Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка годового стока Камеруна в современных условиях и в перспективе его антропогенных изменений для целей оптимизации численности гидрологической сети

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Омболо, Огюст, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(РГГМУ)

На правах рукописи

Омболо Огюст

УДК 556(16"45"+072+025)(1-926.52)

ОЦЕНКА ГОДОВОГО СТОКА КАМЕРУНА В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ И В ПЕРСПЕКТИВЕ ЕГО АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ОПТИМИЗАЦИИ ЧИСЛЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ

11.00.07 - Гидрология суши, водные ресурсы и гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................4

1. ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАМЕРУНА, ДИНАМИКА СЕТИ НАБЛЮДЕНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................10

1.1. Физико-географическая характеристика......................................10

1.1.1. Краткий очерк о Камеруне........................................................ 10

1.1.2. Рельеф................................................................................. 10

1.1.3. Почвы................................................................................. 13

1.1.4. Растительность..................................................................... 14

1.1.5. Климат................................................................................. 16

1.2. Гидрология Камеруна..............................................................17

1.2.1. Гидрографическая сеть.............................................................17

1.2.2. Гидрологическая изученность...................................................21

1.2.3. Динамика гидрологической сети и постановка задачи исследований .. 22

2. ГОДОВОЙ СТОК КАМЕРУНА В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ .... 25

2.1. Анализ существующих оценок годового стока Камеруна.................25

2.2. Методика оценки годового стока при наличии и отсутствии наблюдений, общие принципы построения карт изолиний гидрологических характеристик и гидрологического районирования............26

2.3. Исходные ряды наблюдений....................................................32

2.4. Статистическая обработка рядов................................................32

2.5. Картирование параметров годового стока рек Камеруна..................39

3. ОЦЕНКА ГОДОВОГО СТОКА КАМЕРУНА В ПЕРСПЕКТИВЕ

ЕГО АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ.....................................43

3.1. Ожидаемые изменения антропогенных факторов формирования годового стока для Камеруна (потепление климата, урбанизация территории, вырубка лесов)......................................................43

3.2. Математическая модель для оценки возможных изменений

вероятностных характеристик годового стока и ее адаптация к

условиям Камеруна................................................................45

3.3. Оценка возможных изменений годового стока..............................51

4. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМНОЙ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ

КАМЕРУНА.........................................................................64

4.1. Критериальные основы оптимизации гидрологической сети.............64

4.2. Расчет оптимальной сети Камеруна в современных условиях и в перспективе антропогенных изменений годового стока...................72

4.3. Рационализация размещения гидрологической сети Камеруна.........85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................88

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................89

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................95

1. Параметры годового стока и их прогноз...................................95

2. Программа анализа рядов исходных данных на однородность.....104

3. Программа прогнозирования параметров годового стока по уравнению ФПК...............................................................109

4. Программа анализа согласия кривых обеспеченности................111

5. Карта рационального размещения гидрологической сети Камеруна........................................................................ 116

6. Справка о внедрении......................................................... 120

ВВЕДЕНИЕ

Возрастает роль водных ресурсов в развитии человеческого общества. В наши дни намечается угроза истощения водных ресурсов (пресных вод) вследствие интенсивного и не всегда разумного их использования. Все это побуждает такие организации как ВМО, ЮНЕСКО и другие организовывать сотрудничество в области гидрологии, проблем окружающей среды и т. д. В сотрудничестве, которое включает более 100 различных проектов (научных тем), охватывающих практически все аспекты гидрологии, участвуют страны-члены ВМО и ЮНЕСКО - Европы, Азии, Африки, Америки, Австралии /1/.

Одна из центральных проблем - оценка годового стока при антропогенной нагрузке. Этому и посвящена исследовательская работа, выполненная на примере государства Камерун (см. рис. В.1)

Камерун относительно молодая страна, около 40 лет пост колониальной эпохи. Поэтому при выполнении исследований отмечалась недостаточность исходных данных, картографических материалов, справочников.

Камерун находится в оригинальном географическом месте - на разделе зон избытка и недостатка водных ресурсов рек. К первой относятся южные территории, которые составляют 75 %-ов территории страны, а ко второй -25 %-ов северных территорий. Следует отметить, что в Камеруне, в Дибунжа среднегодовая сумма осадков составляет 10000 мм - по количеству осадков это вторая точка Земного шара. Сток большинства рек Камеруна формируется за счет атмосферных осадков. Однако непрерывно увеличивающееся использование водных ресурсов и хозяйственной освоение территории вносят существенные изменения в естественный водный режим и водный баланс речных бассейнов /2/.

В связи с резким ростом населения в Камеруне наблюдается резкое увеличе-

Территориальное расположение Камеруна

Рис. В.1

ние потребления пресной воды и интенсивное преобразование естественных природных ландшафтов. В последние годы особенно остро стоит проблема оценки антропогенных изменений гидрологического режима водных объектов и контроль состояния водных ресурсов, которые в современных условиях определяют один из важнейших аспектов взаимоотношения человека с окружающей средой.

Влияние антропогенных факторов на природные воды может сказываться в двух направлениях: на изменениях характера водных объектов и на качестве природных вод вследствие их истощения и загрязнения. Поэтому одна из главных частей данной работы посвящена исследованиям фактического состояния и возможных изменений среднегодового стока рек Камеруна - основной гидрологической характеристики. Она определяет объем ежегодно возобновляемых ресурсов поверхностных вод, которые наиболее интенсивно используются в процессе деятельности человека /3/.

Вторая часть работы посвящена одной их острых проблем современной гидрологии в развивающихся или малоизученных странах в области гидрологии - проблеме оптимизации гидрологической сети. Какова плотность сети гидрологических станций и постов и как ее размещать, чтобы удовлетворять требованиям экономики, и надежно интерполировать характеристики гидрологического режима.

Оценка изменений годового стока Камеруна под влиянием хозяйственной деятельности имеет большое практическое значение не только для регионального использования и охраны водных ресурсов бассейнов, но и для решения проблемы водного баланса и рационального их использования в целом по стране.

Бассейны рек Камеруна находятся в достаточно увлажненной климатической зоне. В горных областях страны ярко выражена вертикальная климатическая зональность. На территории Камеруна выпадает большое количество осадков, однако их распределение по территории страны крайне неравномерно. Средняя годовая сумма осадков уменьшается с юга на север и с запада на восток страны.

Объектом исследования является территория Камеруна. В работе используются данные наблюдений более 39 гидрологических станций с разной длительностью (от 10 до 39 лет). Исходной информацией послужили также данные о среднегодовой норме осадков по метеорологическим станциям, расположенных на соответствующих бассейнах.

В качестве методики исследования используется стохастическая модель формирования годового стока, полученная на основе уравнения Фоккера-Планка-Колмогорова В. В. Коваленко, и методика оптимизации сети пунктов гидрологических наблюдений, разработанная И. Ф. Карасевым.

Настоящая работа состоит из четырех глав. В первой главе представлен краткий обзор физико-географических и климатических условий, а также гидрологической изученности Камеруна. Во второй главе рассматриваются вопросы, связанные со статистической обработкой рядов наблюдений. В третьей главе рассматривается математическое описание процесса формирования речного стока. Четвертая глава посвящена оптимизации сети пунктов гидрологических наблюдений.

Для эффективного использования водных ресурсов в будущем необходимо иметь точное представление о тех изменениях в гидрологическом режиме, которые уже произошли под влиянием антропогенных факторов (хозяйственной деятельности), и о тех последствиях, к которым могут привести планируемые на водосборах мероприятия, преобразующие условия формирования и стока речных вод.

Вопросы оценки возможных изменений водных ресурсов под влиянием хозяйственной деятельности издавна привлекали внимание многих исследователей. Однако среди ученых до сих пор нет единого мнения о степени влияния различных антропогенных факторов на водные ресурсы /4/.

В настоящее время все методы, применяемые для оценки влияния хозяйственной деятельности на гидрологические характеристики, могут быть объединены в два основных направления:

1) исследование многолетних колебаний стока в опорных гидростворах в совокупности с анализом изменения метеорологических факторов и развития хозяйственной деятельности в бассейнах;

2) исследование отдельных элементов водного и теплового балансов непосредственно на участках водосборов и русел, где происходит изменение условий формирования и стока поверхностных и подземных вод под влиянием антропогенных факторов.

В диссертации оценка влияния антропогенной нагрузки на годовой сток проводилась с помощью одного из параметров используемой математической модели (коэффициент стока) и варьирования внешнего воздействия (норма осадков).

Целью работы являлась оптимизация режимной гидрологической сети Камеруна и оценка ее чувствительности к возможным изменениям гидрометеорологического режима естественного и антропогенного характера.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- собраны и статистически обработаны данные об осадках, речном стоке и температуре воздуха на 68 гидрометеорологических постах Камеруна за период до 30 лет (в среднем);

- выполнена оценка расчетных гидрологических характеристик (включая пространственную корреляционную функцию) годового стока и построены карты их изолиний;

- осуществлена адаптация стохастической модели формирования годового стока к условиям Камеруна путем поверочных расчетов на независимом материале и сравнением фактических и расчетных кривых обеспеченности по критерию Колмогорова при 1, 5 и 10 %-ом уровнях значимости;

- установлено, что для территории Камеруна справедлива гипотеза квазистационарности в отношении параметров модели Фоккера-Планка-Колмогорова (ФПК), описывающей вероятностный процесс формирования годового стока;

- выполнена параметризация стохастической модели формирования годового стока на всей территории Камеруна с плотностью 1 узел на 2 0 по долготе и широте (всего 137 узлов) по фактическому гидрологическому режиму, закарти-рованному автором диссертации, а также по фактическим наблюденным осадкам;

- с использованием адаптированной модели ФПК выполнены имитационные оценки вероятностных характеристик годового стока при возможных изменениях климата, степени залесенности и урбанизированности территории Камеруна;

- для основных бассейнов рек Камеруна оценены численные значения корреляционного и градиентного критериев оптимальной сети для условий современного гидрологического режима и его перспективных антропогенных изменений;

- выполнена оптимизация режимной сети постов для современных условий и определены возможные погрешности определения нормы стока и интерполяции поля речного стока при нарушении условий оптимальности при антропогенных изменениях гидрологического режима Камеруна.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 71 источник, 6 приложений. Работа изложена на 120 страницах текста, включая 16 рисунков и 14 таблиц.

1. ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАМЕРУНА, ДИНАМИКА СЕТИ НАБЛЮДЕНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Физико-географическая характеристика

1.1.1. Краткий очерк о Камеруне

Республика Камерун расположена в Северо-западной части Центральной Африки, точнее, на смыке Западной и Центральной Африки в районе Гвинейского залива, там, где африканский берег почти под прямым углом поворачивает к югу. Это место часто называют "шарнир Африки".

Территории страны вытянута в меридианом направлении (расстояние между крайними точками на севере и юге более 1200 км по прямой) и по внешним очертаниям имеет некоторое сходство с треугольником, основание которого покоится вблизи экватора. Крайняя точка удалена от него менее чем на 20 км (около 2° с.ш.), вершина упирается в озеро Чад за 13° с.ш., граничит на северо-западе с Нигерией, на севере и севере-востоке с Республикой Чад, на востоке с Центральноафриканской Республикой, на юге с Народной Республикой Конго, Габоном и Экваториальной Гвинеей; на западе омывается заливом Биафра Атлантического океана. Протяженность береговой линии около 320 км. Общая площадь территории Камеруна составляет 475,4 тыс.км /5/.

Камерун - страна разнообразная в широком смысле этого слова: со своими этническими группами, своей колониальной историей, своим географическим расположением (вследствии разнообразия климата).

1.1.2. Рельеф

Камерун находится на «шарнире» западной и центральной Африки. Этот географический факт имеет смысл с позиции геологической истории страны.

Территория Камеруна по большей части возвышенная, преобладают высоты от 500 до 1000 м. Обычно страну разделяют на четыре основных геоморфологических района: прибрежную низменность, область нагорья Камерун, область впадины озера ЧАД и горные районы запада.

Побережье Гвинейского залива окаймляет плоская, едва поднимающаяся до высоты 50 м над уровнем моря низменность шириной до 100 км, сложенная осадочными формациями (меловыми, третичными и четвертичными отложениями). Северная часть низменности (до Дуала) покрыта непроходимыми мангровыми зарослями и расчленена заливами и устьями рек. Морские волны и течения переносят речной аллювий, образуя береговой вал и лагуны. От Дуалы до Криби тянется ровная песчаная лента берега. Песчаные валы и косы наносятся здесь прибрежным течением и постоянным морским прибоем. Между Криби и Кампо морской прибой обнажает древние кристаллические породы. Живописные скалистые берега возвышаются над морем почти на 20 м, здесь недалеко от Криби можно наблюдать, как воды реки Лобе низвергаются водопадом в океан с отвесного уступа высотой около 12 м. В открытом море береговая низменность продолжается слегка наклонным материковым шельфом.

Природной визитной карточкой страны можно называть вулканический массив Камерун, сложенный верхнетретичными и современными базальтовыми лавами. Высоко поднимается над морем и береговой низменностью и служит своеобразным маяком для судов, приближающихся к берегам Камеруна. В массиве, занимающем площадь около 2 тыс. км2, более 70 небольших вулканов различного возраста; один из них - конус действующего вулкана «монт Камерун» или вулкан Камерун (4070 м) образует вершину всего массива. Это самая высокая точка Центральной Африки, вторая по высоте вершина Африки после горы Килиманджаро. Вершина его почти всегда окутана туманом и облаками, и только изредка можно видеть всю гору. Над вершиной сталкиваются различные воздушные массы: с запада сюда устремляются морские ветры, а с северо-востока

- иссушающий Харматтаи, несущий из Сахары пыльную мглу, которая закрывает вулкан даже в ясные дни. После сильных тропических ливней, когда температура воздуха резко падает, вершина вулкана покрывается снегом, и прозрачный воздух позволяет видеть массив Камерун во всем его великолепии. Камерун разделен долиной р. Санага на Южно-Камерунское плоскогорье и горы Адамава, состоящие из ряда горных массивов с лавровыми покровами и конусами потухших вулканов. Местность напоминает лунный пейзаж. На востоке плоскогорье Камерун постепенно поднимается к долине р. Логоне (протекающей на территории Чада) и разделяется на небольшие хребты; на севере он крутыми уступами обрывается к впадине оз.Чад, где начинаются обширные аллювиальные равнины. Северо-запад страны занимают вулканические массивы, которые являются, как бы продолжением вулканических островов Гвинейского залива и массива Камерун. Самая высокая вершина горной цепи - Бамбутос (2710 м). В недрах Камеруна найдены разнообразные полезные ископаемые. В центральной и западной частях Камерунского плоског�