - СП 33-101-2003, а также публикациям последних лет, посвященным методам расчета стока в условиях неустановившегося климата, приводящего к не стационарности рядов гидрологических характеристик.

В ГЛАВЕ 2 дана оценка гидрологических характеристик рядов минимального стока зимней и летне-осенней межени Северо-Западного региона РФ; обозначен район исследований и объем исходной гидрометеорологической информации; исследованы линейные тренды в рядах минимального стока рек СЗЕТР.

Анализ трендов позволяет утверждать, что на реках исследуемой территории в период летне-осенней межени не произошло сколько-нибудь значительных изменений, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения стока воды. Ряды минимального стока летне-осенней межени рек СЗ ЕТР следует признать стационарными (однородными во времени).

В зимний период на всей территории наблюдается увеличение стока. Значимость трендов оценивалась по соотношению коэффициента корреляции Я для зависимости Qmin =Д7) и его среднеквадратической погрешности брассчитанной по формуле (1) при уровне значимости 2а = 5 %:

1-Д2 /л-1

(1)

где Я - коэффициент корреляции п - число членов ряда

При соотношении Л/стд > 2 тренд признавался значимым.

Статистически значимые линейные тренды в рядах минимального стока зимней межени, показанные на рисунке 1 и в таблице 1, в которой приводятся результаты оценки трендов, свидетельствуют о том, что ряды не стационарны.

= 0.02Х + 0.56 К2 = 0.17

1933 1946 1956 1966 1976 1986 1996 2006

р. Мга - д. Горы

у = 0.09х ♦ 13.2 Г*3 Ж 0.11

1921 1931 1941 1954 1964 1974 19в4 1994 2004

р. Луга — ст. Толмачево

у » О.ОЗх * 1.90 (^-0.12

1943 1953

1973 1983 1993 2003

р. Пчевжа - д. Белая

у = О.ОЭх + 2.54 ^«0.22

1935 1945 1955 1965 1975 1965 1995 2005

р. Паша — с. Поречье

Рисунок 1 - Минимальные 30-суточные расходы воды зимней межени

0201000201000101020100020102020102

0102010001310102010001020131310131010201020131013101

Таблица 1 — Оценка линейных трендов рядов минимального стока

Река-пункт Зимняя межень Летне-осенняя межень

Д ол Я! а к Я о*

р. Понча —пос. Пяозерский 0,64 0,12 >2 0,02 0,20 <2

р. Корпи-йоки — пос. Пяоз-кий 0,48 0,15 >2 0,03 0,20 <2

р. Така —пос. Кистеньга 0,45 0,16 >2 0,13 0,19 <2

р. Гороховка — с. Токарево 0,37 0,12 >2 0,07 0,14 <2

р.Сестра - пос. Белоостров 0,50 0,11 >2 0,24 0,13 <2

р. Мга — д. Горы 0,41 0,09 >2 0,04 0,13 <2

р. Луга — ст. Толмачево 0,33 0,09 >2 0,25 0,13 <2

р. Оять — д. Мининская 0,30 0,13 >2 0,04 0,14 <2

р. Паша - с. Поречье 0,50 0,09 >2 0,06 0,15 <2

р. Кашпа — д. Еремина Гора 0,44 0,12 >2 0,13 0,14 <2

р. Сясь — д. Яхново 0,36 0,12 >2 0,24 0,15 <2

р. Тигода — ст. Любань 0,28 0,12 >2 0,02 0,13 <2

р. Равань — д. Бабино 0,35 0,13 >2 0,05 0,15 <2

р. Шарья - д. Гремячево 0,30 0,13 >2 0,09 0,13 <2

р. Пчевжа — д. Белая 0,35 0,11 >2 0,14 0,13 <2

р. Мета - д. Девкино 0,42 0,10 >2 0,13 0,12 <2

р. Ловать — г. Великие Луки 0,24 0,13 >2 0,18 0,13 <2

р. Шелонь — д. Заполье 0,41 0,11 >2 0,25 0,13 <2

р. Шелонь — г. Порхов 0,39 0,13 >2 0,18 0,15 <2

Как показал анализ, значимые тренды в рядах минимального зимнего стока на территории Северо-Запада ЕТР связаны с наличием трендов в рядах климатических характеристик. В частности, в рядах среднемесячной зимней температуры воздуха, хорошо прослеживается тренд на повышение, начиная с середины 70-х годов по настоящее время. На рисунке 2 в качестве примера приведены хронологические графики средней температуры воздуха за холодный период года по метеостанциям Гридино и Тихвин.

Ср. температура воздуха за холодный период года (ЭД/)

Ср. температура воздуха за холодный период года (Э0-1П)

у = 0.12х -7.75 Ж1 = 0.17

' I "С

-2.0 -4.0 -6.0 -6.0 -10.0 -12.0

ш

= О.ОЗх - 5.42 Я* = 0.09

м. ст. Гридино м.ст. Тихвин

Рисунок 2 - Средняя температура воздуха за холодный период года

Повышение температуры воздуха в зимний период привело к увеличению оттепелей и повышению минимального стока. Формальная проверка в этом случае дает опровержение гипотезы об однородности гидрологических рядов по критерию Стьюдента.

Если считать, что потепление необратимо, то для корректной обработки ряда необходимо исключить тренд, а полученный ряд положительных и отрицательных отклонений наложить на новое среднее значение. При этом можно рассматривать несколько средних значений (в зависимости от принятого климатического сценария).

Однако нельзя исключить, что повышение температуры воздуха в зимний период носит временный характер в рамках естественно-природных колебаний климата и вслед за потеплением наступит период умеренного похолодания. Тогда мы должны принять гипотезу о том, что последние 30 лет мы наблюдаем многоводную фазу водного режима и на смену ей придет маловодная фаза. В этой ситуации, для оценки параметров распределения следует использовать весь имеющийся ряд и считать его условно однородным. В последнем случае, расчетные значения минимальных расходов воды обеспеченностью 80 % и менее будут ниже, чем при удалении тренда.

В диссертационной работе был выбран последний сценарий, так как завышение минимального стока в случае наступления маловодной фазы может

привести к тому, что многие гидротехнические сооружения, обеспечивающие водоснабжение городов, других населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий могут оказаться без воды с заданным уровнем надежности обеспечения. Если же режим повышенного минимального стока сохранится на период эксплуатации гидротехнических сооружений, то это может создать дополнительный запас надежности питьевого и технического водоснабжения.

В работе проводится анализ вероятностной структуры рядов минимального стока зимней и летне-осенней межени: проверка гидрологических рядов на соответствие модели случайной величины; проверка рядов на однородность с использованием статистических критериев Стьюдента и Фишера при уровне значимости 2а = 5%.

Проверка показала, что гипотеза о соответствии модели случайной величины опровергалась для рядов минимальных 30-суточных расходов воды зимней межени в 43 % случаев, а гипотеза об однородности по критерию Фишера — в 46 % и критерию Стьюдента — в 54 % случаев.

Производилась оценка статистических характеристик гидрологических рядов и выбор способа аппроксимации эмпирических данных при расчете минимальных расходов воды в условиях неоднородности рядов 30-суточного зимнего стока рек СЗ ЕТР.

Расчет оценок параметров распределения производился методом моментов. В том случае, когда коэффициент вариации Су превышал 0,6, параметры пересчитавались методом наибольшего правдоподобия.

Для неоднородных гидрологических рядов использовались усеченные кривые или сглаженные эмпирические в случае, если одна или несколько точек в области больших обеспеченностей имели резкое расхождение с аналитической кривой.

Для расчета минимальных расходов воды рек СЗ ЕТР заданной вероятности ежегодного превышения использовалась аналитическая кривая Криц-кого-Менкеля при значении Су/Су обеспечивающим наилучшую сходимость

кривых в области больших обеспеченностей. Пример подбора Сб/Су для р. Явосьма — д. Ушаково представлен на рисунке 3. В качестве расчетной была принята кривая Крицкого-Менкеля при значении Сл/Сг = 4.

Кр _

\

\ Cs II Ó

х \

\ \

Cs/C Y-з

' ■ \

Cs/Cv =2 ■

--

i.

•—.

===

0.01 0.1 1 5 10 30 50 70 90 95 99 99.9 Р, %

Рисунок 3 - Эмпирическая и аналитические кривые Крицкого-Менкеля для разных соотношений Cs/Cv минимальных зимних 30-суточных расходов воды р. Явосьма - д. Ушаково

Для расчета минимальных расходов воды заданной вероятности превышения в работе в 30 % случаев использовались усеченные кривые. Кривая полного и усеченного распределения для р. Тосна - г. Тосно представлена на рисунке 4.

Кр_

-- 1 1 4 1 1

- —- Кривая Кртдеого-МЬнкепя

-1- Усеченная кривая

4.1■

¡

1 1 ГТ5® ---

0.01 0.1 1 5 10 30 50 70 90 95 99 99.9 Р,%

Рисунок 4 - Кривые полного и усеченного распределений минимальных зимних 30-суточных расходов воды р. Тосна - г. Тосно

Если эмпирические кривые имели форму, при которой одна или несколько точек резко отклоняются в зоне больших обеспеченностей, что свидетельствует об истощении грунтового питания на отдельных реках в те годы, которым соответствуют отклоняющиеся точки, использовалась сглаженная кривая. На рисунке 5 представлена сглаженная эмпирическая кривая минимальных зимних 30-суточных расходов воды р. Плюсса — д. Брод.

Кр

4.2

3.6 3.0 2.4 1.8 1.2

0.«

О

0.01 0.1 1 5 10 30 50 70 90 95 99 99.9 Р,*/о

Рисунок 5 - Сглаженная эмпирическая кривая минимальных зимних 30-сугочных расходов воды р. Плюсса - д. Брод

ГЛАВА 3 посвящена районированию территории Северо-Западного региона РФ по условиям формирования минимального стока.

Приводятся сведения о широко применяемых методах гидрологического районирования и отмечаются сложности в проведении границ между районами, которые при использовании названных методов решаются исполнителем с некоторым субъективизмом.

Оценен метод гидрологического районирования основанный на сходстве очертаний выборочных спектров рядов гидрологических характеристик. Спектры оценивались для всех постов за один и тот же интервал времени. Были отобраны посты с наиболее длительными рядами наблюдений. Для периода зимней межени интервал времени составил 56 лет; для летне-осенней межени - 49 лет.

При анализе формы спектра учитывались значимые пики на периодах, составляющих не более 1/3 от длины рядов.

Метод предполагает наличие достаточного количества постов с продолжительными рядами наблюдений, поэтому не применялся для территории Карелии, районирование которой производилось по типу эмпирических зависимостей между расходом воды 80 %-ой обеспеченности и площадью водосбора. Для всей территории при районировании с использованием спектрального и кластерного анализа в качестве контрольных методов использовались методы выделения гидрологически однородных районов на основе синхронности колебания стока и по типу эмпирических зависимостей между минимальными расходами воды 08О% и площадью водосбора Р, что позвлило оценить физическую однородность условий формирования минимального стока.

Использование кластерного анализа для гидрологического районирования позволяет в достаточной степени формализовать процедуру выделения однородных районов по условиям формирования стока. В качестве метода для объединения объектов в кластеры использовался метод ^-средних.

При разбиении совокупности данных на кластеры в качестве признаков использовались координаты постов (долгота и широта в частях градусов) и значения спектральной плотности на определенной частоте (периоде).

Для периода летне-осенней межени при классификации в качестве признаков использовались значения спектральной плотности на периодах 2-3 года и 4-7 лет; для зимней межени - на периодах 3-5 лет и 7-9 лет.

Для проведения кластерного анализа все исходные данные были нормализованы по формуле:

V _ Х{ — X

х^рм. - --(2)

их

Нормированные ряды признаков имеют нулевое среднее значение и единичную дисперсию.

Наилучший результат пространственного объединения объектов получен, как видно из рисунка 6, при трех кластерах и четырех признаках.

а) б)

Рисунок 6 - Результаты кластеризации минимального летне-осеннего (а) и зимнего (б) стока для Северо-Запада ЕТР при 3-х кластерах и 4-х признаках

На рисунке 7 представлены карты, на которых выделены однородные по условиям формирования минимального стока районы СЗ ЕТР в период зимней и летне-осенней межени. Для летне-осенней межени выделено 6 районов; для зимней - 5.

Метод кластерного анализа предполагает наличие достаточного количества постов с продолжительными рядами наблюдений, поэтому не применялся для территории Карелии, районирование которой производилось по типу эмпирических зависимостей между расходом воды 80 %-ой обеспеченности и площадью водосбора. При этом методы выделения гидрологически однородных районов на основе синхронности колебания стока и по типу эмпирических зависимостей между минимальными расходами воды £>т% и площадью водосбора Т7 применялись в качестве контрольных для всей исследуемой территории.

а) б)

Рисунок 7 - Однородные районы по условиям формирования минимального стока рек СЗ ЕТР в период летне-осенней (а) и зимней межени(б)

В ГЛАВЕ 4 даны рекомендации по расчету минимального стока средних и малых рек СЗ ЕТР при отсутствии наблюдений.

Для оценки минимального стока средних рек построены карты изолиний 30-суточных модулей минимального стока 80 %-ой обеспеченности для зимней и летне-осенней межени с использованием данных последних лет наблюдений, представленные на рисунке 8.

У

а)

б)

Рисунок 8 - Карты изолиний минимального 30-суточного стока 80 %-ой обеспеченности рек Северо-западного региона РФ в период летне-осенней (а) и зимней (б)межени

Переходные коэффициенты к от 30-суточных модулей минимального стока 80 %-ой обеспеченности к 1-суточным значениям 80 %-ой обеспеченности, полученные отдельно для зимней и летне-осенней межени для каждого, из выделенных однородных районов, приведены в таблице 2. Таблица 2 - Переходные коэффициенты к для средних и малых рек

I район II район III район IV район V район VI район

Лето 0,78 0,84 0,85 0,84 0,73 0,82

Зима 0,89 0,91 0,88 0,84 0,85

В таблице 3 представлены переходные коэффициенты X от расходов

воды 80 %-ой обеспеченности к расходам других обеспеченностей.

Таблица 3 - Переходные коэффициенты X для средних и малых рек

75% 80% | 85% | 90% | 95% | 97% | 99%

I район

Лето 1,08 1,00 0,91 0,82 0,70 0,63 0,51

Зима 1,11 1,00 0,88 0,75 0,59 0,49 0,36

II район

Лето 1,07 1,00 0,90 0,83 0,72 0,66 0,56

Зима 1,07 1,00 0,92 0,83 0,72 0,65 0,53

III район

Лето 1,09 1,00 0,93 0,80 0,66 0,58 0,46

Зима 1,07 1,00 0,91 0,83 0,71 0,63 0,51

IV район

Лето 1,10 1,00 0,86 0,75 0,58 0,49 0,35

Зима 1,06 1,00 0,85 0,79 0,59 0,49 0,36

V район

Лето 1,08 1,00 0,86 0,78 0,70 0,61 0,54

Зима 1,04 1,00 0,95 0,89 0,80 0,71 0,66

VI район

Лето 1,07 | 1,00 | 0,93 | 0,79 | 0,75 | 0,65 | 0,54

В диссертации даны рекомендации по расчету минимального стока малых рек при отсутствии наблюдений. Для расчета минимального 30-суточного стока использовались многофакторные зависимости. Для каждого однородного района исследованы связи минимальных расходов воды <2ж/. с площадью водосбора Р и глубиной эрозионного вреза русла АН и определены параметры расчетных формул.

Показатель глубины эрозионного вреза рек СЗ ЕТР рассчитывался по формуле:

АЯ=Явдс6.-Яств. (3)

где АН - показатель глубины эрозионного вреза русла ■^вдсб. средняя высота водосбора, м

Нсп,. - отметка среднего наименьшего за период межени уровня воды, м

Значимость глубины эрозионного вреза выявлена при расчете минимального летне-осеннего стока для трех однородных районов, занимающих южную часть исследуемой территории.

В таблице 4 приведены расчетные формулы для определения минимального расхода воды опорной обеспеченности при отсутствии данных наблюдений для каждого однородного района в период зимней и летне-осенней межени.

Таблица 4 - Расчетные формулы

№ района Расчетная формула № района Расчетная формула

Летне-осенняя межень Зимняя межень

I Q 80% = 0,81 Fn АНп А18 I Q 80% = 0,03 F К1г 10 -J

П Q 80%= 3,42 Fn ",44 АНп м' II 2 80% = 0,04 F1-1" 10

Ш Q 8о% = 2,1 SFn АНп А"5 III Q 80% ~ 0,20 F 10 J

IV Q 80% = 0,05 F',bl 10'J IV i?8o% = 4,12 F'^10'''

V Q 80% = 4,00 F 10"J V 08O% = 3,1OF1'iu1O-j

VI n _ p 1,6!) {J 80% - г

Примечание: Fn= F/1000 ДЯл= ДЯ/100

Влияние озерности водосбора на минимальный сток исследовано в диссертации на примере рек сосредоточенных, главным образом, на территории Карелии и Карельского перешейка, относительная озерность большинства из которых составляет 5-23 %.

Формула A.M. Владимирова для расчета минимального стока малых рек, приведенная в СП 33-101-2003

Q%(fA=b{A±Ax)nSlS2X, (4)

где А — площадь водосбора, км2; А\, b, т — региональные константы, использована в диссертации, как одна из основных расчетных формул, официального нормативного документа Госстроя РФ.

Учет озерности осуществляется за счет введения повышающего коэффициента 5i при А \ = 0:

Ошл = ЬАт81 где 51 в общем случае определяется выражением

<5, =(1 + сЛз)л

(6)

В этом случае формула для расчета минимального расхода воды: 80 %-ой обеспеченности имеет вид:

(?)

Принимая в (7) один или несколько коэффициентов равными единице, можно получить более простые формулы. В частности, при с = 1 получаем:

Мт(1 + Лз)" (8)

а при п = 1 и т = 1 получаем:

6мм, =М(1 + с4,з) (9)

Следует отметить, что переход от классической формулы (4) к формулам (7-9) невозможно осуществить только за счет введения поправки 5] без корректировки всех параметров формулы.

В диссертации детально рассмотрен алгоритм оптимизации параметров формул (8-9).

Исследования влияния озерности водосбора на минимальный сток летне-осенней межени для рек Карелии и Карельского перешейка показали, что наилучший результат дает расчет по формуле (8).

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:

- анализ минимального стока зимней и летне-осенней межени выявил наличие значимых положительных трендов в рядах расходов воды зимнего периода и их связи с положительными трендами в рядах температуры возду-

ха холодного периода года, что позволяет сделать вывод о том, что увеличение зимнего стока за период 1975-2011 гг. можно объяснить климатическими причинами;

- для аппроксимации эмпирических кривых обеспеченностей в условиях неоднородных выборок в области больших обеспеченностей доказана целесообразность применения усеченного распределения и сглаженных эмпирических кривых;

- выполнено районирование территории по условиям формирования минимального стока и доказана целесообразность использования методов корреляционного, спектрального и кластерного анализов для выделения однородные районов;

- для каждого гидрологически однородного района разработана расчетная формула с обоснованием набора предикторов для определения расхода воды рек с площадями водосборов от 100 до 2000 км2 при отсутствии данных наблюдений, включая новую формулу расчета минимального стока озерных рек;

- построены новые карты модулей минимального стока 80 %-ой обеспеченности летне-осенней и зимней межени для средних рек и рассчитаны переходные коэффициенты от значений 30-суточного расхода воды к суточному и от расхода воды 80 %-ой обеспеченности, к расходам 75-97 %-ых обеспеченностей для каждого из однородных районов.

Полученные результаты могут быть использованы при подготовке Территориальных строительных норм (ТСН) и документов Государственного Водного кадастра.

Список публикаций по теме диссертации:

Статьи, опубликованные в изданиях, входящих в перечень ВАК

1 Способы аппроксимации эмпирических кривых обеспеченностей в условиях неоднородных выборок. Ученые записки РГГМУ. № 21. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2011. - С.25-31.

2 Оценка вероятности появления гидрологической засухи. Ученые записки РГГМУ. № 24. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2012. - С. 5-17. (Соавтор Владимиров A.M.)

Методические указания

3 Методические указания по дисциплине «Методы статистической обработки гидрометеорологической информации». - СПб.: Изд. РГГМУ, 2003. - 38 с. (Соавтор Сикан A.B.)

Статьи, опубликованные в периодических изданиях

4 Расчет минимального стока рек Брянской области. Проблемы современной гидрологии. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2004. - С. 169-172 (Соавтор Сикан A.B.)

5 Оценка вероятностной структуры рядов минимальных расходов воды рек Северо-Западного федерального округа РФ. Итоговая сессия Ученого совета РГГМУ. Тезисы докладов. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2006. - С. 5-7.

6 Исследование показателей инерционности речных систем. Ученые записки РГГМУ. № 7. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2008. - С. 23-28 (Соавтор Сикан A.B.)

7 Оценка влияния озерности водосборов на минимальный сток малых рек. Ученые записки РГГМУ. № 9. - СПб.: Изд. РГГМУ, 2009. - С.11-22 (Соавторы Сакович В.М., Сикан A.B.)

Материалы конференций 8 Малышева Н.Г. Расчет минимального стока рек СЗ РФ в условиях неоднородных выборок. Сборник материалов Международной научно-практической конференции «Мониторинг окружающей среды», Брест: Изд. БГУ им. A.C. Пушкина, 2010. - С.72-74.

Соискатель

Малышева Н.Г.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Малышева, Наталья Геннадьевна, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)

УДК 556.535.3

На правах рукописи

0420135^41 А Малышева Наталья Геннадьевна

МИНИМАЛЬНЫЙ СТОК РЕК СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Специальность: 25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор географических наук,

профессор A.M. Владимиров

Санкт-Петербург 2013

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................... 3

1 Методы расчета минимального стока................................... 8

2 Оценка гидрологических характеристик рядов минимального стока зимней и летне-осенней межени Северо-Западного региона

РФ......................................................................................................................................28

2.1 Анализ исходной гидрометеорологической информации.......... 29

2.2 Оценка трендов в рядах минимального стока зимней и летне-осенней межени, температуры воздуха и суммарных осадков.... 33

2.3 Анализ вероятностной структуры рядов минимального стока зимней и летне-осенней межени......................................... 58

2.3.1 Проверка гидрологических рядов на соответствие модели случайной величины..............................................................................................................59

2.3.2 Проверка гидрологических рядов на однородность с использованием статистических критериев......................................................61

2.3.3 Оценка пространственной корреляции минимального стока рек Северо-Западного региона РФ............................................ 62

2.4 Расчет минимальных расходов воды заданной вероятности ежегодного превышения по данным натурных наблюдений............69

2.4.1 Оценка статистических характеристик гидрологических рядов... 73

2.4.2 Обоснование выбора способа аппроксимации эмпирических данных при расчете минимальных расходов воды в условиях неоднородности..............................................................................................................................75

3 Районирование территории Северо-Западного региона РФ по условиям формирования минимального стока........................ 83

3.1 Существующие методы гидрологического районирования......... 83

3.2 Метод гидрологического районирования основанный на сходстве очертаний выборочных спектров рядов гидрологических характеристик....................................................................................84

3.3 Выделение однородных в гидрологическом отношении районов по условиям формирования минимального стока рек СевероЗападного региона РФ....................................................... 92

4 Расчет минимального стока рек Северо-Западного региона РФ

при отсутствии данных наблюдений..................................... 97

4.1 Принципы построения карт изолиний стока............................ 97

4.2 Карты изолиний 80 % модулей стока рек Северо-Западного региона РФ периодов зимней и летне-осенней межени.............. 100

4.3 Расчет минимального стока малых рек при отсутствии наблюдений........................................................................................................................................107

4.4 Расчет минимального стока озерных рек................................ 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................... 135

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................139

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А..................................................................................................................................151

Приложение Б....................................................................................................................................161

Приложение В..................................................................................................................................166

Приложение Г....................................................................................................................................171

Меженный сток является одним из важнейших индикаторов изменений водного режима реки, вызываемых антропогенным воздействием и колебаниями климата, а его количественные характеристики ключевыми в системе государственного мониторинга окружающей среды.

Данные о меженном стоке и минимальном стоке, как правило, наименьшем за период до 30 суток внутри меженного периода, применяются, прежде всего, в разработке проектов водоснабжения, как питьевого и хозяйственно-бытового, так и промышленного. Характеристики меженного и минимального стока необходимы при проектировании атомных, тепловых и гидроэлектростанций, в горнодобывающей промышленности. Данные о минимальных расходах воды необходимы при решении вопросов, связанных с охраной вод от загрязнения при разработке экологических паспортов предприятий и оценке экологических ущербов.

В промышленно развитых районах, таких, как Северо-Западный регион РФ, сброс сточных вод, превышающий минимальный сток рек, может приводить к загрязнению реки в результате накопления загрязняющих веществ в русле даже в том случае, если сбрасываются очищенные технические воды.

Оценка экологического стока, необходимого для поддержания экологической целостности речных экосистем [1], приобретающая в последнее время все большую актуальность, невозможна без количественной оценки минимального стока.

Большое значение данные о минимальном стоке имеют для сельского хозяйства в районах орошаемого земледелия, где расходуется 75 % всех потребляемых вод.

Характеристики минимального стока играют определяющую роль при разработке мер по рациональному использованию и охране водных ресурсов. Они лимитируют водопотребление и водопользование, влияя на существование биоценозов экосистем. Таким образом, они являются лимитирующими

для человеческого общества, а иногда и катастрофическими - в периоды длительных засух. Поэтому данные о минимальном стоке относятся к разряду основных гидрологических характеристик [2].

Региональные особенности гидрологического режима и соответствующие методы определения расчетных характеристик должны учитываться и регламентироваться территориальными строительными нормами (ТСН), имеющими статус нормативного документа субъекта Российской Федерации

[3].

Наряду с ТСН предполагается подготовка научно-прикладных территориальных Справочников с использованием гидрологических рядов, включающих данные последних лет наблюдений, необходимых для Госстроя РФ и других крупных и мелких организаций, требующих данных о минимальных расходах воды. При решении этих задач необходима систематизация региональных данных о минимальном стоке.

Настоящая диссертационная работа посвящена усовершенствованию существующих в нормативных документах [3] методов расчета минимального стока на основе исследования условий формирования стока в период летне-осенней и зимней межени на реках Северо-Западного региона Российской Федерации и оценке изменений количественных характеристик минимального стока за последнее 30-летие.

Следует отметить, что, начиная с середины 70-х годов прошлого века практически повсеместно на всей территории России, включая, как ее европейскую, так и азиатскую части наблюдается изменение количественных характеристик речного стока, вызванное изменением климатических характеристик и увеличением антропогенной нагрузки на реки и их водосборы.

Подобные климатические изменения, ведущие к изменению количественных характеристик речного стока, отмечены не только на территории Евразии. В последние 30-35 лет масштаб этого явления, которое получило распространение и на других континентах Земного Шара, весьма велик. Из наиболее значимых зарубежных работ, посвященных исследованиям влияния

климата на водные объекты, можно выделить вышедшую в США монографию [98], в которой дана оценка изменения водного режима Великих озер, обусловленного, в частности, изменением притока к ним речных вод. В монографии авторы также относят начало изменения количественных характеристик стока на водных объектах США и Канады к середине 70-х годов.

При этом на территории ЕТР наряду с увеличением годового стока, произошли изменения и в минимальном стоке. Как было отмечено на VI Всероссийском гидрологическом съезде в докладе А. И. Бедрицкого «необычным является практически повсеместное и резкое увеличение меженного стока, как летне-осеннего (до 40-60 %), так и зимнего, которое для ряда регионов составило 60-90 %. Такое увеличение, одновременно охватывающие в последние два десятилетия огромные районы, является необычным по своей природе, не имеет аналогов за весь период наблюдений и по эффективности воздействия на сток сопоставимо с регулирующим влиянием водохранилищ»

[4].

При анализе изменения речного стока на территориях, принадлежащих к разным географическим зонам необходимо проводить детальный анализ условий формирования характеристик стока, в том числе минимального.

Результаты таких исследований, выполненные для отдельного региона и включающие весь объем имеющейся гидрометеорологической информации, могут быть взяты за основу для проектирования, строительства, эксплуатации различных водохозяйственных и гидротехнических сооружений на водных объектах ЕТР, при оценке комплексного использования и охраны водных объектов, а также при подготовке научно-прикладных территориальных Справочников и (или) Территориальных строительных норм «Определение основных расчетных гидрологических характеристик».

Целью работы являлась разработка региональных методик для расчета стока малых рек с обоснованием набора предикторов и структуры расчетных формул; построение карт минимальных летне-осенних и зимних модулей стока 80 %-ой обеспеченности для исследуемой территории; выполнение

двухуровневого районирования территории Северо-запада РФ по условиям формирования минимального стока с использованием корреляционного, спектрального и кластерного анализа.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Первая глава диссертации посвящена обзору существующих методов расчета минимального стока, дается критический анализ литературы, посвященной оценке минимального стока. Особое внимание уделяется публикациям последних лет, посвященных в своем большинстве расчету минимального стока в условиях неустановившегося климата.

Во второй главе выполнен анализ исходной гидрометеорологической информации. Произведена оценка трендов в рядах минимального стока, проанализирована тенденция изменения температуры воздуха в приземном слое атмосферы и осадков по данным метеостанций исследуемого региона. Дана оценка гидрологических характеристик рядов минимального стока зимней и летне-осенней межени по данным натурных наблюдений, включающая выбор математической модели, наиболее адекватно описывающей вероятностную структуру ряда, и проверку рядов на однородность с использованием основных статистических критериев. Для неоднородных выборок получены параметры распределения с использованием рекомендаций [3, 5]. Рассчитаны 80 % минимальные зимние и летне-осенние 30-суточные и суточные расходы воды.

В третьей главе произведено районирование территории СевероЗападного региона РФ по условиям формирования минимального стока. Описаны существующие методы гидрологического районирования. Обоснована методика выделения однородных в гидрологическом отношении районов, основанная на сходстве очертаний выборочных спектров рядов гидрологических характеристик.

Четвертая глава посвящена методике расчета минимального стока рек СЗ РФ при отсутствии данных наблюдений. Построены карты 80% модулей

минимального стока для средних рек отдельно для зимней и летне-осенней межени. Разработан набор методик для расчета минимального стока малых рек при отсутствии наблюдений с обоснованием набора предикторов и структуры расчетных формул. Уточнены параметры формулы расчета минимального стока озерных рек.

В заключении сделаны основные выводы по результатам исследования. Выполнен анализ полученных результатов, произведено сравнение карт и параметров расчетных формул с разработанными ранее [6, 7].

В Приложениях приводятся рисунки и таблицы, составленные по результатам расчетов, являющиеся дополнительным иллюстративным материалом.

На защиту выносятся следующие положения:

1 Набор методик для расчета минимального стока малых рек СЗ ЕТР при отсутствии наблюдений с обоснованием набора предикторов и структуры расчетных формул.

2 Формула расчета минимального стока озерных рек с уточненными параметрами.

3 Карты модулей стока 80 %-ой обеспеченности летне-осенней и зимней межени для средних рек СЗ ЕТР.

4 Районирование территории по условиям формирования минимального стока с использованием методов корреляционного, спектрального и кластерного анализа.

5 Обоснование способов аппроксимации эмпирических кривых обес-печенностей в условиях неоднородных выборок для исследуемой территории;

6 Оценка влияния климатических и антропогенных факторов на минимальный сток рек Северо-Западного региона РФ, а также при расчетах минимального стока рек в целях оценки водных ресурсов в наиболее напряженный по водности период года, при расчетах водоснабжения и водопользования.

Первым значимым исследованием минимально стока следует назвать работу Д.И. Кочерина [8], в которой автором были установлены общие закономерности изменения величины минимально стока на реках европейской территории бывшего СССР.

Интерес к вопросам формирования минимального стока и разработке методов- его расчета получил дальнейшее развитие в 50-е годы прошлого века. В 1966 г. Госстроем СССР были приняты «Указания по определению расчетных минимальных расходов воды при строительном проектировании СН 346-66» [9], ставшие первым нормативным документом. При отсутствии данных наблюдений для расчета минимальных расходов воды заданной вероятности превышения в СН 346-66 рекомендовалось использовать ассиметрич-ные распределения и районные значения коэффициентов вариации Су и асимметрии Сб, а также отношения Сб/ Су.

В основу этого документа легли разработки, осуществленные в первой половине XX в. [12, 13].

Норма стока для средних рек определялась по картам изолиний модуля минимального стока, а для малых рек - по районным эмпирическим зависимостям минимальных расходов воды от площади водосбора.

Чрезвычайно важными явились принципы выделения малых рек по однородным в гидрогеологическом отношении районам, а также определения 30-суточного расхода, как основной характеристики минимального стока, осуществленные А.М. Владимировым [13, 14],

Следующим этапом совершенствования расчетов минимального стока стала разработка методов переходных коэффициентов [15], В основу метода было положено использование опорной характеристики минимального стока - значение 80 %-ой обеспеченности. Этот подход позволяет избегать погрешностей, связанных с переходом от нормы минимального стока к расхо-

дам большой обеспеченности по аналитическим функция распределения с использованием коэффициентов вариации Су и асимметрии Ся. Этот метод был включен в новые нормативные документы: «Указания по определению расчетных гидрологических характеристик СН 435 72» [16] и «Руководство по определению расчетных гидрологических характеристик» [17].

В новых нормативных документах для определения минимального стока при отсутствии данных наблюдений для средних рек было предложено использовать карты изолиний модуля 30-суточного стока 80 %-ой обеспеченности;

для малых рек определяется расход воды 80 %-ой обеспеченности, как функция площади водосбора реки по формуле:

080% (1-1), где 080% - минимальный 30-суточный расход воды 80 %-ой обеспеченности, м3/с - площадь водосбора, км2

а, п - районные эмпирические параметры

/ - средняя по району площадь с отсутствием питания или обеспечивающая дополнительное питание, км2

Переход к расходам воды других обеспеченностей осуществляется с помощью переходных коэффициентов )у>/0 от опорной величины 080%- Переход от значений 30-суточных расходов воды к суточным осуществляется при помощи переходных коэффициентов Кс>т. отдельно для периодов зимней и летне-осенней межени.

Районирование всей территории СССР производилось А. М. Владимировым на основе комплексного подхода с учетом гидрогеологических условий [15, 18].

Результаты исследований методов формирования минимального стока и методов его расчета изложенные в [18] определили направление исследования этого вопроса и в 70-80 гг. прошлого столетия. Методическая основа расчетов минимального стока, опубликованная в 1972-73 гг. легла в основу

действовавшего вплоть до 2003 г. нормативного документа Госстроя СССР СНиП 2.01.14-83 [19] и «Пособия по определению основных гидрологических характеристик» [7].

В дальнейшем в 80-90-е годы значительная часть работ была посвящена региональной оценке минимального стока с использованием зависимости (1.1). Все эти работы в основном посвящены уточнению значений районных параметров а, п и/. К работам этого направления можно отнести [20, 21, 22, 23,24, 101 и др.].

В рабо�