Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Расчет минимального стока рек Северного Китая

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Расчет минимального стока рек Северного Китая"

ШШЕТЕРСТВО НАУКИ, вшш ШКОЛЫ и ТЕШНГОКОН штжп РОССШСКОЛ ФЕДЕРАЦИИ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ!! ГЩРШЕТЕЕРОЛОГШЕШЙ ИНСТИТУТ

I

' На правах рукописи

ЧЭН МШЦЗлН

■ РАСЧЕТ МИШШЪНОГО СТОКА РЕК

СЕВЕРНОГО КИТАЯ \ _

Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресуроы и гидрохимия.

I •

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на ооискапие ученой степени кандидата географических паук

Санкт-Петербург ■ 1993

Работа выполнена в Российском государственной гидрсметео- .

С£иг сальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки РСФСР, доктот> географических паук, профессор, С.А.Чечккн

Кандидат географических наук, ведущий научный' СОТРУДНИК, Г. А. ПЛ1ГЕКИН.

Ведущая организация - Ю ЖВЕКО

Защита состоится марта 1993 года - .асов на заседании специализированного совета К.063.19,01 в Российском . Государственной гидрометеорологической.инсти.уте.

Отзывы в двух экземпляра*, заверенные печать», просш направлять по адросу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр.98, РГП.Ш, Ученому секретари.

С диссертацией цокно ознакомиться в библиотеке Российского Государственного гидрометеоролсгичеокого института.

Автореферат разослан " /£ " ,1953г.

Ученый секретарь . -

рологическом институте.

Научный руководитель - доктор географических наук,

профессор, АЛ.Владимиров

( ЛЕНГ'ПРОВОДХОЗ )

спецкализироваккого совеп к.^.н.

Пу

А.В.Дикинис

. шш хлрактеризтш работ,ч

^Лальнооть^аботн. Рассматриваемый регион заишает лаж- • ное место в народней хозяйстве Китая. На его ¡плю приходилось 13.8 ? промшиленного и 10 % сельскохозяйственного произидства страны (по данньы 1980г.). Экономическое развитие и йроцесс урбанизации грив ел и к кризисным явлениям в области водных ресурсов .

В последнее десятилетие используется 90 % объша естественного сто;.а рек в бассейне Хайхэ и 80 % в бассейне Луаньхэ. Средняя многолетняя величина используемого стока рек Северного Китая составляет 56 # о* годового. Использование подземных вод достигает 12% от их эксплуатационных запасов. йтснсивное использование водных р^урсов как поверхностных, так и подзешлс вод вызывает массовые гидрологические, гидрогеологические и зко-. логические проблемы.

Наиболее остро вопросы количества годы встают в маловодный период, особенно в маловодные годы, к тому же олтрео, чел в других регионах страны, поскольку рассматриваемая территория относится к полузасушливому региону и в кал на дулу населения приходится объел водных- запасов меньше 16 % среднекитайского показателя к среднширозого показателя. Острые и катастрофические зг.сухй, наблюдающиеся в Северном Китае, наносят больной ущерб народному хозяйству, возрастающий по мере развития данного реглона.

Гидрологическая изученность рек этой территории не достаточна. Шепциеся научнее проработки по указанной территории не рассматривали условий формирования и методов расче'л миндального стока, характеризучдей одну из экстремальных фаз водного реаима. Поэтому понятна актуальное:?ь исследований ¡глкимгтьнэго

4 'i

стока, особенно в условиях в^ зрас "акций антропогенной нагрузки и ухудшения экологической обстановки.

Ц|лью_Еиссе£тацнонщйработа являлось изучение уолртй • формирования щипального стока и разработай методов его расчета для рек Северного Китая.

В соответствии о этим в диссертации решаются следующие задачи::

- анализ многолетних колебаний минимального стока с выделением маловодных периодов и оценкой репрезентативности данных гидрометрических наблюдений;

- разработка методов расчета минимального стока при наличии, недостаточности и отсутствии данных наблюдений за стоком;

- анализ периодов отсутствия стока в реках,

Метозико_иссле^втш1. Для реыения поставленных' задач использовались генетический анализ и географо-гидрологичеокие методы обобщений о применение.! вероятностно-статистических методов. Вое расчетные работы выполнены па ПЭШ IBA по разработан-иш автором программам.

ПзМная_новиана_2аботы оаклвч.аетоя в следу ицш:-

1. Разработаны методы расчета шшшалького стока неизучен-' ных рек для двух маловодных-сезонов, впервые определенных для условий иуссонного клшата средне - и низкогорного региона. »

2. Предлокено районирование исследуемой, территории по уело виям формирования минимального стока.

3. Выявлен« пространстяенно-вргмешше закономерности мтаго летних колебаний и статистическая структура рядов или шального стока.

А. Гсследоьаны периоды отсутствия стока для пересыхающих-

рек изучаемой территории.

Практическ^_значшость_работы. Полученные результаты могут оль использованы в практика планирования ранионального ис-• пользования водных ресурсов Северного Китая, при создании нормативных документов для расчета характеристик минимального стока, а таю!.з при разработке водохозяйственных проектов.

Основные положения т результаты диссертационной работы докладывались на научных семинар г: кафедры гидрологии суши РГШИ (1991, 1992), факультета водных ресурсов и гидрологии университета Хэ Хай (Нанкин, 1991), Нанкинокого научно-?'соледовательокого инсти' /та гидрологии и водных ресурсов (1991)..

.Объем_Еайоты. Диссертационная работа иг^ожена на 157 страницах машинописного текста, содержит вве, зние. пять глав, заключение. список литературы из 127 наименований, 16 рисугков, 22 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

обосновываемся актуаягнооть темы, излагается ■цель и задачи работы, а также основные положения, которые выносятся на защиту.

выполнен критический обзор совреиенных методов исследований проблемы минимального стока рек, включая изучение миншального стока ч Китае.

" На первых этапах исследования мпшмального стока рек (о конца 20-х годов налего века до начала 60-х годов) основные вопросы о минимальном стоке бита рассмотре,:ч в работах ^. М. Ко -черина, Н.Э.Шевелева, Н.Д.Антонова, А.М.Нэрватовв и др.

В середине 6П-х - начале 70-х годов внимание к вопросам

услозий йотирование минимального стока и разработки методов ег-о расчета резко возросло в разных странах, особенно в Советское Союзе. Были созданы нормативные документы по расчету мини- . малыюго стока. На этом этапе наибольший вклад в изучение минимального стока внес А.М. Владимиров.

3 ..лследкее десяггаетке продолжались работы по усовершенствованию методов расчета минимального стоке, особенно в РГТОИ (Ж.К), а также в ГГП, МГУ и других. организациях.

В настоящее время существующие методы расчета минимального сгока при отсутствии данных могут быть разделены на'-две группы: a) рапоннье завис;г'ости; б) карты изолиний.

А.У.Владимировым разработана обцея расчетная формула для определения иикшзльного 30-дневно1о расхода воды неизученных рек, как ockobhoíí характеристики минимального стока, связывающая его с площадью бассейна реки. В.Т.Чжоу, '».Балкэ и другими предложены зависимости, связывающие минимальный с:ок как о площадью "зодосо'^ра, так и с осадка«! адш годовым расхода« годы.

Анализ работ, посвященных исследованиям различных характер iicíKK минимального стока рек различных регионов позволяет сделать следующий пш'од: для рек равнинных районов формула, разработанная А.М.Владимировым, является универсальной для палых рек, а для средних применяются карты изолиний стока.Однако дач определения минимального стока рек горных районов отсутствует универсальный вид связи его характеристик с определявший факторами.

/нслпз пшногочг.сленных работ по минимальному стоку рек* Кит с.я показывает, что исследование условий формирования мини-мммгого стока, raí: и разработка методов его расчета производи'-'ся сие очеш- слабо, а тлеющиеся раЗоты носят частный харак-

тер. При этом отсутствуют широкие территориальное обобщения характеристик минимального стока, слабо разработаны даже кетог.ы оценки минимального стока при наличии наблюдений.

?2_510Е°;1_гла5е дг.зтся анализ физико-географических услояпй формирования минимального стбка рек исследуемого региона, а'также исходных данных наблюдений за минглальним сроком.

По орографии и геоморфологии рассмгтрнваалй регион рчзде-- ■ лен на 4 района. ■■ . г ■

1). Район I, находящийся 2 северной части.территории, включает в основном горные и полу горные районы' Внутрз^н ей f-íorir элии;

2). Район П, вклзчаст северно-хэбЕЙские с'реднегортгае районы и низкогорные'районы Йэньаань;

'•' '• 3). Район Ш, включающий различные мекгерн^е котловины, находится в западной, части каучашой терр;ггор::и;

' Ю. В районе' ГУ расположен хребет Тайхьньггань, имеющий различную морфологию. .

. Геологическое строение региона" в значительной мере определяет гидрологический реаш. Подземные воды существуют в.виде ■■. карстовых, пористых и прещинозатых. -/; _ • -

По клим&теоким условиям территория исследавений относится к континентальному муссонпому району. Зимний я геоенний.со-зо"Ч обычно засушливые с низкой температурой :ю:;духя, а летп:гй

сезон дожглкзый, осенний сезон - переходи Й от, дождливого до

• \

засушливого. .

Ahíuihj физико-географичеекк* и климгтичеоких упловгЛ территории чсспедовйний позголил.разделите маловэдн'Д период года па два маловодных оезока,'чтобы сохранить гейетгиеокую однородность рядов минимального стока рек. -' ... * . ' ' . На реках изучаемой i зрритории наблюдаются гэа мияогодных

сезона: зимний и весенне-летний, нейду .которыми на гидрографе стока не всегда выявляется четкая граница. 3 отдельных случаях весенне-летний малолюдный период может прерываться паводками . вследствие выпадания муссошшх доядей.

При исследовании миншального зимнего и весенне-летнего стока рек изучаемой территории использованы минимальные месячные расходы воды, как основные характеристики миншального стока рек, по 97 постам, период наблюдений на которых составляет 10 лет и более.

На территории исследований один гидропуикт приходится в р

среднем на 1600 км . Причем в районах нагорья один створ прихо-

2 2 дится в среднем на 2400 км , а в других районах - на 1200 ки .

Основное кол;.;ество створов, составляющее 43 % от общего .

о

числа, шевт площади бассейнов от 200 до 2000 ки . Дя" большинства пунктов (83£) период наблюдений изменяется от 20 до 40

лет, из ни. 52% пунктов замыкаю водосборы с площадями до 2000 ?

км , т.е. наблюдения велись за стоком средних и малых рек.

В_т]2етьей_главе рассмотрены пространственно-временные законом рности изменения многолетних колебаний минимальных месячных расходов воды в оба сезона, сделан анали? статистической отруктуры 6Ц рядов наблюдений за гчнимальным отоком. .

В основе оценки пространственно-корреляционных функций для изучаемой территории гыделено 7 районов, отличающихся степенью синхронности колебаний зшнего и весенне-летнего стока.

В выделенных районах проведен анализ совпадения фаз водности. В большинстве случаев исследуемые ряды наблюдений отра-япют цикличность многолетних колебании и включал?'фазы различной - повышенной и пониженной водности. В результате установлено, что за период о 60-х до 7С х годов по всей территории наб-

у

лю;.ался маловодный период в оба сезона за исключением басоеПиа ; р.Чяанхэ, где п-риод маловодья наблюдался в 50-х годах. В северной части территории маловодный тер под 60-х и VO-х годов в зимний сезон начинается раньше, чем в весенне-летний ссзон. ■

Для оценки случайности стоковых рядов использовались кр'и-. терии длин, и числа сорий. В результате установлено, что в целом • ' по всей территории для 85 % рядов миншального эшпго стока и 90 % рядов миншального весен"е-летнего стока полностью характерна модель случайной последовательности с вероятность!) У9 %, Вое полученные ряды по критериям обще, j "исла серий и максимальной длины серий приходятся на реки районов 3, 5 для зимнего стока и районов И,и 71 для весенне-летнего стока, расположенных • • Практически на одной и той se территории. Анализ автокорреляционных Лункций по.лзал, что для большинства рядов минимального ' стока на всей территории возможно применение модели случайных в-еличин. Для рядов отдельных рек районов.3 и 5 в зимний сезон, И и 71 в весенне-летний сезон модель случайных величин не является подходящей.

Оценка однородности рядов минимального, стока обоих сезо-. нов производилась при помощи параметрических критериев Стьвден-та и Ътере. В результате згетановяено, что при I>'-поп уровне, значимости числа неоднородных рядов составляет J5-3*/ % общего -числа изучаемых рядов в зимний сезо!» и "2S-35 в веяенке-лет-ний. Наиболее вероятаистной причине": появления неоднородных . рядов является в первую очередь, влияние осадков в мэкенный , • период, а также забор воды из рек на орогсениь заеугалтгвкс зс-. мель.

Исключение составляют ряды пунктов, которые находятся г зоне карстующихся пород. К ним относятся следушие пункты:

р.Люхухэ - п Чельзясова, р. X; ,,хз - п. Лодясуан, Р> Миэга' -«

п. Дг-у, р. Ехз - п. Пинсон. Для анализа рядов к..шш..ального стока этих рек иледует принимать модель в виде простой цепи Маркера.

§_ч§твертой_г..аве приведена методика расчета мин шального ^токг для условий исследуемой территории. В хгде исследований рассмотрены два основных этапа: расчет минимального стока при наличии данных и расчет минимального стока при отсутствии данных наблюдений. Результаты расчета минимального стока иэ"ченных рек служат основой анализа и расчета минимального стока неизученных рек.

На первом этапе производились выбор расчетного периода й оценка параметров распределенга минимального стока, а такяе рассмотрены разные типы кривых обеспеченности минимального стока.

Результаты анализа пространственно-временной закономерности многолетних колебаний минимального стока и статистической структур'/ рядов наблюдений позволил выбрать расчетный период для определения птаметров функций распределения вероятностей стока, прежде всего, нормы и коэффициента вариации. Установлено, что для всей исследуемой территории продолжительность репрезентативного расчетного периода составляет 20-25 лет как для зимнего, так и для весенне-летнего стока. Этот период начинает в конце 50-х начале С0-* годов и включает маловодную фазу 60-70-х годов.

Про:! л еден анализ соогветотвования эмпирических кривых обеспеченности аналитическим кривым (трехПараметрпческое гамма-ттспрсделзнпе') с использованием критерия согласуй Колмагорова. Установлено, что как в зимний, так и б весенне-летний сезоны * около *.0 3 э; пир::ческих кривых' .беснеченности не согласуются с аналитической кривой, причем они расположены по территории равномерно.

Анализ фошы эмпирических кривых обеспеченности позволил сделать вывод, что при определении стока расчепой обеспеченности рек территории исследований могут быть использованы преимущественно сглаженные э1. лирические кривые обеспе"енгости.

Для «аксшального использования данных о минимальном стоке проведена оценка средних значений мичимг'ьного стока относительно коротких рядов 10, 15, 30 и 25- летние п-риоды с их средне-многолетней величиной. Установлено, что в оба сезо- 1 доля отклонения значений минимального стока за различные короткие периоды от их средншноголетней величины на Ю % составляет 67 а на 20 % и более - только 8.8

На основу анализа факторов формирования минимально: стока рек, включая гидрогеологические условия, произведено районирование исследуемой территории с выделение! II районов для зимнего сезона и 9 районов для аесенне-леткего,

В выделенных районах произведен аналлз зависимости минимального стока о-, средне., высоты и площади водосбора. В результате1 установлено, что одновременной связи модуля минимального стока со средней высотой и площадью водосбора практически не имеется. Лшь в котловинах Вэйщен и Датун^для рек с площадью 2

водосбора дс 1500 км . существует достаточно теснач линейная связь мог"ля зимнего стока о площадью водосбора.

Наиболее тесная связь, имеющая расчетный характер, установлена и езду минимальным месячным расхода.! воды и площадью бас-оейна. Среднее отклонение эмпирических точек от линий связи в разных районах находится в пределах от 2 % до 20 ота зависимость описывается уравнение!.! вида:

где О- - средний многолетний минимальный месячный рг.с-од

воды в зимний или весенне-летний сезоны, и3/с; А - площадь бассейна реки, км2;

О. и 71 - районные параметры, характеризующие условия формировь ния миншального месячного стока.

В весенне-летний сезон в районе 9 связь Q=f(A) уотанов- .

р

лена при площади водосбора более 200 км , поскольку при меньшей площади в течение месяца и более наблюдается пересыхание рек, поэтому расчетная формула имеет вид:

Q = 0 0/2 (А -200) ( 2 )

Для горного района в зимний сезон определен явное влияние средней высоты водосбора, что может быть выранено формулой:

£O.O0/4SИср -/.&! . С 3 )

, , q_non;*.Tb cptflH^nH-""ont5THere

где Hep - средняя высота водосбора, и?„ин1лпальн0г0 тсячно,с сток«, Средняя погрешность расчета составляет В,2$.' Результаты сследован.,2 позволили сделать вывод, что зави-сшостк Q=*f(A) характеризуются в большинстве случаев достаточ-■ но тесной сгязьв и могут рекомендоваться для определения нормы • миндального стока неизученных рек территории Северного Китая, в оба маловодных сезона.

При расчете минимального стока различ-ой обеспеченности ■ для неизученных рас использован метод переходных коэффициентов. За онэрнуа характеристику принят минимальный месячный расход воды 80 '(о-ноР обеспеченности.

Резульг.-.ты анализа ивязи Ú$o/ =f(Ü) построенной для всех районов показал, что по изменчивости переходного коэ'М^и-ц.;спта выделенные районы могут быть объединены в б районов как для о;з.!!1его, так и для весенне-летнего сезонов. Средняя погрешность расчета минимального стока 80^-ной обеспеченности состав-

ляс 15 £ в оба сезона.

• Определение переходных коэффициентов от минимального стока 00 #-иой обеспеченности для расчета стока 75, 85, 90, 95, 97 <&ной обеспеченности такие производилось по некоторым ^бъедипенпш районал: 5 районов для зимнегЬ сезона и 3 .района для веоенне*-летнего. .

§^той_главе произведен анализ периода отсутствия стока на реках, разработана методика исследования периодов отсутствия стока с различной продолжительностью. '

Лтлиз слсутстзия стока выполнен 1а примере рек, протека цнх в районах: тщзовье р.Луаньхэ и бассейн р.Футохэ.

Евневич (1972) и Хсрпфелд (1972) при исследовании засухи, использовали теории сср:з1, получили распределение вероятности -периодов засухи с различной продолжительностью, а тагсхе формулу оценки параметра этого распределения.

Гспользуя-теории серий, ды критической заданной величины оуточного сгока О.о~0, распределенис^вероятности серий (сутки, при <Л~иойет описываться функцией .

Р= рк~*-и-р), 0<р<1. со

где Р - вероятность появления нулевого стока о продоляптелъ-ностьп К суток;

~Р -'параметр распределения, который является условной вероятность!!) появления одного дня с отоутствчем стока ( ) после наступления пересыхания.

Дот оценки параметра р этого геометрического распрсдояе-нгл применяете*. следующее уравнение

= Л

1-р /V. .

где Т0 ~ суммированное число дней отсутствия стока г русле

ь ■

реки за вез рассматриваемые годы;

Л/о - общее число всех периодов отсутствия с различней продол-, кительностью.

Проверка результатов расчета может производиться путем сравн-'пи фактического ч расчетного интегральных чисел продолжительности отсутствия стока. Расчетное инте"?альное число продолжительности отсутствия стока производилось по уравнению

N( б )

где Л/д - интегральное число периодов отсутствия стока с продолжительностью К дней и более.

В результате сцепки Р установлено, что в большинстве слу-

* • •

чаев погрешность оценки р не превышает 20

Закономерность изменения Р (или р ) по района! зависит, главны'.: образом, от климатических и геогр&фичесх^их условий.

При определении параметра р для пересыхающих рек бассейн р.^утохэ получилась зависимость:

р =*.ША~°-0/2 (V-) .

где А ~ площади водосбора в км.2 и для переоыхающих рек низовья р. Луаиьхэ. _0-ог6

.(8)

где В- - модуль нашеггьсего месячного стока в году.

Средняя погрешность определения р по указанным зависимостям составляет 2 5?. '

§_2Ш£ЗК£Ш5! сформулированы осноьные результаты работы.

1. Установлено, что для рек Северного Китая маловодный период разделяется на. два сезона: зимний и весенне-летний, чт{ связно с климатическими условиями рассматриваемой территории,

2. Территория исследований районирована по условиям фор- ■

миро-аннл минимального стока в з:;.шкй и вессннс-летнтЧ сезоны. Выделены II райокоь для зимнего и 9 районов для весенне-летнего сезонов.

3. Разработана расчетная сха:а для определения ко^чы минимального зшнего и весенне-летнего о тока неизученных рек исследуемой территории, базирующаяся на анализе условий формирования стока в маловодные сезоны для указанных районов. В основе реко-мендуеыой расчетной схв.ш лекит использование зависимости нормы минимальных расходов воды от площади Еодосбора, а также зависимости модуля минимального стока от средней высоты водосбора реки.

Средняя погрешность вычисления нормы миндального месячного стока рек в зимний период составляет 12 %% а в весенне-летний 13 %, изменяясь по р-Г;онш и сезонам от 2 до 23

4. Расчет минимального стока 80 %-щ!л обеспеченности неизученных рек производился с использованием переходных коз^фпциен-тов, определенных для пести районов-, выделенных для каждого сезона, по связи с их среднемноголетними величинами. Средняя погрешность определения стока 80 $-ной обеспеченности составляет 15 % в оба сезона. •

Определение миншального стока различной обеспеченности С 75 85 90 % -95 97 производилось и с ¡гепользовани-ш пере'хЬдиых коэффициентов, определенных по их связи с величинами минимального стока ВО ^-ной обеспеченности. Погрешность оостг.вляет 0-15 % в оба сезона.

5. Произведено районирование территории но синхронности многолетних колебаний миншального стока в оба сезона. Установ-

- лены лространствешю-гремешше закономерности колебаний лтока.

■5. Анализ статист.гческой структуры рядов показал, что болн.;:пство яопользог-ачных для исследований рядов иигимальгогэ

/5 ■ 8

как зимнего, так и весенне-леттго : ~сяч..ого стока являются слу-»

чайны'и, независимыми и однородными по среднему -ша^пию.

.7, Выделены репрезентативные периоды и произведена оценка " точности определен-1 статистических параметров стока по имеющимся рядам наблюдений.

8. Анализ соответствия эмпирических кривых обеспеченности минимального стока теоретическим распределениям (кривым Крникого-Нен к е ля) показал, что как для зимнего месячного стока, так и для весенне-летнего стока около 40 % эмпирических кривых не согласуется с теоретическим распределении,!, причем они по территории расположены равномерно. •

9. Проведен анализ периода отсутствия отока. в реках и предложена методика исследований :ериэдов отсутствия стока с различной продолнитслъностью. Использована теория серий для анализа периода отсутствия стока и получено геометрическое распределение вероятности появления отсутствия стока с различной продолжительностью. Производилась оценка параметра этого распределения и предложена расчетная ехала для его определегия при отсутствии даниьх наблюдений, основанная на его завиокмоотях от площади водосбора для ежегодно пересыхающих рек и от модуля'минимального месячного стока для эпизодически пересыхающих рек.

Средняя погрешность определения параметра распределения по этим зависимостям составляет меньше 2

Цо_1вле_аиссе£та!!ии_дщ[бликов§ны следующие работы:

1. Пространственно-временные колебания минимального зимнего стока рек Северного Китая ■ // Труды РГШИ ( в печати). *

2. Шзср современна методов исследований минимального стока рек // Нанк-ш, "Успех водных наук" (в печати) (на китайском языке). ;

::одт сало печать 1.03.93. П.л. 1,С,тир. '¡ХСэкз..