Пространственно-временная изменчивость стока рек бассейна Амура

Соколова, Вера Васильевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Пространственно-временная изменчивость стока рек бассейна Амура
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временная изменчивость стока рек бассейна Амура"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова

ГЕОГРАФИЧЕСКИИ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 556.16 (571.6+51)

СОКОЛОВА Вера Васильевна

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СТОКА РЕК

БАССЕЙНА АМУРА

Специальность 25.00.27 — гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

21 НОЯ 2013

005539620

МОСКВА - 2013

005539620

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

- ХРИСТОФОРОВ Андрей Валентинович

доктор географических наук, профессор кафедры гидрология суши

- КОРОНКЕВИЧ Николай Иванович

доктор географических наук, профессор, заведующий лабораторией гидрологии Института географии РАН

- ГАРМАЕВ Ендон Жамьянович

доктор географических наук, и. о. директора Байкальского института природопользования СО РАН (г. Улан-Удэ)

- ФГБУ «Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации»

(ФГБУ «Гидрометцентр России»)

Защита состоится «12» декабря 2013 г. в/3 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.68 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, ауд. 18-01 (тел. +7 495 9391420, факс +7 495 9328836, e-mail: science@geogr.msu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Научной библиотеки Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский проспект, д. 27, А-8. Автореферат размещен на сайте географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru/).

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор геолого-минералогических наук, j^ ^

профессор ¿мСсХ'- СавенкоВ.С.

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Запланированное ускоренное экономическое развитие Дальнего Востока России предусматривает повышение эффективности и экологической безопасности использования природных и, в том числе водных ресурсов этого важнейшего региона страны. Основная часть населения и производительных сил данного региона сосредоточена в российской части бассейна р. Амур. Реализация этих планов невозможна без учета гидрологического режима рек бассейна Амура и его возможных антропогенных и климатических изменений. Характерные для р. Амур и его притоков высокие дождевые паводки в летне-осенний период создают угрозу населению и хозяйственным объектам. Катастрофические паводки августа - сентября 2013 года и вызванное ими затопление огромных площадей показали исключительную важность и актуальность строительства защитных сооружений, своевременного проведения мероприятий и повышения эффективности регулирования речного стока в целях снижения ущерба от наводнений и повышения безопасности населения. Амур является международной рекой, вдоль которой проходит значительная часть российско-китайской границы. Из 1855 тыс. км2 площади бассейна 54% принадлежат России, 44% Китаю и 2% Монголии. Положение реки и ее бассейна постоянно создает весьма острые проблемы, связанные с использованием и охраной водных ресурсов Амура и его притоков. Решение перечисленных выше экономических, экологических, социальных и политических проблем невозможно без достаточно точной информации о текущем и ожидаемом водном режиме р. Амур, его притоков и их отдельных участков. В то же время уровень гидрологической изученности бассейна недостаточен. В этих условиях исключительно актуальной и важной является задача повышения точности гидрологических расчетов за счет максимально полного учета всей имеющейся информации на основе обобщения закономерностей пространственно-временной изменчивости речного стока.

Состояние изученности проблемы. Теоретические основы анализа пространственно-временной изменчивости речного стока и использования ее закономерностей при определении расчетных гидрологических характеристик были разработаны советскими учеными С.Н. Крицким и М.Ф. Менкелем. Их труды получили всеобщее признание и широко используются в большинстве стран. В последующие годы их идеи получили развитие в работах многих отечественных и зарубежных авторов, среди которых следует выделить работы, выполненные в ГГИ, ДВНИИГМИ, Институте Водных Проблем и институте Географии РАН и его сибирском и дальневосточном филиалах, на кафедре гидрологии суши МГУ и Пермского университета. Полученные результаты создают достаточную методическую основу для настоящего исследования. Что касается исследований стока рек бассейна Амура, то необходимо выделить относящуюся к 40-м годам работу А.И. Чеботарева и полученные в 60-е и 70-е годы результаты, получившие отражение в выпусках 1, 2 и 3 тома 18 монографии «Ресурсы поверхностных вод СССР» и Атласа Мирового водного баланса. В последующие 80-е годы представления о пространственно-временной изменчивости стока рек российской части бассейна Амура были уточнены в ходе подготовки выпусков 19-21 тома 1 Государственного водного кадастра и Атласа расчетных гидрологических карт и номограмм. В те же годы практически вся российская часть бассейна Амура была исследована в связи со строительством БАМ. Признавая высокий научный уровень указанных работ, необходимо отметить, что они опирались на достаточно короткие ряды гидрологических наблюдений, продолжительность которых к настоящему времени в целом удвоилась. За последнее двадцатилетие в основном велись исследования отдельных проявлений и характеристик водного режима рек российской, китайской и монгольской частей бассейна Амура. Исключение составляют лишь некоторые обобщения, выполненные для всей российской части бассейна в Институте водных и экологических проблем ХНЦ ДВО РАН, при подготовке Национального атласа России и при подготовке последнего варианта СП 33-101-2003. Таким образом, полученные

более двадцати лет назад обобщения закономерностей пространственно-временной изменчивости стока рек российской части рек бассейна Амура требуют уточнения на основе практически удвоившихся рядов гидрологических наблюдений. Что касается бассейна Амура в целом, то такие работы пока не проводились. Это и определило цели и задачи настоящего исследования.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является изучение закономерностей изменения во времени и распределения в пространстве стока рек бассейна Амура для получения целостной картины водного режима данной территории и повышения точности определения расчетных гидрологических характеристик. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• создание базы гидрологических данных по всей территории бассейна р. Амур, включая его зарубежную часть;

• изучение природных и антропогенных факторов формирования и пространственно-временной изменчивости речного стока;

• проведение статистического анализа многолетних колебаний речного стока и его внутригодового распределения;

• исследование закономерностей пространственного распределения речного стока в пределах всей территории бассейна Амура;

• разработка схем определения расчетных характеристик речного стока в условиях недостаточности и отсутствия данных гидрологических наблюдений;

• оценка возможных климатических изменений стока рек бассейна Амура в течение XXI века.

Объект исследования - р. Амур и ее притоки в пределах российской (54% площади бассейна) и китайской (44% площади бассейна) территории.

Предмет исследования - закономерности изменения речного стока во времени и его распределения в пространстве и учет этих закономерностей при

определении расчетных гидрологических характеристик для рек бассейна Амура.

Теоретическую и методологическую основу исследования составляют: комплексный географический анализ условий формирования речного стока; географо-гидрологический подход к выявлению закономерностей его пространственно-временной изменчивости; принципы и методы географических обобщений при использовании этих закономерностей для определения расчетных гидрологических характеристик; принципы и методы статистического анализа данных гидрологических и метеорологических наблюдений; принципы и методы компьютерного анализа используемого картографического материала.

Информационную базу исследования составляют: данные российских и китайских гидрологических ежегодников за весь период наблюдений по 82 речным створам в бассейне Амура; гидрологические данные справочника «Ресурсы поверхностных вод СССР» для рек российской части бассейна Амура; данные метеорологических бюллетеней по 20 расположенным в бассейне Амура метеостанциям; дополнительная гидрометеорологическая информация из Гидрометцентра России, ВНИИГМИ - МЦД и сети Интернет; картографические материалы Атласа Мирового водного баланса и Национального атласа России; публикуемые в докладах 1РСС прогнозы ожидаемых изменений климата.

Предмет зашиты состоит в том, что в диссертации на основе современных данных гидрологических наблюдений впервые выполнено обобщение закономерностей пространственно-временной изменчивости стока рек всего бассейна Амура, включая его российскую и зарубежную часть.

Вклад в науку состоит в том, что на основе выполненных исследований предложено гидрологическое районирование бассейна Амура и на его основе получены схемы расчета характеристик речного стока и поливариантная оценка его возможных климатических изменений.

Научную новизну составляют выносимые на защиту положения.

1. Созданная база гидрологических данных по всему бассейну Амура может быть использована в различных исследованиях стока рек этого важного региона.

2. Предложенное гидрологическое районирование уточняет представления о закономерностях пространственно-временной изменчивости речного стока в бассейне Амура.

3. Результаты статистического анализа позволяют определять обеспеченность характерных расходов воды в 82 речных створах исследуемого региона.

4. Порядок рек бассейна Амура достаточно точно определяется его зависимостью от площади водосбора и густоты речной сети.

5. Предлагаемые региональные методики позволяют рассчитывать характерные расходы воды при отсутствии или недостаточности данных гидрологических наблюдений.

6. Сравнение оценок возможных климатических изменений речного стока, полученных на основе анализа закономерностей его колебаний во времени и на основе анализа закономерностей его распределения в пространстве, показало, что оба подхода дают близкие результаты.

Практическая значимость результатов исследования обусловлена тем, что предлагаемые расчетные схемы и оценки могут быть использованы в целях повышения надежности защиты населения и хозяйственных объектов от наводнений, эффективности регулирования речного стока, научной обоснованности решения проблем совместного использования и охраны водных ресурсов этой крупной международной реки. Собранные материалы использовались студентами кафедры гидрологии суши МГУ на практических занятиях и при выполнении курсовых и дипломных работ. Полученные результаты могут использоваться в качестве примеров при чтении учебных курсов по гидрологии рек, гидрологическим и водохозяйственным расчетам.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008» (Москва, 2008 г.); Международном молодежном научном форуме «Ломоносов-2013» (Москва, 2013 г.); на IV Всеукраинской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые ученые - географической науке» (Киев, 2008 г.); на VII семинаре молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (Курск, 2008) и на научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (Москва, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 4 статьи в соавторстве, из которых 3 - в рецензируемых журналах, утвержденных ВАК, и тезисы 3 докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Основной тест изложен на 147 страницах машинописного текста и включает 47 рисунка и 33 таблицы. Список использованных источников включает 149 отечественных, 24 зарубежных публикаций и 11 Интернет-источников. Приложения А, В и С соответствуют главам 2, 3, 4 и содержат 84 страниц, 11 рисунков и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены актуальность работы, состояние изученности решаемой проблемы, изложены цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Условия формирования и факторы пространственно-временной изменчивости стока рек бассейна Амура

В первой главе приводится характеристика природных и антропогенных факторов и условий формирования стока рек бассейна Амура. Природные условия рек рассматриваемого региона очень разнообразные. По рельефу, характеру строения долины и русла, климатическим условиям и водному

режиму, а также по пространственно-временной изменчивости стока, реки российской части бассейна Амура принято делить на три части: Верхний, Средний и Нижний Амур, который включает бассейн р. Уссури. Часть бассейна р. Амур, находящаяся на территории Китая делится на три области: Хэйлунцзян, Цзилинь и Внутренняя Монголия. Рельеф всего бассейна р. Амур можно охарактеризовать как горный, где происходит чередование низких и средневысоких гор с денудационными и аккумулятивными равнинами. Равнинный рельеф в основном встречается в восточной части бассейна Амура и на зарубежной территории. Для равнинной территории характерны заболоченные области и участки с сильно развитой многолетней мерзлотой. Климат р. Амур меняется от резко континентального на западе до муссонного на востоке. Таким образом, распределение осадков по территории происходит при увеличении с запада (250-500 мм) на восток (700-900 мм), а в горных частях, при значительном увлажнении, значения осадков могут составлять более 1000 мм. Наиболее низкие годовые температуры воздуха отмечены в западной части и северных горных районах, восточная часть бассейна характеризуется более высокими величинами температуры, приближающимися к 0 °С. Западная часть бассейна расположена в пределах трех ландшафтных зон — лесной (таежной), лесостепной и степной, а восточная часть бассейна разделяется на обширные зоны: тайги (хвойных лесов), лесостепи и переменно-влажных (муссонных) лесов. Реки бассейна Амура можно отнести по условиям водного режима к дальневосточному типу с хорошо выраженным преобладанием дождевого стока, форма гидрографа имеет гребенчатый вид. Основным видом питания рек являются жидкие осадки, доля которых составляет 50-70 % годового стока, на снеговое питание приходится 10-20 %, на подземное - 10-30 %. Главной фазой водного режима рек являются дождевые паводки, наблюдающиеся в теплое время года, также важной фазой водного режима является снеговое половодье, характерное для всех рек бассейна. Водный режим рек западной части бассейна Амура отличается относительно более равномерным распределением водности внутри года по сравнению с

восточной частью. При высоких уровнях в период паводков на территории бассейна Амура часто случаются наводнения, в основном приуроченные к низменному рельефу и прибрежным территориям. Воды бассейна р. Амур довольно хорошо освоены и широко используются в качестве источников орошения и обводнения, выработки электроэнергии, водоснабжения крупных городов. Также по большим и средним рекам бассейна осуществляется судоходство, как и по самому Амуру. Таким образом, выполненный в первой главе анализ условий формирования и факторов пространственно-временной изменчивости стока рек бассейна Амура, позволил уточнить закономерности его водного режима и пространственного распределения стока.

Глава 2. Водный режим рек бассейна Амура

Во второй главе проведен статистический анализ многолетних колебаний речного стока и его пространственной корреляции, оценка распределения вероятностей характерных расходов воды и анализ внутригодового распределения стока рек бассейна Амура. Статистический анализ многолетних колебаний речного стока показал, что в целом для всего бассейна Амура характерна статистическая однородность многолетних колебаний годового, максимального и минимального летне-осеннего стока. Внутригодовое распределение стока так же не претерпело заметных изменений в течение всего периода наблюдений. Исключение составляют только зарегулированные реки. Выявлена тенденция к повышению минимального зимнего стока и увеличению амплитуды его многолетних колебаний. Для годового и минимального стока характерна статистически достоверная автокорреляция его многолетних колебаний. Статистически обоснована применимость трехпараметрического гамма - распределения для определения характерных расходов воды различной обеспеченности (рис. 1).

Qcp ,«i/c

Цмакс, it'll

Рисунок 1. Графики эмпирической и теоретической кривых обеспеченности характерных расходов воды в створе р. Амур - г. Хабаровск

В соответствие с требованиями СП 33-101-2003 получены несмещенные оценки параметров распределения вероятностей для годового, максимального, минимального летне-осеннего и зимнего стока в 82 речных створах бассейна Амура, включая зарубежную территорию. В табл. 1 помещены несмещенные оценки среднего значения Q, коэффициента вариации Су, его соотношения с коэффициентом асимметрии Су / С\> и коэффициента корреляции г(\) между значениями смежных лет для характерных расходов воды в створе р. Амур в г. Хабаровск.

Таблица 1

Несмещенные оценки параметров многолетних колебаний характерных расходов воды в створе р. Амур - г. Хабаровск

Характерный расход воды Q CV Cs/Cv >-(1)

среднегодовой 8291 0.2 2 0.4

максимальный 24123 0.3 2 0.2

минимальный летне-осенний 5775 0.4 1 0.3

минимальный зимний 674 0.6 3 0.8

Анализ пространственной корреляции многолетних колебаний годового стока позволил выделить районы с синхронными колебаниями, для которых

коэффициенты парной корреляции не ниже 0,8. Расположение этих районов

„

хорошо согласуется с результатами выполненного в предыдущей главе анализа условий формирования речного стока (рис. 2).

Рисунок 2. Районы с синхронными колебаниями годового стока рек бассейна Амура

При анализе пространственных закономерностей внутригодового распределения речного стока помимо выделявшихся ранее водосборов Верхнего, Среднего и Нижнего Амура была выделена китайская территория со своими особенностями водного режима. Также в пределах Верхнего и Среднего Амура была обнаружена специфика внутригодового распределения стока, подтвержденная в следующей главе анализом его пространственных закономерностей. Таким образом, по характеру многолетних колебаний речного стока и его внутригодового распределения в пределах бассейна Амура выделено 6 районов, границы которых были окончательно уточнены на основе результатов исследований, излагаемых в следующей главе.

Глава 3. Пространственное распределение стока рек бассейна Амура В третьей главе рассмотрены основные факторы пространственного распределения стока рек бассейна Амура, проведен анализ карт пространственного распределения речного стока и его климатических факторов, а также были предложены схемы расчета стока рек при отсутствии данных наблюдений. В качестве основных географических факторов использовались площадь водосбора А (км2), длина реки Ь (км), средняя высота водосбора А (м), густота речной сети й (км/км2). Сток рек бассейна Амура имеет тенденции роста с увеличением высоты водосбора и его площади, а изменчивость стока будет постепенно уменьшаться с ростом высоты. Помимо этих традиционных для гидрологических расчетов характеристик в работе выполнен анализ возможности использования порядка реки Ы, который также является мерой ее размера. Была обнаружена и обоснована зависимость порядка реки от площади водосбора и густоты его речной сети:

ЛГ = 1оё2 Л + 1оё2с/. (1)

Учет густоты речной сети позволил повысить точность описания пространственного распределения характеристик речного стока на основе предложенного гидрологического районирования исследуемой территории. Был проведен анализ изменения стока по 82 створам бассейна р. Амур в зависимости от средних для каждого водосбора норм годовых сумм осадков Р и

положительных температур воздуха Т и порядка реки N. Информация по осадкам и температуре была получена из Атласа Мирового водного баланса (Атлас МВБ). Скоррелированность фактических значений осадков и осадков, полученных с карты, получилась довольно высокой, что позволило воспользоваться информацией, снятой с карт атласа. Для описания пространственного распределения нормы модуля стока д в зависимости от порядка реки N и определенных для данного водосбора Атласу МВБ средних многолетних значений годовой суммы осадков Р и суммы положительных среднемесячных температур воздуха Т предложена зависимость:

д = а^+а]Р+а2Т+а^И. (2)

Для описания пространственного распределения коэффициента вариации Су предложена зависимость аналогичного вида:

Су = Ьц+ЬхР+Ь2Т+ЬъЫ. (3)

Параметры этих зависимостей были получены для годового, максимального, минимального летне-осеннего и зимнего стока для каждого из 6 выделенных гидрологических районов, границы которых при этом были окончательно уточнены. Таким образом, на основе уже изложенных исследований бассейн Амура был разделен на 6 гидрологических районов с относительно однородными условиями формирования речного стока, с общими особенностями водного режима и закономерностями пространственного распределения речного стока (рис. 3):

• Район 1 (бассейны рек: Нерча, Читинка, Газимур, Амазар и др.);

• Район 2 (бассейны рек: Онон, Шилка, Ингода,Учирка,Кыра и др.);

• Район 3 (бассейн реки Зея (без рек Селемджа и Томь));

• Район 4 (бассейны рек: Бурея, Селемджа, Томь, Тунгуска и др.);

• Район 5 (бассейны рек: Уссури, Амгунь и др.);

• Район 6 (бассейны рек: Сунгари, Нуньцзян, Амуэрхэ, Суньхэ и др.).

Рисунок 3. Гидрологическое районирование бассейна р. Амур

В Таблицах 2 и 3 помещены оценки параметров формул (1) и (2), значения множественного коэффициента корреляции Я, абсолютной и относительной средних квадратических погрешностей расчета 0д и СТ£ для

всего бассейна Амура в целом. Данные формулы могут быть использованы для расчета характерных расходов воды при отсутствии или недостаточности данных гидрологических наблюдений.

Таблица 2

Параметры расчетной формулы (2)

Характерный расход воды а-о «/ а2 аз Л ст £

среднегодовой -4,86 0,02 -0,10 0,38 0,90 1,51 28

максимальный 110,6 0,31 -2,29 -6,75 0,57 59,2 49

минимальный летне-осенний -3,56 0,01 -0,04 0,29 0,83 1,69 58

минимальный зимний -3,13 0,004 0,01 0,01 0,78 0,41 69

Таблица 3

Параметры расчетной формулы (3)

Характерный расход воды Ьо ь, Ь2 Ьз R °Д ст £

среднегодовой 0,98 -0,002 0,01 -0,04 0,76 0,20 38

максимальный 1,89 -0,001 0,01 -0,07 0,75 0,36 33

минимальный летне-осенний 1,38 -0,001 0,005 -0,04 0,65 0,32 48

минимальный зимний 1.72 -0.001 -0.004 -0.03 0.55 0.20 36

По сравнению с картой, содержащейся в Атласе Мирового водного баланса, предлагаемая схема позволяет повысить точность расчета нормы слоя или модуля годового стока в пределах всего бассейна Амура в 2,5 раза. Для российской части бассейна сравнение проводилось с картой нормы модуля годового стока, составленной в ГГИ в 1980 г. Проверка по уточненным за последующие годы данным показала, что средняя квадратическая относительная погрешность этой карты составляет 36%, в то время как предлагаемая методика дает погрешность расчета для тех же пунктов 28%. Таки образом, достигнуто уточнение в 1,3 раза.

Глава 4. Оценка возможных климатических изменений стока рек бассейна Амура

В четвертой главе проводилось сравнение оценок возможных климатических изменений речного стока, полученных на основе анализа закономерностей его колебаний во времени и на основе анализа закономерностей его распределения в пространстве.

Первый подход, основанный на результатах анализа изменения во времени характеристик речного стока и его основных климатических факторов, является традиционным. Для различных регионов мира он применялся в работах Н.В. Арнелла, А.Н. Гельфана и JI.C. Кучмента, С.Г. Добровольского, И.А. Шикломанова и ряда других исследователей. В рамках данного подхода был реализован метод, примененный ранее для бассейна Северного Ледовитого океана A.B. Христофоровым и Ю.А. Симоновым. Для 11 водосборов с наиболее продолжительными рядами гидрологических и метеорологических наблюдений

и относительно равномерно распределенных по территории бассейна Амура были получены линейные зависимости многолетних колебаний модуля годового, максимального и минимального стока q(t) от годовой суммы осадков P(t) и суммы положительных среднемесячной температуры воздуха г(г):

q(t) — aP(t) + b T(t) + с, (4)

Характеристики такой зависимости для створа р. Амур - г. Хабаровск представлены в таблице 4.

Таблица 4

Параметры формулы (4) для р. Амур - г. Хабаровск

Сток а ь с R ад СТ £

Годовой 0,01 -0,037 2,6 0,61 0,79 17

Максимальный 0,03 -0,11 20,1 0,55 3,19 23

Минимальный 0,01 -0,01 -0,35 0,42 1,04 32

На основе таких зависимостей оценка ожидаемого изменения нормы модуля годового стока Дд определялась по формуле:

t±q = а АР + b AT . (5)

где АР н AT - прогнозируемые на середину и конец XXI века изменения норм годовой суммы осадков и суммы положительных температур воздуха. Эти изменения были оценены по результатам реализации проекта CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project, Phase 3) по анализу расчетов климата XX и XXI веков с использованием 23 моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО) нового поколения, разработанных в известных исследовательских центрах мира. Основу этого проекта составили расчеты климата 20-ого века при заданных в соответствии с наблюдениями концентрациях парниковых газов и аэрозолей, а также три сценарных расчета климата 21 века (для сценариев антропогенных выбросов А1В, А2 и В1). Так как в задачу исследования входила не сама оценка возможных климатических изменений стока рек бассейна Амура, а только сравнение различных подходов ее получения, были использованы только четыре, рекомендованные рядом авторов для решения

подобных задач, модели - ВССЯ-ВСМ2, ОРВЬ-СМ2.0, СтРОЬ-СМ2.1 и СБИЮ-МкЗ.О при сценариях увеличения антропогенной нагрузки и динамики выброса парниковых газов А1В, А2 и В1 на середину (2046-2065 гг.) и конец (2080-2099 гг.) XXI века, по отношению к базовому климатическому периоду (1961-1990 гг.).

Путем усреднения по четырем моделям для трех сценариев (А1В, А2, В1) была получена оценка изменений стока 11 рек на середину и конец XXI века. Для примера приведены оценки абсолютного Дщ и относительного ае изменения годового стока р. Амур у г. Хабаровска (табл. 5).

Таблица 5

Осредненная оценка возможных климатических изменений годового стока для

р. Амур - г. Хабаровск на середину и конец XXI века

2046-2065 гг, 2080-2099 гг,

АР, А Г, Д?, Де, АР, АТ2 Д ¡¡2 Де,

Сценарий А1В

83 | 13 | 0,35 | 8 | 103 | 17 | 0,41 | 9

Сценарий А2

75 1 12 | 0,29 | 6 102 ] 18 | 0,34 | 7

Сцена рий В1

77 | 11 | 0,37 | 8 114 | 13 | 0,64 | 14

Другая оценка была получена на основе закономерностей изменения речного стока в пространстве. При этом в значительной степени использовался подход, реализованный В.М. Евстигнеевым, М.В. Сидоровой и Е.А. Леонтьевой для рек Восточно-Европейской равнины. В настоящей работе использовались полученные в главе 3 расчетные формулы, которые для каждого из шести районов для принадлежащего району водосбора с номером < выражают норму ¡7, модуля годового, максимального и минимального летне-осеннего стока через нормы годовой суммы осадков Р,, годовой суммы положительных температур воздуха Тг и порядка реки Ы,:

= а„ + а, Р, + а2Т, + а, Nl. (6)

Значения расчетных параметров зависимости модуля годового стока от сумм осадков и положительных температур для всего бассейна р. Амур представлены в таблице 6.

Таблица 6

Параметры формулы (6) для бассейна р. Амур

Сток а0 «г а3 Я

Годовой -1,80 0,03 -0,14 0,38 0,92 2,06 30

Максимальный 52,13 0,23 -1,15 -6,75 0,75 56,8 69

Минимальный -1,00 0,01 -0,07 0,29 0,79 1,7 61

Оценка ожидаемого изменения нормы модуля стока Ас/ в каждом районе определялась в зависимости от полученных для него по трем сценарием и четырем моделям оценок ожидаемых изменений нормы годовых осадков ДР и нормы годовой суммы положительных температур воздуха дТ по формуле:

Ад = а{ ДР+ а2 &Т. (7)

В целях упрощения и повышения надежности выводов для каждого сценария было проведено осреднение по всем четырем используемым климатическим моделям. Соответствующие оценки были получены для каждого из 6 районов и всего бассейна в целом (таб. 7).

При сравнении двух подходов, где первый основан на закономерностях изменения речного стока и его основных климатических факторов во времени, а второй - в пространстве, показал, что оба подхода дают близкие результаты.

Таблица 7

Оценка возможных климатических изменений стока на середину и конец XXI века для бассейна р. Амур

Сток 2046-2065 гг, 2080-2099 гг,

АР, ДТ, ДЧ1 АРг ДТ2 ДЦ2 Де2

Сценарий А1В

Годовой 48 6 0,55 8 68 10 0,66 10

Максимальный 48 6 4,12 5 68 10 4,90 6

Минимальный 48 6 0,24 8 68 10 0,28 10

Сценарий А2

Годовой | 53 | 7 0,61 9 81 11 0,83 13

Максимальный 53 7 4,60 6 81 11 6,17 8

Минимальный | 53 7 0,26 9 81 11 0,35 12

Сценарий В1

Годовой 45 6 0,43 6 68 8 0,84 13

Максимальный 45 | 6 3,13 4 68 8 6,36 8

Минимальный 45 6 0,18 6 68 8 0,37 13

Это позволяет получить обобщенную оценку возможных климатических изменений относительных значений годового, максимального и минимального стока р. Амур на середину Ае/,% и конец Де;,% XXI века (табл. 8).

Таблица 8

Обобщенная оценка возможных климатических изменений годового, максимального и минимального стока р. Амур на середину Де/,% и конец А

XXI века

Сток Сценарий А2 Сценарий А1В Сценарий В1

Де/,% Ае2,% Ае„% Де2,% Ае,,% Ае2,%

Годовой 9 13 8 10 6 13

Максимальный 6 8 5 6 4 8

Минимальный 9 12 8 10 6 13

Полученная оценка климатических изменений годового, максимального и минимального стока позволяет сделать вывод о том, что согласно климатическим прогнозам можно ожидать, что к середине и концу XXI века

общее увеличение водности рек бассейна Амура составит 4 - 13 %. Это хорошо согласуется с выводами И.А. Шикломанова о том, что с изменением климата может произойти увеличение частоты экстремальных гидрометеорологических явлений: засух и наводнений на севере и востоке рассматриваемой территории. Для защиты населения и снижения ущерба от наводнений необходимо разрабатывать автоматизированные системы прогнозирования и предупреждения наводнений, создавать дополнительные системы противопаводковой защиты, повышать безопасность и надежность работы гидроузлов и, прежде всего, Зейской и Бурейской ГЭС.

В заключении приведены основные результаты диссертационного исследования, сформулированы выводы работы:

1. Созданная база гидрологических данных по 82 створам российской и китайской части бассейна Амура за период от начала наблюдений по 2008 год может быть использована в различных исследованиях, направленных на повышение гидроэкологической безопасности и экономической эффективности использования водных ресурсов этого важного региона.

2. Предложенное гидрологическое районирование уточняет существовавшие ранее представления о закономерностях пространственно-временной изменчивости стока рек бассейна Амура. Выделенные 6 районов отличаются относительно однородными условиями формирования речного стока, достаточно высокой синхронностью его многолетних колебаний, общими особенностями водного режима расположенных в их пределах рек, общим характером пространственного распределения характеристик речного стока и его основных географических факторов.

3. В целом для всего бассейна Амура характерна статистическая однородность многолетних колебаний годового, максимального и минимального летне-осеннего стока. За исключением зарегулированных рек внутригодовое распределение стока так же не претерпело заметных изменений в течение всего периода наблюдений. Обнаружена тенденция к повышению

минимального зимнего стока и увеличению амплитуды его многолетних колебаний. Для годового и минимального стока характерна статистически достоверная автокорреляция его многолетних колебаний.

4. Для определения характерных расходов воды различной обеспеченности применимо трехпараметрическое гамма-распределение. Использование правил, предусматриваемых СП 33-101-2003, позволило получить несмещенные оценки параметров этого распределения для годового, максимального, минимального летне-осеннего и зимнего стока в 82 речных створах бассейна Амура.

5. Обнаруженная для бассейна Амура зависимость порядка реки от площади водосбора и густоты его речной сети позволила повысить точность описания пространственного распределения характеристик речного стока на основе предложенного гидрологического районирования исследуемой территории и зависимости этих характеристик от средних для каждого водосбора норм годовых сумм осадков и положительных температур воздуха.

6. Выявленные и уточненные закономерности пространственного распределения характеристик речного стока и его основных географических факторов позволили получить достаточно точные схемы расчета характеристик годового, максимального, минимального летне-осеннего и зимнего стока при отсутствии или недостаточности данных гидрологических наблюдений. По сравнению с содержащей в Атласе Мирового водного баланса картой точность расчета нормы годового стока для всего бассейна Амура повышена в 2,5 раза. А для российской части бассейна Амура сравнение проводилось с картой нормы модуля годового стока, составленной в ГГИ, где достигнуто уточнение в 1,3 раза.

7. Сравнение двух использованных при получении этих оценок подходов, основанных на закономерностях многолетних колебаний речного стока и его климатических факторов во времени и на закономерностях распределения характеристик этих величин в пространстве, показало, что оба подхода дают близкие результаты.

8. На основе нескольких климатических моделей общей циркуляции атмосферы и океана при различных сценариях увеличения антропогенной нагрузки и динамики выброса парниковых газов, были получены оценки возможных климатических изменений годового, максимального и минимального стока, которые показывают, что к середине и концу XXI века есть основания ожидать общее увеличение водности рек бассейна Амура на 4-13 %.

9. Результаты исследования пространственно-временной изменчивости стока рек бассейна Амура могут быть использованы в целях повышения надежности защиты населения и хозяйственных объектов от наводнений, эффективности регулирования речного стока, научной обоснованности решения проблем совместного использования и охраны водных ресурсов этой крупной международной реки.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Косицкий А.Г., Носань В.В. Пространственные закономерности стока рек российской части бассейна Амура // Вестник Моск. ун-та. сер. 5, Геогр., 2012. №3,-С. 64-68

2. Христофоров A.B., Юмина Н.М., Белякова П.А., Носань В. В., Оценка водного стока рек бассейна Амура // Вестник Моск. ун-та. сер. 5 Геогр., 2012. №5, - С. 63-70

3. Алексеевский Н.И., Христофоров A.B., Косицкий А.Г., Носань В.В., Подобие рек и их систем // Водные ресурсы. - М: Наука, 2013. №6 - С. 531-544.

Публикации в других журналах и сборниках:

1. Носань В.В. Условия формирования водного стока реки Амур //Молодые ученые - географической науке. Сборник материалов международной конференции Киев, 2008, С.122 - 124.

2. Носань В.В. Особенности формирования стока и водного режима рек бассейна Амура // Материалы Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008» М.: МГУ, 2008.

3. Косицкий А.Г, Носань В.В. Условия формирования водного стока рек бассейна Амура // Общие, экологические и инженерные аспекты изучения гидрологических, русловых и эрозионных процессов. Материалы VII семинара молодых ученых вузов, объединяемых советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. М, МГУ, 2008, С. 123-130.

4. Носань В.В. Изучение пространственных закономерностей изменения стока рек бассейна Амура. Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2013» М.: МГУ, 2013

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Соколова, Вера Васильевна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. Ломоносова

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

0420136535S

На правах рукописи

СОКОЛОВА Вера Васильевна

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СТОКА РЕК

БАССЕЙНА АМУРА

Специальность 25.00.27 - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Христофоров A.B.

МОСКВА 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1 УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ФАКТОРЫ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СТОКА РЕК БАССЕЙНА АМУРА................................................................................................10

1.1 Общая характеристика бассейна....................................................................10

1.2 Рельеф и геологическое строение..................................................................13

1.3 Климатические условия..................................................................................15

1.4 Почвенный и растительный покров............................................................20

1.5 Многолетняя мерзлота и наледи....................................................................24

1.6 Гидрография и гидрологический режим бассейна......................................27

1.7 Основные направления хозяйственного использования вод......................35

ГЛАВА 2 ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК БАССЕЙНА АМУРА...................................43

2.1 Исходные гидрологические данные..............................................................43

2.2 Анализ статистической однородности многолетних колебаний характерных расходов воды.................................................................................50

2.3 Оценка распределения вероятностей характерных расходов воды...........59

2.4 Анализ пространственной корреляции многолетних колебаний речного стока........................................................................................................................65

2.5 Анализ внутригодового распределения стока..............................................68

ГЛАВА 3 ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СТОКА РЕК БАССЕЙНА АМУРА................................................................................................87

3.1 Факторы пространственного распределения стока рек бассейна Амура .. 87

3.2 Анализ карт пространственного распределения речного стока и его климатических факторов.......................................................................................97

3.3 Предлагаемые схемы расчета стока рек бассейна Амура при отсутствии данных наблюдений............................................................................................105

ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ

СТОКА РЕК БАССЕЙНА АМУРА.......................................................................116

4.1 Ожидаемые изменения климата и методы его моделирования................116

4.2 Ожидаемые климатические изменения в бассейне р. Амур.....................116

4.3 Оценка возможных климатических изменений речного стока на основе анализа его колебаний во времени.....................................................................126

4.4 Оценка возможных климатических изменений речного стока на основе анализа его пространственного распределения................................................141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................145

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................165

Приложение А......................................................................................................166

Приложение В......................................................................................................218

Приложение С......................................................................................................226

ВВЕДЕНИЕ

Темой исследования является пространственно-временная изменчивость стока рек бассейна Амура.

Актуальность темы исследования. Запланированное ускоренное экономическое развитие Дальнего Востока России предусматривает повышение эффективности и экологической безопасности использования природных и, в том числе водных ресурсов этого важнейшего региона страны. Основная часть населения и производительных сил данного региона сосредоточена в российской части бассейна реки Амур. Реализация этих планов невозможна без учета гидрологического режима рек бассейна Амура и его возможных антропогенных и климатических изменений. Характерные для р. Амур и его притоков высокие дождевые паводки в летне-осенний период создают угрозу населению и хозяйственным объектам. Катастрофические паводки августа -сентября 2013 года и вызванное ими затопление огромных площадей показали исключительную важность и актуальность строительства защитных сооружений, своевременного проведения мероприятий и повышения эффективности регулирования речного стока в целях снижения ущерба от наводнений и повышения безопасности населения. Амур является международной рекой, вдоль которой проходит значительная часть российско-китайской границы. Из 1855 тыс. км2 площади бассейна 54% принадлежат России, 44% Китаю и 2% Монголии. Положение реки и ее бассейна постоянно создает весьма острые проблемы, связанные с использованием и охраной водных ресурсов Амура и его притоков. Решение перечисленных выше экономических, экологических, социальных и политических проблем невозможно без достаточно точной информации о текущем и ожидаемом водном режиме р. Амур, его притоков и их отдельных участков. В то же время уровень гидрологической изученности бассейна недостаточен. В этих условиях исключительно актуальной и важной является задача повышения точности гидрологических расчетов за счет максимально полного учета всей имеющейся

информации на основе обобщения закономерностей пространственно-временной изменчивости речного стока.

Степень изученности проблемы. Теоретические основы анализа

пространственно-временной изменчивости речного стока и использования ее

закономерностей при определении расчетных гидрологических характеристик

были разработаны советскими учеными С.Н. Крицким и М.Ф. Менкелем. Их

труды получили всеобщее признание и широко используются в большинстве

стран. В последующие годы их идеи получили развитие в работах многих

отечественных и зарубежных авторов, среди которых следует выделить работы,

выполненные в ГГИ, ДВНИИГМИ, Институте Водных Проблем и институте

Географии РАН и его сибирском и дальневосточном филиалах, на кафедре

гидрологии суши МГУ и Пермского университета. Полученные результаты

создают достаточную методическую основу для настоящего исследования. Что

касается исследований стока рек бассейна Амура, то необходимо выделить

относящуюся к 1940-м годам работу А.И. Чеботарева и полученные в 1960-е и

1970-е годы результаты, получившие отражение в выпусках 1, 2 и 3 тома 18

монографии «Ресурсы поверхностных вод СССР» и Атласа Мирового водного

баланса. В последующие 1980-е годы представления о пространственно-

временной изменчивости стока рек российской части бассейна Амура были

уточнены в ходе подготовки выпусков 19 - 21 тома 1 Государственного

водного кадастра и Атласа расчетных гидрологических карт и номограмм. В те

же годы практически вся российская часть бассейна Амура была исследована в

связи со строительством БАМ. Признавая высокий научный уровень указанных

работ, необходимо отметить, что они опирались на достаточно короткие ряды

гидрологических наблюдений, продолжительность которых к настоящему

времени в целом удвоилась. За последнее двадцатилетие в основном велись

исследования отдельных проявлений и характеристик водного режима рек

российской, китайской и монгольской частей бассейна Амура. Исключение

составляют лишь некоторые обобщения, выполненные для всей российской

части бассейна в Институте водных и экологических проблем ХНЦ ДВО РАН,

при подготовке Национального атласа России и при подготовке последнего варианта СП 33-101-2003. Таким образом, полученные более двадцати лет назад обобщения закономерностей пространственно-временной изменчивости стока рек российской части рек бассейна Амура требуют уточнения на основе практически удвоившихся рядов гидрологических наблюдений. Что касается бассейна Амура в целом, то такие работы пока не проводились. Это и определило цели и задачи настоящего исследования.

• создание базы гидрологических данных по всей территории бассейна р. Амур, включая его зарубежную часть;

• оценка возможных климатических изменений стока рек бассейна Амура в течение XXI века.

Объект исследования - река Амур и ее притоки в пределах российской (54% площади бассейна) и китайской (44% площади бассейна) территории.

Предмет исследования - закономерности изменения речного стока во времени и его распределения в пространстве и учет этих закономерностей при определении расчетных гидрологических характеристик для рек бассейна Амура.

Информационную базу исследования составляют: данные российских и китайских гидрологических ежегодников за весь период наблюдений по 82 речным створам в бассейне Амура; гидрологические данные справочника «Ресурсы поверхностных вод СССР» для рек российской части бассейна Амура; данные метеорологических бюллетеней по 20 расположенным в бассейне Амура метеостанциям; дополнительная гидрометеорологическая информация из Гидрометцентра России, ВНИИГМИ - МЦЦ и сети Интернет; картографические материалы Атласа Мирового водного баланса и Национального атласа России; публикуемые в докладах 1РСС прогнозы ожидаемых изменений климата.

Предмет защиты состоит в том, что в диссертации на основе современных данных гидрологических наблюдений впервые выполнено обобщение закономерностей пространственно-временной изменчивости стока рек всего бассейна Амура, включая его российскую и зарубежную часть.

Вклад в науку состоит в том, что на основе выполненных исследований предложено гидрологическое районирование бассейна Амура и на его основе

получены схемы расчета характеристик речного стока и поливариантная оценка его возможных климатических изменений.

Научную новизну составляют выносимые на защиту положения.

6. Полученные зависимости речного стока от его основных климатических факторов позволяют получать оценку возможных климатических изменений водного режима рек бассейна Амура в течение XXI века.

результаты могут использоваться в качестве примеров при чтении учебных курсов по гидрологии рек, гидрологическим и водохозяйственным расчетам.

Пользуясь случаем, автор выражает благодарность сотрудникам кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ ст. преп. А.Г. Косицкому и м.н.с. Н.М. Юминой, сотрудникам отдела речных гидрологических прогнозов ФГУ «Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации» и сотрудникам Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации - Мирового Центра данных за неоценимую помощь в работе над диссертацией.

ГЛАВА 1 УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ФАКТОРЫ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СТОКА РЕК

БАССЕЙНА АМУРА

1.1 Общая характеристика бассейна Река Амур - крупная международная река. Её бассейн расположен на территории трех стран: Россия (54 %), Китай (44 %) и Монголия (2 %) и

занимает площадь в 1855 тыс. км2. Площадь российской части бассейна р. Амур

2 2

составляет 1003 тыс. км , а 852 тыс. км приходится на территорию Китая и Монголии. Вдоль р. Амур проходит около 3000 км государственной границы между Россией и Китаем [127, 142, 154]. Река Амур образуется слиянием рек Шилка и Аргунь. Длина реки от места их слияния до впадения в Сахалинский залив Охотского моря составляет 2824 км, а от истока русловой системы Хайлар - Аргунь - 4440 км [102, 106, 107]. Боле чем 172 000 рек и ручьев образуют бассейн р. Амур. На территории России насчитывается около 245 рек с длиной более чем 100 км [173]. К главным левобережным притокам относятся: Шилка, Зея, Бурея, Амгунь, а к правым: Сунгари, Уссури, Анюй, Гур (Рисунок 1.1).

Рисунок 1.1. Бассейн реки Амур [102]

По характеру строения долины, русла и по условиям протекания российскую часть бассейна р. Амур принято делить на три части: Верхний, Средний и Нижний Амур, который включает бассейн р. Уссури (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2. Российская часть бассейна реки Амур: 1 - Верхний Амур, 2 - Средний Амур, 3 - Нижний Амур, включая бассейн

р. Уссури [103, 104, 105]

Верхний Амур начинается от места слияния рек Шилка и Аргунь и заканчивается у г.Благовещенск, у устья р. Зея. Длина его 883 км [101, 103, 106]. Средний Амур охватывает участок между городами Благовещенск и Хабаровск (длина 975 км) [101, 103, 106]. На юге район Верхнего и Среднего Амура граничит с Монголией и Китаем, на западе и на севере многочисленные горные хребты отделяют его от бассейнов больших сибирских рек — Енисея и Лены, а хребты Буреинский и Малый Хинган размежевывают на востоке верхнюю и нижнюю части бассейна [105]. Нижний Амур охватывает участок от г. Хабаровск до устья (длина 966 км) р. Амур [101, 104, 105, 107, 108]. Данный район расположен в пределах лесной зоны и характеризуется большим

разнообразием природных условий. Важнейшей особенностью его географического положения является то, что он находится близко к Тихому океану. Это определяет муссонный характер климата в бассейне р. Амур. Климат в свою очередь оказыв�

Информация о работе

Соколова, Вера Васильевна
кандидата географических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.27

Диссертация

Пространственно-временная изменчивость стока рек бассейна Амура - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы