Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оптимизация численности гидрологической сети Никарагуа в современных условиях и в перспективе изменения речного стока

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация численности гидрологической сети Никарагуа в современных условиях и в перспективе изменения речного стока"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Ленинградский гидрометеорологический институт

ОПТИМИЗАЦИЯ ЧИСЛЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ НИКАРАГУА е СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ И В ПЕРСПЕКТИВЕ ИЗМЕНЕНИЯ РЕЧНОГО СТОКА

Специальность 11.00.07 Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ЭКТОР МОНХЕ АВАЛОС

ЛЕНИНГРАД 190 1

Работа выполнена в Ленинградском гидрометеорологическом институте.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор В. В. Коваленко.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор И. Ф. Карасев; кандидат технических наук, доцент В. С. Дружинин.

Ведущая организация — Ленинградский государственный университет.

Защита состоится /3 ¿г/еиА- 1991 г. в ч && мин на заседании Специализированного ученого совета Д 063.19.01 в Ленинградском гидрометеорологическом институте.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 195196, Ленинград, Малоохтинский пр., 98, Ленинградский гидрометеорологический институт.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского гидрометеорологического института.

Автореферат разослан ^^ ЛЬеЗЯ-' 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор географических наук,

профессор / Ю- Ляхин

Тип. ВВМИУ им. Ф. Э. Дзержинского 12.05.91 Зак. 225

ОБШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность работы. Одним из главных направлений Никарагуанского института территориальных исследований является организация гидрологической сети согласно научно обоснованным принципам, так сак сеть стоковых постов на этой территории была создана преиму-1ественно по интуиции, без каких-либо научных основ.

Как известно, точность гидрологической информации во многом зависит от размещения гидрологических постов. В связи с этим в 1анной работе исследуется оптимизация гидрологической сети с ис-юльзованием критериев, предложенных профессором И.Ф. Карасевым,

В настоящее время предполагается, что вследствие возрастания сонцентрации углекислого газа в атмосфере в первой половине следящего столетия может произойти повышение средней глобальней температуры воздуха, которое превзойдет когда-либо наблюдавшееся з истории человечества. Это повышение, в сво» очередь, приведет с изменению характеристик гидрологического режима.

Для оценки изменения гидрологического режима необходимо )азработать специальную стохастическую модель. В качестЕе такой юдели предполагается уравнение Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), ! которой следует использовать прогностические сценарии изменения физемной температуры воздуха и средней годовой суммы осадков, юновакные на изменении закономерностей современных изменений лимата.

Исследования возможных изменений гидрологического режиматер-штории Никарагуа направлены на определение чувствительности кри-'ериев оптимизации гидрологической сети о целью их пересмотра в слови.(X нового климата.

- 3 -

Цель и задачу исследования. Цель работы состоит в определении критериев оптимизация гидрологической сети территории Республики Нлкарагуа при настоящих климатических условиях и при новом изменением климате.

Дяя достижения этой цели в работе реиаются следующие задачи:

- Гидрологическое районирование изучаемой терратории.

- Составление карт основных характеристик годового стока согласно действующей? нормативам расчетов.

- Выбор и вычисление научно обоснованных критериев оптимизации гидрологической сети.

- Анализ и зыбор наиболее вероятных сценариев общего потепления атмосферы под влиянием парникового эффекта.

- Оценка изменения гидрологического режима в связи с возможными сценариями антропогенного воздействия на климат Земли.

- Выявление чувствительности критериев оптимизации гидрологической сети в перспективе изменения климата.

Научная новизне работы. Наиболее существенные научные результаты сводятся к следующему:

- Построены карты изолиний основных гидрологических характеристик годового стока на основе данных наблюдений.

- Получена кривая зависимость корреляционной функции от расстояния между стоковыми постами для всей территории Республики Никарагуа.

- Определены критерии оптимизации речной сети для настоящих климатических условий и при новом климате.

- Предложена стохастическая модель для оценки изменений основных гидрологических характеристик годового стога,

- Составлены карты аномалий модуля годового стока и коэффи-

тента Баршшз для всей Сег.&ряой Америки и для территории Нп-1рагуа, в частности.

Практическая ценность таботн. Составленные карты основных тдрояогических характеристик могут быть использованы в спра-)чнкх целях при различных гидрологических расчетах и в кауч-мгсследоватапьсяих разработках водного хозяйства Республики псарагуа.

Рассчитанные критерии оптимизация густоты речной сети могут 1тъ использованы при пересмотре и реорганизации гидролсгичес->й сети территории Никарагуа в современных условиях и при но->м климате.

Результаты оценки возможных изменений гидрологического рема территории Северной Америки и Никарагуа могут найти приметив при составлении карт основных характеристик годового сто-I в будущем, а также при различных водохозяйственных проектах 'дущего.

Разработанную стохастическую модель формирования речного ■ока целесообразно использовать и для расчета оценки изменения хила максимального и минимального стока под воздействием ан-опогенкого влияния на климат.

Апробация тботы. Основные результаты исследования по теме ссертации докладывались на семинарах кафедры гидрофизики и дропрогнозоз ЛГМИ, на итоговой сессии ученого совета Л1Ж, на седании шучного технического совета НИИГ ЛГУ, а также в отде-гидрометрии при Государственном гидрологическом институте.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введегпи, тырех глав, заключения, списка использованных источников и иложения, содержит 132 страницы машинописного текста, 15 ринков и !7 таблиц.

- 5 -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Зо введения дается краткий обзор этапов развития исследований в области антропогенного изменения климата и основные заключения, сделанные до сегодняшнего времени, обосновывается актуальность исследовательских работ, научная и практическая значимость рассмотренных в диссертации вопросов, приводятся основные положения, входящие в каядую главу, сформулирована паль исследования .

Первая глава посвящена вопросам гидрологической изученности территории Никарагуа, вопросам климатического режима и тенденций его антропогенных изменений, системе гидрологических нас людений. Рассматривается организация гидрологической сети при настоящих климатических условиях, проводится гидрологическое районирование, составляются карты основных характеристик годовс го стока.

Площадь изучаемой территории составляет 130000 км2, из них 14000 км2 заняты поверхностными водными ресурсами. Она разделена на 20 главных водосборных площадей. Северная часть террито -рии отличается наличием больших рек, южная - наличием маленьких площади которых ке превышают 1200 н/ .

Общее количество действующих гидрологических постов 59. На 50 постах производятся ежедневные измерения расходов воды, на 24 - несистематические измерения характеристик твердого стока и на Т2 - енедневше измерения уровня воды.

Гидрологическая сеть не очзкь густая и в настоящее время распределяется следующим образом: для района Тихоокеанского побережья -• один пост на 250-800 км2, для иго-восточной зоны -один на 2500 к-л^ и для Атлантического побережья - один пост па 3000-10000 км2.

В даннсм исследовании используется 30 рядов наблюдений при средней продолжительности 28 лет, на основе которых составлены карты основных характеристик годового стока л произведено гидрологическое районирование. Проведенное районирование показа -ло, что изучаемую территорию можно разделить на 3 основных района: первый район включает в себя восточные и западные склоны центрального нагорья, второй - восточное побережье Атлантического океана и третий - побережье Тихого океана.

Карты изолиний характеристик годового стока показывают, что модуль годового стока колеблется по всей территории на порядок, т.е. ст 5 до 70 л/с км^, а коэффициент вариации - от 0.4 до 0.7.

Что касается тенденций антропогенных воздействий на климат, то существуют различные прогностические сценарии изменения приземной температуры воздуха под влиянием парникового эффекта. Одним из наиболее распространенных является сценарий, по которому определено повышение температуры на I °С на 2000 год. Этот сценарий бол представлен на конференции советских а американ -ских климатологов в Ленинграде и используется в данной работе для оценки изменения гидрологического режима.

Во второй главе проводится анализ динамической модели, еэ стохастического обобщения (уравнение Фоккера-Планка-Колмогоро-ва) и упрощенной модели для первых моментов распределений.

К выводу динамической модели можно подходить по-разнсму. Например, можно считать внешним воздействием на водосбор интен-

о

сивноеть осадков X и температуру воздуха Г , а реакцией - расход воды в замыкаящем створе. Исходя из этого можно записать следующее.операторное соотношение:

- 7 -

где 14 и 1-2 - операторы, которые могут быть линейными или нелинейными, стационарными или нестационарными в зависи -мости от практической возможности идентифицировать их конкрет-

„ о

ный вид, опираясь на имеющиеся данные измерений и , X и

т .

Для целей, преследуемых данной работой, необходим следующий подход. Во-первых, учтем среднюю годовую температуру через коэффициент стока, во-вторых, так как динамическая модель потребует стохастического обобщения, то она должна иметь довольно специфический вид дифференциального уравнения первого порядка:

М. - а + * , (1)

д± кТ + Т"

где 0. - расход поверхностных вод; К - коэффициент стока; Т - эффективное время релаксации;

о

X - атмосферные осадки. Введем обозначения для уравнения (I):

где С и N - неслучайные функции;

О и А/ - случайные процессы с независимыми координатами, т.е. "белые шумы" с нулевыми матема -тическими ожиданиями и интенсивностями <6г> бг я б'гя Тогда стохастическая модель склонного стока будет

м.

.еН

где случайная функции, которая г: общем случао может

быть нелинейной.

Учитывая характер этого уравнения, описываемый им случайный процесс является марковским, эвалпцию плотности зероятнсс-

(2)

ги которого опишем уравнением ФПК:

уа [мотол)]+о.5^[№Х)Рт

?до Р(О^) - плотность вероятности расхода воды;

А(й,£) , В(ОЛ-) - соответственно коэффициенты сноса и диффузии .определяемые вкраяенияш

А (С - 0.5 6с) б. -0.5 бы + 8 = (<5>й2 --¿вггй)-*-<5с ,

?де Я - X - атмосферные осадки.

Физический см ж л А(0,^) и ЮЛ) заключается в том, 1то они определяют локальную скорость изменения математического ожидания и второго начального момента.

В уравнении ФПК искомой функцией является плотность вероят-гости расходов воды. В качестве физгасо - географических и стати-!тических параметров, характеризующих водосборы, входят коэффи-(иент стока, интенсивность внутренних и взаимных шумов. В ка -гестве внешнего воздействия выступают выраженная в модели через ¡оэффицлент стока средняя температура приземного слоя воздуха, I также норма атмосферных осадков, к интенсивность их вариации.

В установившемся режиме ( Э= 0) уравнение ФПК [ереходит в уравнение Пирсона:

Ж - о -а 0 ¿о Ьо + ь,а + ьлг Н}

ГДе л - ^ -f• 2W L = - 6c

h — 2-бей L - ~ m

20 + 6 c Dz 2.0+6?

Если на практике гидрологических расчетов ограничиваются только несколькими моментами (норма стока, коэффициенты вариации и асимметрии), то можно перейти умножая (3) на Û и интегрируя по С , к системе уравнений для начальных моментов:

nijodn-t ~[(п+1)Ы~ û]ûfn-[(m2)bz+-f]o<n+i =0,

где Л - порядок моментов.

Задача оценки гидрологических последствий изменения климата состоит из двух этапов. На первом этапе производится пара -метризация модели, т.е. по существующим гидрологическим картам находят значения сАл , 0(г. и ¿Хз и рассчитывают параметры О. , Ьс и Ь< На втором этапе находятся прогнозируемые значения моментов 6(i , и Ыз , причем

параметры, входящие в модель, изменяются согласно прогнозируе-

* -г

мым климатическим переменным X и', известным из выбранного сценария изменения климата. В третьей главе производится:

а) численная параметризация модели пдя расчета прогнозного стока на 2000 г. для территории Никарагуа;

б) расчет чувствительности коэффициента стока к изменению климата;

в) исследование гидрологической изученности и оценка изменения гидрологического режима территории Северной Америки;

г) сцешса погрешностей расчетных характеристик п взагзло -связь мезцу ними;

д) сравнение полученных результатов с результатами других авторов.

Параметризация модели рассматривается в двух вариантах. В первом варианте учитывается автокорреляция годового стока для интенсивности шумов бассейна, причем допускается изизменчивость коэффициента стока при измененном климате. Во-вторс:я - коэффи -циент стока можно считать меняющемся для новых климатических условий, но допускается и его на изменчивость; не учитывается автокорреляция годового стока и интенсивность внутренних бассейновых шумов.

При расчетах были использованы данные годового стока по 30 основным гидрологическим постам со средней продолжительностью наблюдений 28 лет (с 1958 по 1985 гг.).

Результата прогнозов гидрологических характеристик годового стока с учетом изменения приземной температуры воздуха на I °С и атмосферных осадков на 10 показывают, что к 2000 г. на территории Никарагуа возмс™но образование значительных областей с положительными и отшщательными изменениями модуля стока в пределах Ю-1б % и, как правило, отрицательными изменениями коэффициента вариации ке более 5 %.

В связи с тем, что при новом климате возникает вопрос об изменении коэффициента стока, в данную работу включены исследования по этому аспекту. С этой целью были использованы данные наблюдений за приземной годовой температурой воздуха и суммарной годовой испаряемостью на 30 метеорологических станциях.

При расчетах чувствительности коэффициента стока были рас -считаны, с одной стороны, уравнения множественной регрессии меж-

- II -

ду коэффициентом стока, температурой воздуха и годовыми суммами осадков, с другой - уравнения множественной регрессии меяду коэффициентом стока, годовой суммой осадков и годовой испаряемостью для всей территории Никарагуа.

При учете изменения средней годовой температуры воздуха и сумм годовых осадков Кпр имеет следующий вид:

Кпр = Кнасг + 0.006ЛХ- 0.022^ ,

где Кпр - прогнозный коэффициент стока;

К наа - коэффициент стока при настоящих климатических условиях;

АХ - ожидаемое изменение сумм осадков, л/с км2; Д~Ь - ожидаемое изменение температуры воздуха, °С. При учете изменения годовой испаряемости и годовой суммы осадков Ипр стока будет следующим:

Кпр = ~Т + ^ Т" ~гь дх 7

где Л Во - изменение годовой испаряемости для территории Никарагуа, равное

лЕ0= -омдх,

С - величина, обратная коэффициенту стока; Ео - годовая испаряемость, л/с км2; "¿Ь - знак гиперболического тангенса. При оцегасе изменений гидрологического режима территории Северной Америки расчеты проводились по всем широтным зонам с шагом два градуса, а в некоторых местах, в зависимости от рельефа и густоты изолиний, через один градус. Таким образом, общее количество рассчитанных пунктов на всей изучаемой территории сос-

- 12 -

тавило 608. Исходной информацией послужили карты изолиний модуля стока, коэффициента вариации, коэффициента стока, приведенные в работе "Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли", а также данные о годовых осадках, приземной температуре воздуха и годовой испаряемости.

Результаты оценки изменения гидрологического режима территории Северной Америки представлены в табл.1.

Таблица I

Средние изменения (%) прогнозных гидрологических характеристик территории Северной Америки

Характеристики Изменения в Изменения ь

зависимости от зависимости от

АЕо,ДХ Д±,ДХ

Модуль стока 27.5 17.1

Коэффициент вариации -2.5 -2.5

Соотношение Св/Оу 0.0 0.0

В табл.2 представлены результаты, полученные автором и американскими специалистами. Сравнение этих результатов носит ориентировочный характер. Для того, чтобы более надеяно исподьзо -вать стохастическую модель формирования стока в условиях гидрологического режима Северной Америки, необходимо сравнить, нас -калько совпадают или отличаются эти результаты.

Из сравнения данных таблицы видно, что результаты совпали полностью по четырем бассейнам, что составляет 80 % от общего числа рассмотренных бассейнов.

При проверке оценок погрешностей расчетных характеристик и

Таблица 2

Изменения годового стока.{%), подученные по стохастической модели автором, к американскими специалистам!:

Гидрологический район Прогнозные изменения годового стока

по стохастической модели полученные американскими специалистами

Средние для 7 бассейнов

запада США -30.5 -40 до -76

Бассейн река Колорадо -5.4 -18.0

Бассейн Великих Озер 3.0 -17 до -36

Центральная часть США -37.0 -26

Большие бассейны штатов

Квебек, Канада 13.0 7 до 18

взаимосвязей между ними было обнаружено, что наибольшее влияние на относительную погрешность прогнозного модуля отека оказывают погрешности задания прогнозных осадков и бассейного параметра С , далее по значимости следует коэффициент вариации и норка годовых осадков.

Наибольшее влияние на относительную погрешность прогноза Су оказывает погрешность прогнозной нормы стока, затем погрешность прогнозной величины обратного коэффициента стока и погрешность прогнозной суммы атмосферных осадков.

С целью проверки оправдываемости прогнозов при использовании критерия согласия Колмогорова по территории Никарагуа по пяти рекам было сделано 10 ретроспективных прогнозов, из которых 7 оправдались при 10 -ном уровне значимости.

- 14 -

В четвертой главе проводится оптимизация гидрологической сети применительно к современному гидрологическому режиму и в перспективе изменения климата.

Для выявления оптимальной густоты гидрологической сети ка территории Никарагуа воспользуемся критериями оптимизации, предложенными И.Ф.Карасевым. Задача расчета оптимизации гидрологической сети по данной методике заключается в определении оптимальной площади водосбора ( Ао ). Оптимальная площадь водосбора при размещении постов должна находиться в диапазоне

Ам<А*рад<Ао^Ак, (4)

где Ам - критерий репрезентативности; Ауа, - градиентный критерий; /{ к - корреляционный критерий.

3 уравнении (4) нижняя и верхняя границы для оптимальной площади определяется градиентным и корреляционным критериями,которые зависят от основных гидрологических характеристик.

Для расчета градиентного критерия используются следующие характеристики данного района: коэффициент вариации, равный

О

0.55; модуль стока - 20.0 л/с км ; число лет наблюдений -погрешность определения нормы стока - 0.104; расстояние между изолиниями стока - 150 гол; градиент стока - 0.337. Отсюда Ау>яд будет равен 304 км2.

По кривой зависимости корреляционной функции годового стока от расстояния между смежными гидрологическими постами опре-

р

деляем радиус корреляции (он равен 490 км) и, принимая погрешность измерения стока равной 0.119 (10 %), корреляционный критерий, который будет составлять 547 км2.

Для определения зональной площади водосбора (репрезентатив-

- 15 -

ности) необходимо построить график зависимости между средними годовыми модулями стока и площадями водосборов рек по всей изучаемой территории. По данной зависимости находим критерий репрезентативности: он равен 1800 км2. Получаем соотношение вида

Ан,Аград ^ А/л .

Из соотношения видно, что определяющим для территории Никарагуа является критерий репрезентативности. Таким образом, оп -тимальная площадь водосбора будет равна 1800 км2.

Общее количество постов бнло рассчитано по форлуле

= х- >

где А, - общая площадь изучаемой территории, равная 140000км2 Результаты расчетов оптимизации численности гидрологической сети территории Никарагуа при настоящих климатических, условиях приводятся в табл.3.

Таблица 3

Сравнительные данные по существующему и расчетному количеству постов

Характеристика Средние значения

Средние и крупные реки

Расчетные посты 67

Существующие посты 30

Рекомендуется открыть 37 Малые реки

Расчетные посты II

Существующие посты 29

Рекомендуется открыть 18

- 16 -

Продолжение табл.3

Характеристика Средние значения

Общее количество постов

Расчетные посты 78

Существующие посты 59

Рекомендуется открыть 19

Результаты, полученные по стохастической модели показывают, что модуль годового стока изменится в среднем по всей территории Никарагуа на 16.4 %, а коэффициент вариации годового сто -ка - на 4.0 %, Это, в свою очередь, приведет к пересмотру оптимизации численности гидрологических постоз.

Так как градиентный критерий зависит от годового стока и его вариации, то для его расчета воспользуемся новыми значениями Супр = 0.52 и Пр = 23.0 л/с ¡см2. Таким образом, А град равен 362 км2. Используя новые значения коэффициента вариации для расчета корреляционного критерия вычислим А к , он будет равен 686 юл2,

Определив значение Лм из кривой зависимости модуля годового стока от площади для нового климата (1500 км~), получаем неравенство вида

Алрну, /4Л < А» .

Исходя из этого неравенства оптималыт площадь при новых климатических условиях принимается рапном 1800 тем"'.

Полученные результаты показывают, что, несмотря на о;г.щ,ил-мое повышение водности, критерии отгпмиачции .гидрологических постов но повлекут за собой значиточмтх иныенотш, что об'.лс -

- 17 -

няется малой изменчивостью коэффициента вариации и модуля годового стока.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Выполненное на основе анализа данных основных гидрологических характеристик и геологического строения гидрологическое районирование территории Никарагуа показало, что всю исследуемую область следует разделить на три гидрологических района: восточные и западные склоны центрального нагорья, восточное побережье Атлантического океана и побережье Тихого океана.

2. Сравнение полученных результатов возможных изменений гидрологических элементов в связи с повышением приземной температуры воздуха с результатами других авторов подтвердило целесооб -разность использования стохастической модели для территории Северной Америки и для тех регионов, где распределения, получен -ные на основе обработки эмпирических данных, аппроксимируются теоретическими кривыми Пирсона Ш типа.

3. При оценке возможных изменений годового стока на территории Никарагуа било обнаружено, что модуль годового отока возрастает в среднем на 16,4 %, а коэффициент вариации уменьшается на 4 %.

4. При определении погрешности задания исходной информации и выявлении определяющих параметров удалось доказать, что на расчеты прогнозного модуля стока наибольшее влияние оказывают погрешности задания прогнозных атмосферных осадков и значения "бассеШюго" параметра С . Далее по значимости оказались коэффициент вариации и многолетняя сумма годовых осадков. Ошибки в прогнозах в наибольшей степени вызваны погрешностью в определении нормы стока и прогнозного "бассейного" параметра С .

- 18 -

5. Оптимальная гидрологическая сеть в условиях настоящего климата должна быть более густой, чем действующая, и увеличена примерно на 19 постов. При этом дополнительные посты долины быть размещены в северной части страны, где в настоящее время имеется очень редкая сеть.

6. Предполагаемые изменения климата и, как следствие, изменение гидрологического реаима к 2000 г. не приведут к каким-либо ощутимым изменениям в оптимальной гидрологической сети. Последнее обстоятальство связано с тем, что, во-первых, изменения коэффициента вариации в условиях нового климата оказывается несущественным, и поэтому корреляционный критерий практически не меняется. Во-вторых, для территории Никарагуа определяющим является критерий репрезентативности, который также почти не меняется при прогнозном климате.

Публикации по теме работы:

1. Монхе А.Э., В.А.Бирюков. Метео- и гидрологические условия долины Манагуа-Масая-Гранада: Технический отчет / Техноплан, Манагуа, Никарагуа, 1987. - 151 с.

2. Монхе А.Э. Оценка изменения гидрологического режима территории Северной Америки с использованием стохастической модели.-

. Л., 1991. - 17 е.- Деп. и ИЦ ВНИИГМИ МВД 08.02.1991, № 1054.

3. Монхе А.Э. Оптимизация гидрологической сети Никарагуа в современных условиях и в перспективе изменения климата. - Л., IS9I. - 17 с. - Деп. в ИЦ ВНИИГМИ МЦД 08.02.1991, й 1055

4. Меп^я Л. И, Ви^алкои В. 9.

Je ¿& f>la/¡¿a* . /Малага - ¿granada - T'fítupa. - Teaicpfe/?. - Ai«»v, - ГШ.

5. Л/йуй A.H., Silvio O., ¿¿ruáss f ¿f ¿TJ¿a/cíSÍOn £¿t riefo у ¿a yo/a^i^ .Паля*?*t> -/ifas¿>jxt - á-rtsjtada. -

01. ~ Mínafxt, /¡//¿алгумг.. ~ ГШ.