Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Пространственно-временные закономерности формирования подземного питания рек бассейна Волги

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временные закономерности формирования подземного питания рек бассейна Волги"

МОСКОВСКИЙ ОР.НЕНА ЛК1Я!НА, оряжа '¡ТУЖЧаЛО КРАСНОЮ 1Я.АМгй

и огяна ошь?ьжй ркюгззди хсс/д^стшш!! уюшгизи им. и.з.лотюооы

Гоографячвскйй ¿'лкулътвч

11а правах руиопиои

УЖ 556.161/160

долгов -

Сергей Владимирович ПРОСТРАНСТВЕШЮ-ВРЕМЕЮШЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ

формирования подземного питании рек бассейна волга

11.00.07 - гидрология сути,водные ресурсы,

Автореферат диссертации на соискание ученой стопе 1Ш кандидата географических наук

гидрохимия

Москва

1991

РаСота шполнонй на кафедре гадрологии оуаа географического факультета Мог косо ко го государственного университета кыега М.В.Ломоносова.

Научный руководитель - кандидат географачевгах наук, доцвкт

В.А.1УК

Сфщзальнне оппоненты - доктор географических наук

Н.И.КОРОНКЕВИЧ

- доктор геолого-минералогяческйх наук, профеооор В.С.КОВАЛЕВСКИЙ

Веющая организация - кафедра гидрологии о уши Ленинградского

гидрометеорологического института

Защита еоотоитоя * У * 1991 г. в fS чзоое

/г

на заседании специализированного ооЕета Д.003.19.03 при Институте географии АН ССОР.

A"peo: 109017» Мое киа $ Старомонетный пер., 29. Инотитут географии АН СССР.

С диооертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института географии АН СССР.

Отзывы на автореферат (в двух вкземшшрах, заверенные печать») проонм присылать по указанному адресу ученому секретарю оовета.

Автореферат раэоежан 1991 г.

т

Ученый оекретарь о пецаади аированного оовета х.г.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Проблема рационального использования водных ресуроов, в чаотнооти, подземных вод приобретает вое более острей характер в бассейне Волги, где в отдельных районах в связи с интенсивной хозяйственной деятельностью объем водопотребления превышает естественное их восполнение. Недостаточно обоснованное увеличение водоотбора может приводить к истощению подземных вод и неблагоприятным.экологическим лооледотвиям.

При решении ряда научно-практических задач, связанных, в чаотноотв, о оценкой и прогнозом естественных реоурсов подземных вод, необходимы надежные данные о многолетних колебаниях подземного стока. Имеющиеся ряцы наблюдений часто характеризуются небольшой продолжительностью, в них имеются пропуски, что снижает надежность определения отатиотических параметров. Слабо изученными остаются вопросы долгосрочного прогнозирования подземной составляющей стока. Поэтому разработка методик восстановления радов подземного стока и его долгосрочного прогноза весьма важная з актуальная задача.

Для разработки эффективных методов расчета и прогноза подземного стока важно установить закономерности пространственно-временной изменчивости стока и факторов, определяющих его формирование. Выявление таких закономерностей представляет и самостоятельный научный интерео, так как дает возможность более глубоко изучить процессы формирования подземной составляющей отока.

Пелъ и задачи исследования. Цель диссертационной работы -выявление географических закономерностей пространственно-временной изменчивости подземной составляющей отока рек бассейна Волга и разработка на их основе методик восстановления рядов подземного стока и его долгосрочного прогноза.

В соответствии с поставленной целью решались следующие основные задачи:

1. Оценка роли зональных и азональных физяко-географ!чоских факторов в формировании подземной составляющей стока рек бассейна Волги.

2. Географо-гидрологаческий анализ пространственной и временной изменчивости подземного стока.

3. Районирование бассейна Волги по условиям формирования подземной составляющей отока и выбор гидрометеорологических фак-

торов для описания и прогноза ез многолетиях колебаний.

4. Разработка методики еосстэноелония рядов подземного стока.

5. Разработка методики долгосрочного прогноза подземного стою.

¡Доходные материалы и методы исследований. В работе рассмотрены средшш реки бассейна Волги (выше г.КуйбшнвЕа) с площадями Еодосборов е основном от 1000-1500 км2 до 50000 км2. В качеотЕе показателей подземного стока е реки использовались многолетние рады минимального зимнего 30-суточного (145 радов) и годового под-емного (128 рядов) стока, рассчитанного е Лаборатории подземного стока IUI путем генетического расчленения речных гидрографов. Кроме того, для анализа привлекались временные ряды годовых осадков, осадкоЕ за холодный (ноябрь-парт) и теплый (апрель-октябрь) периоды по 114 пунктам, а также сведения о дефиците влажности Еоздуха, осредненного за период о июня по сентябрь, по 80 пунктам. Для анализа лопользоЕадись также рады стока за весеннее половодье, показателя осеннего увлажнения и максимальной глубины пр дерзания почвы. Кроме временных рядов в работе попользовалась карты физико-географического районирования ССОР (1968), четвертичных отложений Европейской части СССР (1971), грунтовых толщ и -1£женерно-геологических условий Нечерноземной зоны РСФСР (1934), карты подземного -тока Центральной и Восточной Европы (1983) и Нечерноземной зоны РСФСР (IS84). Пооледняя карта составлена при непосредственном участии автора.

Исследование процессов формирования подземной составляющей стока проводилось с помощью географо-гидрологичеокого метода, предложенного В.Г.Глушковым. Для количественной оценки влияния гидрометеорологических факторов на многолетнее изменчивость стока применялся корреляционный и регрессионный анализ. Соотношение зональности и азональности е площадном распределении модулей подземного стока оценивалось о привлечением тренд-анализа. Для оценки пространстЕенно-Еременной изменчиЕооти стока использовалоя один из алгоритмов распознавания образов и пространственные корреляционные функции. Анализ структуры рядов стока и прогнозирование его многолетних колебаний выполнены методами параметрического авто-регроссионкого и авторегрессионно-факторного моделирования.

Расчеты проведены в КШЦ МГУ на SBM БЭСМ-6. Большинство программ составлено.автором.

- з -

Научная номзна работы. Для средних рек бассейна Волги впервые выполнена количественная оценка влияния основных климатических факторов на многолетию» изменчивость подземной составляющей отока и составлены карты, отражающие степень этого влияния. Выделены зональная и азональная составляющие в пространственном распределении модулей отока и оценено их соотношение. Установлена достаточно тесная внутрирадная связность подземной составляющей стока и вскрыты ее причины. Впервые составлены карты распределения по территории отепени внутриряяной связности отока.

Проведено комплексное районирование бассейна Волги по физико-географическим условиям формирования подземного отока и исследована зависимость отруктуры его многолетних колебаний от характера временной изменчивости гидрометеорологических элементов и от сочетания зональных и азональных физико-географических условий.

Установлена целесообразность применения аЕТорегресионно-факторных моделей для расчетов и прогнозов подземного стока.

Разработаны и реализованы на ЭВМ методики восстановления (продления) рядов подземного стока, а также их долгосрочного прогноза с заблаговременноетыо до 9 месяцев.

Практическая ценность работы. Выявленные пространственно-временные закономерности формирования подземного стока и разработанные методики его прогноза й восстановления рядов могут быть . использованы для оценки естественных ресурсов подземных вод зоны интенсивного водообмена, а также для разработка эффективных схем совместного использования ресурсов поверхностных и подземных вод. Результаты работы применимы для оценки влияния хозяйственной деятельности на подземный сток, восстановления его естественных значений и продления коротких рядов наблюдений.

Внедрение, результаты диссертации нашли практическое применение при выполнении научно-исследовательских работ кафедры гидрогеологии геологического факультета МГУ по теме "Оценка модулой подземного стока на Онего-ДЕЯИском меадуречье" (Л 01840052179), а также Лаборатории охраны водной среды ШСИ по теме "Провести исследования и разработать гидродинамические устройства для очистки заиленных русел и улучшения кислородного баланса малых рек" (« 300).

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации докладыЕалиоь на конференции ыолодшс ученых и специалистов ГШ (Ленинград, 1965), на Всесоюзной конференции "Перспективные методы планиоования и анализа вксперимента при исследовании случайных полей и процессов" (Севастополь,1965), на конференции молодых ученых Гидрометцентра СССР (Мооква,1986), на семинаре МОИП и кафедры гидрогеологии ИГУ "Методы региональных гидрогеологических прогнозов" (Москва,1966) и на семинаре кафедры гидрогеологии МГУ "Закономерное та формирования и методы оцешш ресурсов подземных вод" (Ыооква,1967).

Структура и объем диссертации. Диооертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спиока использованной литературы (наименований, из них Ч на иноотранных языках). Текстовую часть ( /33 стр.) дополняют рисунков, 1С таблиц и 41 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована цель работы, показана ее актуальность и научно-практическая значимость, определены задачи исследований и методы их решения.

В : эрвой главе анализируется влияние комплекса природных условий на формирование подземной составляющей стока рек басоей-ва Волги и количественно оценивается связь многолетних колебаний подземного отока с гидрометеорологическими факторами.

Среди работ, посвященных исследованию преимущественно геолого-гидрогеологических закономерностей формирования подземного стока зоны интенсивного годообмена следует отметить работы Б.И.Куделина (1960,1966), В.А.Всеволохского (1963,1964), И.С.Зек-цера (1977), B.C.Ковалевского (1976) и 0.В.Попова (1968,1978). Влияние физико-географических уоловий на характер формирования минимального стока рек наиболее детально наследовано в работах

A.М.Владимарова (1970,1976).

Режим стока подземных вод в русла средних рек завиоит как от зональных, так и индивидуальных особенностей речных басоейвов. В настоящей работе делается попытка выявления региональных пространственно-временных закономерностей формирования подземного стока на оскоЕе географо-гидрологического метода, предложенного

B.Г.Гдупковым.

ц»-за богигэй адоцздч водосбора р.Волга ра* воожедуемой тар-рпториг характерна с капитальная ди£!*рвяцкадчя тма-гачэскх« Р геоморфологическая, гесяого-гадеохтгогачесхгх а кс'зевко-реагу-гвйй'я уаяогкй. ;4*иэа аз«пяча« на дадшй тсррторги яымат.

Наиболее бяагоирл'ятшго уаловгя. для ^орхгровакаа подав: *>то о тола ячбяодзвтся в соввраих и сбвэзсо-сакадшх лооша рпйоиах, где ссадш (700-8С0 мм в год) преобладают над яотзйдавямогл «епа-рошом. Здвзь црооблвдавдая глубкиа аахтагеиая груктомл нод м-.:иа-иаяьна и соотавляэт С-Б н, реже 5-10 ы. Б южных и »го-вэсточ;;иг. лосостапш.* и о те той ландшафтах пополнение запэооп подземных мг, яшгаруотая существенно уводичзшейоя яспэряаиоатью и квбо&хга» количеством внпадакяих осадков {500-СС0 ым в год). Грунтовые воды залогают на зшгезтвлькой глубина (10-15 м и более), что оь-в.тает их стожофорчирущув роль.

Зональное соотношение тепла и влаги существенно нарушается характером рельефа. Он определяет степень дренированноетя территории, условия инфильтрации и двакения влаги в водонасшчэнних слоях. Так, в пределах возвышенностей (Смоленско-Московсхая, Среднерусская, Приволжская а др.) и западного склона Урала в связи о увеличением осадков, Завышенной трещиноватостью и закаротованко-отью пород, значительными врезами речной сага наблвдается увеличение доли подземного питания рек до 40-50%.

Важную роль в формировании подземного стока играют особенности строения зоны аэрации, характер гидрогеологического строения территории. В значительной пространственной дифференциации типов зоны аэрации и геофильтрационных сред (Всеволожский, 1984), представленных в разрезе зоны интенсивного водообмена, заключается, по-видимому, одна из главных причин проявления азональной природы в формировании подземной составляющей стока средних рек.

Для выявления временных закономерностей формирования стока привлекались те метеорологические факторы, которые могут оказывать влияние на структуру баланса подземных вод. Связь многолетних колебаний стока и колебаний его факторов оценивалась для каждого частного Еодосбора коэффициентами парной корреляции, которые затем обобщались на картосхемах выделением районов с близкими значениями этих коэффициентов.

Коэффициенты корреляции на таких схемах изменяются а широких продолах от 0,1 до 0,7. Наиболее тесная сеязь (г 0,5-0,7) отмечается ¡.«езду колебаниями годового подземного стона и суммой осадков гидрочогичэский год. Исключение составляют возвышенности, гдо коэффициенты корреляции уменьшаются до 0,2-0,4.

Установлено, что в многолетней изменчивости подземного стока важную роль играет инерционность в процессах его формирования. Поэтому для большинства рассматриваемых рек важен учет осадков не только за текущий год, но и за ряд предшествующих лет (преимущественно от 2 до 5 лет). Коэффициенты корреляции стока с осадками, суммированными за данный и ряд предшествующих лет увеличиваются в среднем на 0,1-0,2.

Стокофорглируюцая роль осадкоЕ за теплый период наиболее значительна для рек северных и северо-западных лесных ландшафтов ( г » 0,4-0,6). В лесостепных и степных ландшафтах „ более засушливым климатом осадки теплого периода расходуются в основном на испарение, и поетому более существенную стокообразующую роль играют здесь осадки холодного периода { ъ <= 0,4-0,6).

Сг"дует отметить, что формирование структуры многолетних колебаний минимального зимнего 30-суточного стока имеет сеои особенности. Важным фактором, определяющим зимний сток, являются осах и предшествующего теплого периода. Осадки за холодный период и за год обычно играют меньшую роль. Лишь в отдельных районах, в основном в юго-восточной части бассейна Волги, несколько повышается связь между колебаниями зимнего стока и колебаниями предшествующих годовых осадков.

Установлено, что на значительной части бассейна Волги ио-парение в теплый период слабо влияет на изменчивость годового подземного стока г ж -0,2-(-0,4). Исключение составляют территории интенсивно заболоченных Верхне-Волжской и Молого-Щекснин-ской низменностей, а также сильно закарстованного Уфимского плато. Здесь коэффициенты корреляции стока с дефицитом влажности Еоздуха достигают значений -0,4-(-0,б). Увеличение тесноты связи обмечается и в более засушливых лесостепных и степных ландшафтах г ® -0,4-(-0,5).

Сеяьь колебаний подземного отока о косвенным яонаьатедсм степени суровости зимы - максимальной глубиной ярс:/орззизя сочен выражена слабо. КоаДициенты корреляции изменяйте я препмущо-ствеяно в пределах от -0,2 до -0,4 и только для рок с сильно заболоченными Еодосборсмл ила с неглубоким залеганием грунтовых еод теснота связи несколько внше х = -0,40-(-0,55).

Вторая глава посвящена географическому анализу пространственной, временной и пространственно-временной изменчивости подземного питания рек бассейна Волги.

Ос но ме закономерности в пространственном распределении -годового подземного и минимального зимнего стока достаточно детально отражены в работах Б.И.Кудеяика, А.М.Владимирова, в.Л. Всеволяского, О.В.ПопоЕа и других исследователей. Нами с помощью пространственного тренд-анализа сделана попытка количественно оценить соотношение зональной и азональной составляющих в территориальной изменчивости модулей подземного стока. Установлено, что зональные составляющие полей подземного и поворхнос. ;-:ого стока и дефицита влажное та воздуха имеют максимальную ■ изменчивость в направлении с северо-запада на юго-восток. Однако доля Еклада зональной ¿оставляющей в общую изменчивость полей зимнего и годового подземного стока (соответственно 21% и 32%) сущест- • венно ниже, чем поверхностного стока (6252) и дефицита влажное ■_.! воздуха (72/5). Это связано с тем, что В распределении модулей подземного питания даже средних рек существенную роль играет комплекс азональных физико-географических условий.

Структура многолетних колебаний годоеого подземного л минимального зимнего стока исследовалась Б.М.Доброумовыгл (1972, 1976), В.С.Ковалевским (1976,1983), Н.С.Ратнер (К88) и другими учеными. В данной работе особое внимание уделено ешгелонпю генетических особенностей формирования структуры колебаний стока.

ИсследоЕано калачи о группировок лет различной годности в рядах годового подземного стока. Около 77* элементов рядов стока объединяются в группировки в деэ года и более. При этом группировки с одинаковой водностью продолжительностью в пять и более лет составляют около 30% случаев.

Для рядов годоеого подземного стока, как л для уровней подземных вод, характерна повышенная скорролкровашзссть мовду пх смежными членами. Как правило, эти коэффициенты коррэляцнн положительны. Достаточно часто (в 64$ случаев) в рядах подземного

стока обнаруживаются высокие значения козф^пзвктоЕ аЕтокорре-лкции г (I) > 0,4. С помощью критериев, применяемых ша пара-иотраческои авторегреасяоннсм модегиронагки временных радов (£окс,Даошо;ис,19?4; Акайз.ю,1Э?6), установлено, что только в 10% слг/п эъ аш..шзируемко рядн могут рассматриваться как последовательности независимых случайных величин. В большинство случаев (83/1) для описания колебаний подземного стока целесообразно использовать автсрагрессионные модели I, 2 и 8 порядка. Для 4% анализируемых рядов возникает необходимость учета дальшзх Енутрирддных связей (до 6-7 лет).

Выявлены географические особенности внутряряцкой сеязности с. ;земного стока. Наибольшая многолетняя зарегулированноеть годового подземного стока ( г(1) ■ 0,6-0,8) свойстЕэнна лесостеп-ю, и стешшм ландшафтам с более засушливым климатом и глубоким залеганием грунтовых вод. В оеверных и сеЕеро-заиадных "есных ландшафтах с неглубоким залеганием грунтовых вод наблюдается слабая автокорралированность рядов стока ( % (I) = 0,2-0,4). Кроме этих зональных особенностей внутркряцная связность еще в большей степени определяется дренированностью территории, типом зоны I рации в водообильностью дренируемых водоносных горизонтов, и поэтому для бассейна Волги характерна значительная пространственная изменчивость коэффициента автокорреляция X (I).

Основная причина высокой внутрирядной связнооти годового подземного стока заключается е способности подземной емкости водосбора интегрировать услсшя увлахненнооти за ряд предшествующих лет. Метеорологическим факторам - годовым осадкам и дефициту влажности воздуха - свойственна весьма слабая положительная внутрирадная связность, и позтому они только в малой мере способствуют связности в радах подземного стока. Хозяйственная деятельность на отдельных юдосборах, по-видимому, также может приводить к появлению положительной внутрирядной сеязности.

Ряды минимального зимнего стока имеют меньшую внутрарядную сеязность и повышенную временную изменчивость, что можно объяснить небольшим периодом осреднения процесса (80 суток) и более значительным влиянием на формирование зимнего стока условий увлажненности водосбора за предшествующий теплый период. Относительно высокие значения коэффициентов автокорреляции % (1)>0,4 выявлены лишь для 28$ рассмотренных рядов.

Для выявления закономерностей пространственно-временной изменчивости подземного стока оцениЕалаоь синхронность его много-

летних кояебанпй о помощь» метода автоматической класои&нц-цпп гидрометеорологических нолей {®гя,Рокйкова»1981). Зиявлзна зяача-гвлаая лискретшояь яоле5 годового подземного я мятач'даиого'. якюэго стока, В пределах азуаеко)» территория т6ха.&ъьч*оя 7a.ee-дованае районов с относительно синхрона®* кояобакч.-д!» стока (в основном кизмэвеооти) с района,«;, где овнхронность вара; к« una-tío (эозЕнкенноота, западный склон Урала, плода да о рааваташа яамз-а}.

Статиотаодокая структура полой показателей нодзокного ли-талая pos ясслодогалбсь такаа путем построения прострепо-яввичо-корродяционннх функцай. Уотоковквко, что простраизтвенная овяз-кость зтих полей сущастеенно меньше, чем полей общего стека и осадков. Связь колебаний годового подземного в минимального стока данного речного бассейна с коздбапнями стока других бассейнов пра ах удалении более 80-100 кл становится слабой ( R, <0,5-0,6). Тем не менее положительная корреляция мавду стоковыми рядами сохраняется ка довольно больших расстояниях до I000-I5C0 км. Одной чз основных причин неоднородности поля подземного стока вероятнее воего является значительное, влияние на формирование структур» многолетних колебаний отока величины подземных влагоганасов за прошлые годы. Степень этого влияния обусловлена фязико-географически-ма и особенно гидрогеологическими условиями отдельных речных бассейнов.

В работа приводятся нарты изменения по терршории степени коррелятивной связи между сменными членами радов показателей стока, коэффициентов корреляции годового подземного и минимального зимнего стока.

В третьей главе приводится комплексное районирование бассейна Волги по основным физико-географическим условиям формирования подземной составляющей стока и разрабатываются рекомендации по выбору гидрометеорологических факторов для описания и прогноза рядов стока.

Пра районировании территории учитывался опыт картографического обобщения данных по годовому подземному и минимальному стоку рек, изложенный в работах Б.И.Куделина (1960,1966), А.М.Влади-Кирова (1976), в.а.вс6еолояского (1983), 0.В,Попова (Í963), Н.С.Ратнер (1976), а также результаты исследований В.С.КоЕалеЕС-кого я А.А.Коноплянцева (1960,1963) по выявлению региональных закономерностей рехима грунтовых вод.

Районирование территории выполнено исходя из характера по-

ставльышх е работе еодач. Оно отражает региональные особенности простракатвошю-Ероменной изменчивости стока е зависимости, главки« образом, от сочетания региональных климатических, геоморфологических и гидрогеологических условий.

Показателем климатической однородности района слулила его принадлежность к определенной физико-географической зоне. Том самым учитывались зональные особенности восполнения и расходования запасов подземных вод. Принималась ео вгошаюю и степень синхронности многолетних колебаний метеорологических факторов внутри района. Однородность территории в геоморфологическом отношении оценивалась по степени ее дренированное™. Под гидрогеологи ческой однородностью здесь " онимаетоя однотипность строения гидрогеологического разреза по району, устанавливаемая по особенностям регионального распроотранешш геофильтрационных сред с учетом степени обродненности пород.

В пределах рассматриваемой территории вэделено 18 районов. Результаты районирования контро ли рова ли с ь построением территориальных зависимостей меаду среднемно го летними модулями годового подземного и минимального зимнего стока. Тесные зависимости между этими характеристиками подтвервдают правильность проведения границ между районами. Дополнительным критерием для выделения районов служил показатель схожести многолетних колебаний стока в пределах вцдолекных районов.

Для выбора шкоюлее информативных факторов для описания и прогноза многолетних колебаний подземного стока для рек каждого района вычислялись средние значения коэффициентов корреляции Рядое стока с каждым из факторов. В работе приводится краткая характеристика природных условий формирования подземного стока в отдельных районах и перечень наиболее информативных факторов. В качестве последних отбирались налболее существенные и слабо скоррелировашше мевду собой.

Главным фактором, определяющим структуру многолг-чшх колебаний годового подземного стока для рек хорошо увлажненных районов - Молого-Белозерского (Полога, Чагодоща, Колпь), Ветлу какого (Ветлугв, Молома, Ушеа), Вятс ко-Карского (ЕерхоЕЬя Вятка и Ка?.лл, Чепца, Кобра) и других, бассейны которых располонены в таезшой подзоне, является суша осадкоЕ с ноября по октябрь. Моньпую роль играет способность подземной емкости баосейна ии-тограровать условия его увлажненности за ряд предшествухшах лет.

Близкое от дневной поверхности залегание грунтовых год, региональное распространение верховодки обусловливают хотя и слабую, но статистически значимую отрицательную связь подзс-много с том с максимальной глубиной промерзания почвы. Для '.¡о лого-Полог: о с ко го и Нрикамского (Восляна, 06е-з) районов всяодствио их слабой дренироЕанности и значительной заболоченности харак'„«рно заметное влитие на многолетнюю изменчивость стока величины испарения за теплый период.

Состав факторов, определяющих многолетние колебания минимального зимнего стока, заметно отличается от перечисленных.Так, для оценки зимнего стока в таехной подзоне важен учат ' -.лдков за теплый период предшествующего года и максимальной ь^оины промерзания почвы. Внутрирадная связность е рядах зимнего стока весьма слабая.

На формирование структуры колебаний годового подземного питания рек южных районов с лесостепнши и степными ландшафтами значительное влияние оказывает сработка многолетних запасов подземных вод. Для рек Приволжского (Сура, Свияга),Бугульминско-БелебееЕского (Дема, Ик, Сюнь) и Самаре ко го (Самара, Ток) районов характерна наибольшая внутрирядная овязность о районными значениями коэффициента корреляции между смежными членами "1(1) » 0,60-0,75. Временная изменчивость подзе!. .ого стока зависит также от изменчивости годовых осадков. В юго-Еосточных районах. заметное участие в формировании структуры колебаний отока принимают осадки холодного периода.

Колебания минимального зимнего стока в южных и юго-восточных районах, как и годового подземного стока, во многом определяются сработкоЙ многолетних запасов подземных вод. В Верхнеокском (Зуша, Жиздра) и Мокяга не ком районах следует учитывать влияние осадков предшествующего теплого периода. Для более засушливых райо'"эе - Приволжского, Бугульминско-БелебееЕского и Самарского, Еместо осадков теплого периода е регрессионные модели необходимо еключать сумму годоеых осадков и дефицит влажности воздуха за теплый период предшествующего года.

Наличие еысотной поясности, пестрота ландшафтов, значительная дренированноеть территории, сложный характер строения гидрогеологического разреза и распространение карстуюцихся геофильтрационных сред обусловливают существенную неоднородность режима подземного питания рек предгорьев и западного склона Урала. Для

райпког, вдинях здесь, основами фектором*, опредол}вадо5 о.ср.уктур;/ кчлс-бшшй гог.оеого подзешюго ^i-ока, являются запоев илэгз г колгдавоЯ омпоота водосбора sa кроили» годы з годовцй осед:г~: г«ч*«его года. Учет осадков наиболее глхва ща овксьнйи 1?ол(к?йчлИ .адлшаальнэго ssntisi'o сч-окь.

к долгосрочного прогноза рдаг? wpfiwz ветчин яодзытого о гола,

в «¿стоящее время е практика роачетог- многолетних колобаний подземного стока без долгого анализа прамаеявт- л мотод.ы,р2ара-ботвнные крааашгвЛ1НО к обшему репному стог.7, что иногда значительно искажает получаешь результаты. Характер выялленякк пространственно-временных закономерностей формирования подземного стока сгадогельствует о несбходамосяа их учете при пздрологлчос-ккх расчетах и прогнозах. Так, для восстановления рядов подгемкого стока из-за слабо выраженной пространственной связности колебаний стока малоэффективна методам Д.В.Роадеотванского и ¿.Г. Лобановой (1963). В данной работе сделана попытка разработки комплексной методики, одновременно учитывающей синхронность колебаний стока в приводимом пункте и стока рек аналогов, связь стока о метеорологическими факторами, а также учитывающей инерционность процессов формирования подземного стока. Аягориш этой методики послужил также основой для разработки методики долгосрочного прогноза подземного стока.

_ С учетом установленных закономерностей временной изменчивости годоеого подземного стока в работе рассматривается возможность применения наиболее простых параметрических моделей эето-регрвосив (Ail). В работах Да.Бокса, Г.Дженкинса (1974); Кашьяпа Р.Л., Рао Д.Р. (1973); Музылева C.B., Привальского В.Е., РаткоЕи-ча Д.я. (1982) рассмотрены способы оценки параметров АН - моделей и проверки их адекватности моделируемому процессу. В настоящей работе для оценки оптимального порядка таких моделей наряду о критерием Акайке и частной автокорреляционной функцией попользовалось отношение ^/cç , е котором У, - среднеквадра ти чес кос отклонение фактических от вычисленных с помощью АЯ(к) - модели ylt, значений стока, а <гг - среднеквадратическое отклонение исходного ряда. В большинстве случаев (23 из 30 рядов) порядки авторегрессии, определенные с помощью критерия Акайке и отношения St/a"y > совпадают или отличаются Есего лишь на единицу.

Полученные результаты параметрического авторегрессионного моделирования SO наиболее продолжительных ( М> 40 лет) рядоЕ го-

шевяздка разработке методик восстановления

дорого подземного стока в различных физико-географических условиях свидетельствуют о небольшой эффективности использования АЛ-моделей. Удовлетворительные результаты получены для 12 из 30 рядов стока. Это в основном роки с повышенной естественной зарегулированноетью подземного стока, формирующегося в лесостепных в степных ландшафтах, а также в условиях интенсивно!о развития карста.

Авторегрессионное моделирование на наш взгляд целесообразно применять только при недостаточной информации о стокоформи-рующих факторах ила когда структура колебаний стока обусловлена преобладающим влиянием оработки многолетних запасов подземных еод. в большинстве случаев наряду с повышенной внутрирядной связностью необходимо учитывать и влияние стокоформирующих факторов, то есть использовать авторвгрессионно-факторнне модели.

Для учета возможной нестационарности влияния факторов на оток я повышения надежности получаемых результатов применяется адаптивный алгоритм восстановления рядов стока. При этом параметры итогового регрессионного уравнения используются для восстановления значения стока только за данный I -год. При переходе к следующему году вычислительный процесс вновь повторяется, а соотав рек-аналогов в влияющих метеостанций можетизмениться.

В общем случае формула для восстановления качения стока за Ь -год для ряда % имеет вид:

ш

где />.,/>. но -регрессионные коэффициенты, соответствую-

'Л

щие трем группам аргументов: стокоеым рядам - аналогам у4 , рядам метеорологических характеристик в элементам восстанавливаемого ряда за предшествующий период ; л,, л», /ц - число аргументов в каждой группе.

Выбор наиболее информативных аргументов (предикторов) осуществляется в несколько приемов. Состав влияющих метеостанций формируется таким образом, чтобы наблюдения по ним имели более тесную овязь о восстанавливаемым рядом, чем между собой. Затем все потенциальные предикторы ранжируются по уменьшению коэффициента парной корреляции с восстанавливаемым "0"-пунктом. Для повышения устойчивости регрессионных уравнений и сокращения числа вычислительных операций исключаются дублирующие предикто-

ры, для которых выполняется условие:

1л* Ч"--' (1"г>3.....М-

где Nt,t - число предикторов в их ранжированной последовательности.

На завершающем этапе гыбор оптимального состава предикторов осуществляется по минимуму критерия S/(f , вычисляемого для дав-ной группы предикторов на независимом материале.

Расчетная охема апробирована при восстановлении 25 наиболее продолжительных рядов годового подземного питали i рек о размерами водосборов, превышающими в ооновном 3 тыо.км^. Число аргументов, участвующих в построении итоговых регрессионных уравнений, обычно не превышало 3-5.

Результаты численных экспериментов свидетельствуют о необходимости учета в расчетах многолетних колебаний подземного стока авторегрессии 1-3 порядка и особенно I порядка. Включение я уравнения авторегрессионных элементов позволило уменьшить ошибку восстановления в среднем на 1Z% (для 22 из 25 рядов). Особенно существенно (на 15-20$ и более) уменьшились ошибки восстановления в южных и юго-еосточных районах бассейна Волги. Улучшение результатов восстановления наблюдалось и при учете сумм осадков за данный и прошлый годы, что позволило уменьшить ошибки в среднем на 7?. При этом, если в лервом варианте расчетов только по рекам-аналогам удовлетворительные результаты (S/a'< 0,80) была получены для 15 из 25 рек, то одновременный учет автокорреляции процесса и осадков позволил получить приемлемые результаты для Еоех рядов стока.

Учитывая недостаточную эффективность авторегрессионного про} нозирования подземного стока, предложена прогнозная методика, в основе которой лежит авторегрессионно-факторная модель. Здеоь также применяется адаптивный подход о выбором оптимального сорта ва предикторов по минимуму отношения S/rf . Для численных экспериментов использовался рассмотренный выше алгоритм расчета, который в зависимости от поставленной задачи позволяет осуществлять не только восстановление ряда, но и его прогноз. Прогноз величины стока за Ь -год для ряда У, осуществляется по формула:

Оценка эффективности этой схемы, позволяющей осуществить нрогнозировагазе годового подзешого питания рок с 9-мосячной за-благогременностью, выполнена по 29 рядам с продолжительностью наблюдений более 35 лет. Число независимых прогнозов изменялось от 10 до 20. Предлагаемая расчетная схема достаточно »М'оетиЕпа. В 8£$ случаев, получены удовлетворительные результаты. Х^оише результаты прогнозирования стока получены для менеэ обеспечашшх влагой лесостешшх и степных лацдшфтов, а таете для районов о региональным распространением карста.

В заключении сформулированы основные результаты работы, которые представляют предмет защиты:

1. Выявлены основные пространственно-временные закономерности формирования подземной составляющей стока средних рек бассейна Волги. Установлено, что характер рельефа, особенности строения зоны аэрации, а также фильтрационные свойства пород зоны интенсивного водообмена играют важную роль в формировании и распределении подземного стока.

2. Важным стокообразующим фактором подземного стока являются годовые осадка (ноябрь - октябрь), которые в ббльшей мере обусловливают многолетние колебания стока, чем осадки отдельно за холодный (ноябрь - март) а теплый (апрель - октябрь) периоды. Для большинства рек необходимо учитывать осадка не только за текущий, но и за ряд предшествующих лет (в основном от 2 до 5 лет). Построены карты, характеризующие распределение по территории коэффициентов парной корреляции показателей подземного стока с различными гидрометеорологическими элементами.

3. Выделены зональная и азональная составляющие в формировании подземного стока. Установлено, что доля Еклада зональной составляющей в общую пространственную изменчивость модулей минимального зимнего и годового подземного стока составляет соответственно 27 и 32,что существенно меньше, чем для поверхностного стока - 62$.

4. Характер колебаний годового подземного стока определяется Соотношением влияния стокоформирующих факторов за данный год я запасов влаги в подземном бассейне за предшествующий год. Повышенная способность подземного бассейна интегрировать условия его уЕ-лажненнооти за многолетний период является осноеной причиной значительной внутрирядной связности рядов подземного стока а наличия некоторых временных трендов в стоковых рядах. Высокие значения ко-

эффициектов корреляции между смежными членами рядов стока

г(1) > 0,4 обнаружены в 64$ анализируемых случаев. Установлено, что только 10* рдцов подземного стока могут рассматриваться как последовательности независимых случайных величин. В большинстве случаев (85/0 для описания колебаний подземного стока в реки баосейна Волги целесообразно использовать авторегрессион-кые модели I, 2 и 3-го порядка. В 7% случаев возникает необходимость учета дальних внутрирадных связей - до 6-7 лет.

5. Установлено, что пространственная связнооть полей годо-еого подземного и минимального зимнего отока значительно меньше, чем полей общего стока и осадков. Связь колебаний подземного стока данного речного бассейна о колебаниями стока других бассейнов при их удалении более 80-100 км становится олабой

( 0,5-0,6). Выявлена значительная неоднородность полей показателей подземного стока. Одна из ее основных причин заключается в значительной дискретности поля подземных влагозапасов.

6. Произведено комплексное районирование бассейна Волги

по физико-географическим условиям формирования подземной составляющей стока с учетом климатических, геоморфологических и гидрогеологических особенностей речных бассейнов. Для выделенных районов составлены рекомевдация по выбору гидрометеорологических факторов при описании и прогнозе рядов подземного стока. Показано, что для рек бассейна Волги более целесообразны локальные, а не региональные (территориальные) методики прогнозов и расчетов подземного стока.

7. Разработана методика восстановления (продления) многолетних рядов подземного стока на примере рек бассейна Волги. В ее основе лежит адаптивная схема множественной линейной регрессии. При этом одновременно учитывается синхронность колебаний отока в приводимом пункте и стока рек-аналогов,связь с метеорологическими факторами и инерционность процессов формирования подземного стока. При восстановлении 25 наиболее пр должитель-ных рядов стока ( N > 40 лет), выполненного на независимом материале, получены удовлетворительные результаты для всех рядов.

8. Разработана методика долгосрочного прогноза годовых величин подземного стока с 9-месячной заблаговременностью. Реализована адаптивная авторегрессионно-факторная схема прогноза. Удовлетворительные результаты при прогнозировании на независимом материале 29 стокоеых рядов получены в 83$ случаев.

Дублвкаипи. По тема дисоерташк оиубяикоеткм у «.¿у«, ¿из работы:

1. Опыт исследования релзша грунтовых со,и с помощью юш-

старного анализа //Материалы X научной конференции молодых ученых геологического ф-та ШТ. Москва, 21-24 марта 1ШБ г. Fyгонись депонирована в ЗПШШ, Л 3243-33 от I0.C6.ÔS. С.52- й (в соввторстге о Г.Д.УстиновоЙ).

2. Результаты факторно-регрессионного моделирования условий формирования подземного стока Московского и Волго-Камского артезианских бассейнов //Гидрологические исследования лацдшзф-тое. НовооибирскШаука, IS66,0.119-331 (В соавторстве о Б.А. Пйагитш и др.).

3. Согласовагше полей подземного отока рек и стокоформи-рующих факторов //ПерспектиЕные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов. Тез.докладов П Всесоюзной конференции.Часть П. Севастополь, 2-4 октября 1965 г. Изд-во МЭИ, 1985. C.I4I-I42 (В-ооавторствэ о В.А.Дуком).

4. Вероятностные модели условий формирования подземного отока //Труды У Всесоюзного гидрологического съезда. Т.6. Теория и методы гидрологических расчетов, л. :Гидрометеоиздат, 1989. 0.66-72 (В соавторстве о В.А.Дуком,Б.А.Шмг-иным и др.).

5. Опыт долгосрочного прогнозирования подземного питания рек и уровней подземных еод динамико-статистическим методом // Труды ГШ, Исследования подземного стока, 1988. Вып. 335.

СЛ41-143 (В соавторстве о С.А.Леонтьевым).

Подписано к печати I8.I2.90f. Объем 1.0п.л. Зак.42. Тир.100 Типография МГГУ им. Н.Э.Баумана