Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Сток рек бассейна Терека

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Сток рек бассейна Терека"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи УДК 556.5.01, 556.535, 556.5.072

РЕЦ Екатерина Петровна

СТОК РЕК БАССЕЙНА ТЕРЕКА

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

18 ДПР 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА - 2013

005051881

005051881

Работа выполнена на кафедре гидрологии суши географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель - ФРОЛОВА Наталья Леонидовна

доктор географических наук, доцент кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ

Официальные оппоненты - ГЕЛЬФАН Александр Наумович

доктор физико-математических наук, заместитель директора Института водных проблем РАН

ПЕТРАКОВ Дмитрий Александрович

кандидат географических наук,

старший научный сотрудник географического

факультета МГУ

Ведущая организация - Институт географии РАН (г. Москва)

Защита состоится «25» апреля 2013 г. в 15 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, А8. Автореферат размещен на сайте Географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (http://www.geogr.msu.ru/) и на сайте ВАК.

Автореферат разослан « » марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор

Савенк° в.с.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Бассейн р. Терек является одним из наиболее сложных в природном отношении регионов России. Горный рельеф, высотная зональность климата, значительная неоднородность полей метеоэлементов являются причинами возникновения здесь больших контрастов в условиях формирования стока рек. Вследствие этого в бассейне Терека существуют как проблемы с дефицитом воды, так и с ее избытком.

Для бассейна характерно регулярное проявление разнообразных опасных природных процессов, постоянно создающих угрозу безопасности жизнедеятельности населения. Равнинная часть Терского бассейна - один из наиболее густонаселенных регионов нашей страны и один из крупнейших районов поливного земледелия, которое сосредоточено в предгорной и равнинной частях бассейна с засушливым климатом.

Несмотря на достаточно большое внимание к бассейну Терека различных ученых (П.М. Лурье, А.Н. Важнов, И.А. Шикломанов, A.B. Погорелов, В.Д. Панов, В.Н. Михайлов, Н.И. Алексеевский, И.В. Землянов, О.В. Горелиц и др.), результаты существующих на данный момент исследований не могут быть достаточными для планирования водохозяйственного развития бассейна, проектирования сооружений и организации системы защиты населения и хозяйственных объектов от опасных гидрологических процессов. Обобщения, изложенные в монографии «Ресурсы поверхностных вод СССР» (1973), являются последним примером детальной разработки зависимостей и карт для расчета гидрологических характеристик неизученных бассейнов в пределах бассейна Терека. В настоящее время, по прошествии 30-ти лет, данные расчетные схемы можно считать сильно устаревшими.

В существующих трудах, посвященных бассейну Терека, не приводится подробного системного анализа направленности изменений характеристик речного стока, а также современных изменений климата на территории Северного Кавказа. Отсутствуют примеры комплексного анализа факторов

стокоформирования как возможных предикторов характеристик водного стока рек Терского бассейна для их расчетов и прогнозирования.

В условия Терского бассейна методы исследования речного стока, разработанные для равнинных территорий, часто становятся неприменимыми. Для выбора корректных подходов к изучению особенностей водного режима рек Терского бассейна требуется учет специфики формирования стока горных рек. Методам же исследования, расчета и прогноза гидрологических и метеорологических характеристик горных территорий в отечественной литературе традиционно уделяется меньше внимания, что предопределяет необходимость особого рассмотрения процессов формирования стока горных рек.

Объектом исследования являются реки Терского бассейна. Предметом исследования - условия формирования и пространственно-временное распределение характеристик водного стока рек бассейна Терека.

Цель исследования - изучить особенности процессов формирования водного стока в бассейне Терека, пространственно-временного распределения его характеристик, разработать методики и средства их прогнозирования и расчета.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• выявление основных факторов, определяющих формирование водного режима рек Терского бассейна, степени и характера их влияния на различные характеристики стока;

• изучение пространственной связности многолетних колебаний характеристик температуры воздуха и атмосферных осадков на исследуемой территории;

• выявление и анализ современных изменений климата, характерных для бассейна Терека;

• исследование пространственного распределения и многолетних колебаний характеристик годового, минимального и максимального стока;

• анализ существующих подходов к прогнозу и расчету стока рек горных территорий, разработка зависимостей и карт для расчета характеристик стока с неизученных частей Терского водосбора, построение соответствующих прогностических зависимостей;

• изучение существующего опыта физико-математического моделирования стока рек горных территорий и отдельных составляющих процесса его формирования;

• разработка физико-математической модели таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне как основы модели формирования стока горных рек.

Методика исследований и фактический материал. В данной работе использовались данные наблюдений по 42 гидрометрическим постам на реках Терского бассейна продолжительностью за период до 2008 г., а также ряды наблюдений на 30 метеостанциях, расположенных в центральной и восточной части Северного Кавказа. При проверке разработанной физико-математической модели таяния в гляциально-нивальной зоне использовались материалы работы ледникового отряда МГУ на гляциологической станции Джанкуат, собранные при участии автора.

В исследовании использованы разные методы - от традиционных методов математической статистики и географического обобщения до геоинформационных методов и физико-математического моделирования. Для решения задач широко использовались современные программные комплексы, прежде всего, Агс^б, 51аП5Пса и Ехе1, а также собственные программы, написанные на языке Фортран.

Основные защищаемые положения:

• рекомендации при решении задач интерполирования различных характеристик осадков и температуры воздуха между пунктами метеонаблюдений для гидрологических исследований в пределах центральной и восточной части Северного Кавказа;

• районирование бассейна Терека по условиям формирования водного режима рек;

• эмпирические зависимости и карты для расчета характеристик минимального, среднегодового стока и максимальных уровней воды для неизученных бассейнов;

• выявленные тенденции направленных изменений характеристик минимального, среднегодового стока и максимальных уровней воды рек Терского бассейна и их сопоставление с современными климатическими изменениями и другими факторами формирования стока;

• методики краткосрочного прогноза уровней и расходов воды опасных паводков, долгосрочного прогноза стока рек в многоводный период, а также методики долгосрочного прогноза минимальных месячных расходов воды для ряда участков рек Терского бассейна;

• физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне.

Научная новизна работы заключается в том, что представленные результаты анализа пространственно-временного распределения характеристик речного стока основаны на наиболее современных данных, а также на детальном рассмотрении процессов формирования стока и определяющих их факторов в пределах Терского бассейна.

Впервые оценены возможности интерполяции характеристик температуры воздуха и осадков в разные месяцы между пунктами наблюдения в горной и равнинной части бассейна.

Построены обновленные карты и зависимости для определения характеристик минимального, годового стока и уровней воды в период максимальной водности. Для некоторых характеристик подобные зависимости и карты построены впервые. Обновлено и уточнено районирование Терского бассейна по водному режиму. В данном районировании были учтены не только особенности внутригодового распределения стока, но и основные факторы его

формирования, а также особенности многолетних колебаний характеристик стока.

В условиях современной возрастающей опасности наводнений для ряда пунктов в пределах бассейна Терека, попадающих в области наиболее вероятного затопления, были разработаны методики краткосрочного прогноза максимальных уровней воды. Были рассмотрены возможности применения метода тенденций для прогноза характеристик минимального стока воды в условиях Терского бассейна, более подробно разработанного для равнинных рек, построены соответствующие прогностические зависимости для ряда пунктов. На основе регрессионного анализа были выбраны наиболее репрезентативные метеостанции современной сети метеонаблюдений и наиболее результативные предикторы для прогноза стока рек в многоводный период для ряда горных водосборов исследуемой территории.

На основе последних данных были выявлены тенденции современных климатических изменений и направленных изменений характеристик стока.

Впервые в нашей стране разработана физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне с распределенными параметрами, отвечающая современным возможностям измерения метеоэлементов.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные карты и эмпирические зависимости могут быть использованы для проектирования различных сооружений в пределах Терского бассейна. Районирование исследуемой территории по условиям формирования водного режима может быть применено при разработке схем комплексного использования водных ресурсов бассейна. Разработанные прогностические зависимости дают возможность повысить эффективность эксплуатации многих сооружений и предотвратить ущерб населению и хозяйственным объектам. Предложенная физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне может послужить основой разработки моделей стока рек горных территорий, необходимых для организации системы

мониторинга за опасными гидрологическими процессами в высокогорных бассейнах.

Физико-математическая модель таяния снега и льда, адаптированная для местных физико-географических условий, была использована для моделирования различных сценариев таяния наледей, образующихся в результате сброса очищенных сточных вод с проектируемых сооружений для площадок Космодрома «Восточный» (по заданию Рососмоса). Разработанные в рамках диссертационной работы методологические подходы к оценке характеристик опасных гидрологических процессов на горных реках были использованы для изучения водного режима р. Мзымта в целях проектирования инженерной защиты Олимпийских объектов, расположенных на Имеретинской низменности (по заданию ГК «Олимпстрой»),

Результаты работы вошли в отчеты: государственного контракта от 16 августа 2006 г. №1 -СКИОВР «Разработка схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Терек»; гранта РФФИ № 09-05-01182 «Современная эволюция ледников Кавказа и их водных ресурсов как отклик на новейшие тренды климата»; отчет по Государственному контракту № 02.740.11.0336 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2011); отчет по государственному контракту № 12 от 14 декабря 2010 г. на выполнение научно-исследовательских работ для федеральных государственных нужд по теме «Изучение пространственных особенностей экстремальных гидрологических условий на территории Российской Федерации и подготовка научно обоснованных предложений по минимизации их негативного воздействия на социально-хозяйственный комплекс страны»; отчет по проекту РФФИ: № 10-05-00252 «Влияние изменений климата на формирование речного стока и опасных гидрологических явлений на юге Европейской территории России». Методологические средства оценки характеристик водного режима рек Терского бассейна разработаны в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2011, госконтракт П164 «Совершенствование системы мониторинга

гидрологических процессов для повышения эффективности и безопасности водопользования»).

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (2007, 2008, 2009), на научных конференциях молодых ученых и талантливых студентов Института водных проблем РАН (2008, 2009, 2010), на VII Конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей» (2009), на научно-практической конференции молодых специалистов в ОАО ПНИИИС «Инженерные изыскания в строительстве» (2008, 2009), на совместных конференциях ИВПАН и МГУ в 2011-2012 гг.

Результаты работы также докладывались на международных научных конференциях: в 2008 г. — в рамках международного научного семинара, посвященного обсуждению результатов совместных гидролого-гляциологических исследований ледников Кавказа, Кузнецкого Алатау и Кодара (Германия, Мюнхен); в 2010 г. - на VI Всемирной конференции FRIEND «Global Change: Facing Risks and Threats to Water Resources» (Марокко, Фес); в 2012 г. на XXXII Международном географическом конгрессе (Германия, Кёльн).

Публикации. Итоги исследований изложены в 17 работах, из которых 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ, 1 глава в коллективной монографии, 1 статья в ведущем международном журнале, 1 статья в энциклопедии, 7 статей в прочих сборниках и 4 тезисов докладов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 277 страниц, включая 131 рисунок, 18 таблиц, 11 приложений. Список литературы содержит 94 наименований, из которых 61 работа отечественных и 33 работы зарубежных авторов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи работы, перечислены основные защищаемые положения, охарактеризованы ее научная новизна, практическая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе «Общее физико-географическое описание бассейна Терека» приведены особенности гидрографии, рельефа и геологии, общее описание климатических условий, почв и растительности, современного оледенения бассейна. Также даны сведения о гидрологической изученности бассейна и антропогенном использовании водных ресурсов.

Глава 2. «Пространственно-временная изменчивость метеорологических характеристик центральной и восточной части Северного Кавказа». С целью оценки пространственной скоррелированности колебаний метеорологических характеристик на территории бассейна Терека

были рассчитаны

корреляционные матрицы

среднегодовых температур воздуха, годовых и месячных сумм осадков для 24 метеорологических станций центральной и восточной части Северного Кавказа.

Основным фактором степени связности колебаний является разница абсолютных отметок высот между пунктами наблюдений. Для пар равнинных метеостанций

(#< 1000 м), разница высотных отметок для которых не превышает 500 м, коэффициент пространственной корреляции колебаний среднегодовых

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Рис. 1. Изменение среднегодовой температуры воздуха на равнинных метеостанциях. Синие линии - графики 15-летнего скользящего среднего, красные пунктирные линии - линейный тренд за период наиболее интенсивных изменений: 1 - Кочубей; 2 - Гудермес; 3 -Буйнакск: 4 — Нальчик: 5 - Минеральные воды; б -Владикавказ

температур воздуха (г) составляет в среднем 0,8-0,85, для горных метеостанций (Я> 1000 м), абсолютные высоты которых различаются не более, чем на 500 м, >•=0,7-0,75. С увеличением разницы высот между пунктами наблюдений скоррелированность многолетних колебаний среднегодовых температур воздуха уменьшается до г=0,5-0,6. При этом расстояние между пунктами наблюдений, изменяющееся от 5 до 500 км, оказывает несущественное влияние.

Скоррелированность колебаний характеристик осадков на территории бассейна в целом сильнее зимой, в первой половине весны и осенью. Если принять значение г = 0,75 критическим, в пределах горной части исследуемой территории возможно проводить интерполяцию значений месячных сумм осадков за холодный период года (с ноября по апрель) при разнице высот менее 1000-1500 м и расстоянии между пунктами наблюдений менее, чем 100—150 км, в зависимости от месяца года. Таким образом, возможна оценка объемов снегозапасов в бассейнах рек Терского бассейна по данным сети метеонаблюдений аналогичной анализируемой, что крайне важно для прогнозов речного стока. На равнинной территории скоррелированность колебаний характеристик осадков в целом ниже, надежная связность многолетних колебаний месячных сумм осадков прослеживается только зимой на расстоянии не более 55-125 км. Летом же возможности исследования пространственного распределения осадков весьма ограничены сильной пространственной неоднородностью их полей, особенно на равнинной территории.

Основными тенденциями современных изменений климата на Северном Кавказе являются:

1. Статистически достоверное увеличение среднегодовой температуры воздуха как за счет летнего, так и за счет зимнего сезонов и уменьшение числа дней в году с отрицательными температурами воздуха для равнинной территории Терского бассейна, приобретшее наибольшую интенсивность, начиная с середины 1980-х гг. Линейный тренд увеличения среднегодовой температуры воздуха в период с 1986 г. по настоящий момент

составляет от 0,5-0,83°С/10 лет (рис. 1).

2. В пределах горных территорий бассейна Терека в период с начала метеорологических наблюдений (1940-1960 гг.) по начало 1990-х гг. происходило направленное снижение среднегодовой температуры воздуха. Начиная с конца 1980-х - начала 1990-х гг. значения среднегодовой температуры воздуха стабилизируются, для некоторых метеостанций намечается тенденция роста;

3. Для большинства горных и равнинных метеостанций, расположенных в западной части исследуемой территории, характерно статистически достоверное увеличение годовой суммы осадков в течение всего периода наблюдения, причем как за счет твердой, так и за счет жидкой составляющей. Линейный тренд увеличения годовой суммы осадков составляет от 2,25% до 5,8% за 10 лет. В центральной части и на юге бассейна наблюдается статистически недостоверная тенденция повышения количества осадков. В восточной части бассейна и на примыкающих с востока территориях наблюдается цикличность многолетних колебаний осадков, на фоне общего повышения, понижения или сохранения среднего значения на одном уровне.

Глава 3. «Факторы формирования пространственно-временной изменчивости стока горных рек». Особенности процессов формирования стока в горах связаны, прежде всего, с вертикальной зональностью климата (закономерными изменениями климатических элементов с высотой). Вследствие общего увеличения суммы осадков с высотой в бассейне горных рек, для более высокогорных территорий в целом будет наблюдаться больший слой стока. Увеличение объемов снегозапасов с высотой, связанное с увеличением количества осадков и продолжительности холодного периода, предопределяет формирование различных типов питания и водного режима рек с разным высотным положением водосбора. Влияние рельефа на климатические условия сказывается в направлении обособления отдельных орографических форм, в различиях между противоположно ориентированными склонами. Широкое распространение трещиноватых пород или же

крупнообломочного чехла отложений в отдельных частях бассейна Терека создает предпосылки для многолетней естественной регулирующей способности речного бассейна.

В горной и предгорной частях бассейна реки Терек в области распространения определенных тектонических структур, обладающих регулирующей способностью, естественная зарегулированность играет важную роль в формировании стока рек. Это проявляется в высоких значениях коэффициентов внутрирядной связности, а также в том, что многолетние колебания характеристик стока показывают слабую зависимость от колебаний сумм осадков, измеряемых на горных и предгорных метеостанциях.

В тех горных областях бассейна р. Терек, где многолетняя зарегулированность стока не оказывает такого мощного влияния, многолетние колебания среднегодовых расходов воды коррелируют с многолетними колебаниями годовых сумм осадков на репрезентативных горных метеостанциях. При использовании в качестве предикторов данных о сумме осадков на 2-3 репрезентативных метеостанциях, коэффициенты множественной корреляции составляют 0,65-0,75.

Для равнинных рек, область формирования стока которых находится преимущественно в предгорном и низкогорном поясах, характерно существенное влияние многолетних колебаний атмосферных осадков на величину стока рек. Совместное использование данных о стоке предыдущих лет и сумме осадков на равнинных территориях позволяет получить множественные регрессионные зависимости для среднегодовых расходов воды с высокими коэффициентами корреляции (0,8-0,9).

Для горных бассейнов основным фактором величины стока в первую, большую часть весенне-летнего многоводного периода являются суммы осадков за холодный период, особенно за январь - апрель. Для тех бассейнов, для которых существенна естественная многолетняя зарегулированность стока, прослеживается также зависимость от расходов воды в предшествующий год.

Для бассейнов,

расположенных в

предгорном и равнинном поясах, зависимость стока в летне-весенний период от суммы осадков за зиму прослеживается достаточно слабо. Это связано с меньшей долей таяния снега в структуре питания. Многоводный период в большей мере формируется дождевыми паводками, что отражается в достаточно четкой зависимости стока за многоводный период на таких реках от летних сумм осадков на равнинных метеостанциях. Вследствие значительной регулирующей способности речных водосборов в предгорной части, существенным фактором величины стока в многоводную фазу являются также расходы воды за предыдущие годы.

Глава 4. «Особенности пространственно-временной изменчивости годового и минимального стока в бассейне Терека». По данным наблюдений на 42 гидрометрических постах, расположенных в бассейне Терека, были рассчитаны характеристики распределения среднегодовых и минимальных расходов воды по данным до 2008 г.: среднее многолетнее значение, коэффициент вариации (Су), соотношение CJCV, автокорреляционные функции г(т); построены разностно-интегральные кривые, пространственно-корреляционные матрицы, функции распределения номера лимитирующего месяца и т.п. Анализ особенностей пространственного распределения данных характеристик позволил построить карты-схемы модуля среднегодового (Мер) и минимального месячного стока зависимости Мс? и Л/миц мес от средней

высоты водосбора (Нср), которые делятся на несколько ветвей для различных

Рис. 2. Карта-схема пространственного распределения среднегодового модуля стока в бассейне р. Терек

частей бассейна Терека; зависимости С„ среднегодовых и минимальных месячных расходов воды от средней высоты и площади водосбора; зависимость

среднего

номера лимитирующего месяца от #ср, зависимость отношения &,и„.мес/&р ОТ средней ВЫСОТЫ водосбора. Некоторые из перечисленных зависимостей и карт представлены на рисунках 2-5.

Для верховьев рек Терек, Малка, крупных притоков Терека и р. Сунжа в верховьях характерна однородность рядов среднегодового и минимального стока. Для них также не характерна значительная внутрирядная связность рядов минимальных месячных и среднегодовых расходов воды, и при этом многолетние колебания минимальных месячных и среднегодовых расходов воды происходят достаточно синхронно.

Второй тип многолетних колебаний минимального и среднегодового стока распространен в основном на высокогорной и среднегорной части правобережья р. Баксан и примыкающего к нему левобережья р. Терек, от верховьев р. Чегем на западе до верховьев р. Гизельдон на востоке. Данная территория совпадает с областью распространения доюрских складчато-глыбовых структур, и, как показано в главе 3, вследствие большой регулирующей способности бассейнов данных рек многолетние колебания стока мало чувствительны к климатическим воздействиям.

Для рек данного типа характерна значительная внутрирядная скоррелированность рядов среднегодовых и минимальных месячных расходов воды. Коэффициент /-(1) среднегодовых расходов воды составляет в среднем

Средняя высота бассейа, м

Рис. 3. Зависимость среднего минимального месячного модуля стока рек Терского бассейна площадью от 200 до 5000 км2 от средней высоты водосбора

0,5-0,65, минимальных месячных расходов воды - от 0,4 до 0,75. значительная внутрирядная скоррелированность рядов среднегодовых расходов воды наблюдается только в «ядре» области распространения доюрских складчато-глыбовых структур, в то время как многолетняя зарегулированность характеристик минимального стока наблюдается также по ее периферийным частям, т.е. на более обширной территории. В многолетних колебаниях как среднегодового, так и минимального месячного стока этих рек выделяется период пониженной водности с достаточно монотонными, низкодисперсными колебаниями стока с 1920-х до середины-конца 1970-х годов, после чего происходит резкое, скачкообразное увеличение математического ожидания и

дисперсии (р. Чегем на рис. 6).

Рис. 5. Зависимость математического Рис. 6. Многолетние колебания ожидания номера лимитирующего месяца среднегодового и минимального от средней высоты водосбора месячного расхода воды для некоторых

рек Терского бассейна

Третий тип многолетних колебаний характеристик среднегодового и минимального стока характерен для рек, водосборы которых расположены в низкогорной и предгорной части бассейна р. Терек. Это реки, для которых характерна наиболее сильная в Терском бассейне внутрирядная связность как для рядов минимальных месячных, так и для рядов среднегодовых расходов воды. Значения г(\) рядов среднегодовых расходов воды достигают 0,7-0,8, для минимальных месячных расходов воды - 0,8-0,9. При этом коэффициенты корреляции между колебаниями минимального месячного и среднегодового стока также велики. В многолетних колебаниях минимального месячного и среднегодового расхода воды прослеживаются ярко выраженные циклы, на фоне которых происходит общее увеличение математического ожидания и дисперсии рядов (р. Камбилеевка на рис. 6). Многолетние колебания характеристик стока предгорных рек достаточно тесно связаны с колебаниями характеристик осадков в равнинной части бассейнов. Маловодные и многоводные периоды на реках предгорья повторяют периоды с пониженным и повешенным количеством осадков, с запаздыванием на несколько лет, которое связанно с сильной естественной зарегулированностью стока этих рек.

Для наиболее крупных рек бассейна, протекающих на равнинной территории: р. Терек ниже впадения Малки, рек Малка и Сунжа в нижнем течении, характерно направленное снижение среднегодовых расходов воды (р. Терек на рис. 6). Это связано с безвозвратными потерями стока в ходе хозяйственной деятельности, составляющими около 30% от общего объема стока, формирующегося в бассейне.

Глава 5. «Особенности уровенного режима рек Терского бассейна в период максимальной водности». Рассматриваемая территория является чрезвычайно подверженной затоплению, опасность которого характеризуется прежде всего режимом уровней воды в периоды максимальной водности, проходящий во время интенсивного таяния снега и льда и выпадения ливневых дождей. В ходе исследования были получены эмпирические зависимости максимального диапазона изменения уровня воды на гидрометрических постах

бассейна (разница максимальных и минимальных зарегистрированных значений уровня воды) АНтах, от целого комплекса гидрологических и морфометрических характеристик водосбора, дд- __ см АНтах увеличивается с _ уменьшением доли оледенения

900

500 300 100

2 ____1

-------------■-—---• ♦

в бассейне и с увеличением площади водосбора (рис. 7). С увеличением средней высоты

£#,»*.............................................................................- ..............................— водосбора дата прохождения

________ _^___,___Р, юл2 максимальных уровней воды

сдвигается на более поздние

О 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Рис. 7. Зависимость ДЯтах от площади водосбора для больших (1), средних (2) и малых сроки. Наибольший диапазон (3) рек

изменения уровня

зарегистрирован в бассейне р. Сунжа — более 4-5 м, наименьший характерен для верховьев Малки и Терека: АНтах< 2 м. Для ряда речных створов в бассейне Терека характерна тенденция увеличения максимальных уровней воды. Это связано, прежде всего, с направленной аккумуляцией наносов, что было выявлено путем сопоставления кривых зависимости <2(Н) для данных створов за различные годы.

Глава 6. «Районирование бассейна р. Терек по условиям формирования водного режима». Обобщая результаты, полученные в главах 1-5, можно поделить бассейн р. Терек на 4 района по условиям формирования стока (физико-географические условия бассейна, источники питания рек, характер связи гидрологических элементов с метеорологическими факторами, зависимость характеристик стока от высоты водосбора, особенности водного режима и т.д.) (рис. 8). К 1-му району относятся высокогорные водосборы (Яср> 2500 м). Для них характерна наибольшая водность (Л7ср =30-40 л/(с-км2), М„=6-8 л/(с км2)). Именно здесь формируется основной водный сток бассейна Терека. Половодье на данных реках начинается обычно в мае, максимальные расходы воды достигаются чаще всего в июле, спад половодья

начинается в августе, маловодье наступает в середине - конце октября и длится до весны следующего года. В 1-м районе выделяются 3 области по характеру многолетних колебаний стока (см. главу 4). Сток рек второго района формируется на относительно более низкогорной территории, чем рек первого района (Яср= 1800-2200 м), что отражается как на водности рек в см» 1

И31а/6 у 1

целом (Д.р =10-15 л/(с-км2), Мишшс=4-6 л/(с-км2)), так и на 5Г характере внутригодового

распределения стока: половодье начинается и заканчивается

раньше, формирование РиСш & Районирование Терского бассейна по

максимальных расходов Условиям формирования водного режима

становится в большей степени связано с выпадением летних осадков, чем с пиком снеготаяния.

К району 3 относятся водосборы предгорной части, расположенные на абсолютных высотах от 700-800 до 1400-1800 м. Устойчивый снежный покров здесь практически не формируется, в связи с чем, половодье, связанное со снеготаянием, отсутствует здесь как фаза водного режима. Водный режим данных рек относится к паводочному с паводками в теплую часть года, помимо зимнего меженного периода выделяется летний. Для рек 3-го района характерна относительно низкая водность: Мор составляет от 3 до 12 л/(с-км2), что сопоставимо с величиной минимального месячного модуля стока рек 1-го района, Мшямс= 2-7 л/(с-км2) летом и 1-5 л/(с-км2) зимой. В рамках данного района выделены две области За, для которых характерны, вследствие особенностей геологического строения, аномально высокие значения Мминмсс (практически такие же, как для первого района). Район 4 представляет собой область расходования стока. Происходящие здесь безвозвратные потери стока в

ходе хозяйственной деятельности составляют до 30% суммарного стока, формирующегося в бассейне.

Глава 7. «Возможности прогнозирования и расчетов характеристик стока рек Терского бассейна». Значительная внутрирядная связность рядов минимального и среднегодового стока, характерная для рек Терского бассейна, вызывает смещение стандартных статистических оценок характеристик стока. Для исследуемых рядов было выполнено устранение этого смещения. В результате было установлено, что стандартная оценка г( 1), при длине ряда меньше 50 может быть занижена на 10-20% и более. При значении г(1)=0,3-0,5, стандартная оценка обычно меньше своей исправленной величины на 1-10%, а при больших значениях г(1) смещение может доходить до 10-20%, особенно при небольшой длине ряда наблюдений.

В рамках данного исследования был построен комплекс карт для расчета характеристик минимального, среднегодового стока и максимальных уровней

неизученных водосборов (главы 4-5). Для некоторых

характеристик подобные

зависимости и карты построены впервые. Другие карты и зависимости существенно обновляют и уточняют ранее построенные. Полученные результаты могут быть использованы для проектирования различных сооружений в пределах Терского бассейна.

В области прогноза минимального стока рек наибольшее распространение получили методы прогноза, основанные на наличии инерции гидрологических явлений. Для равнинных рек обычно строятся кривые спада половодья, характеризующие истощение запасов русловой сети или сезонных запасов грунтовых вод. В горных речных бассейнах мы сталкиваемся с очень

Время добегания, сут:

Рис. 9. Карта-схема нарастания времени оуслового добегания высокого паводка до замыкающего створа в бассейне р. Терек

быстрым добеганием как вод русловой сети, так и вод подповерхностного слоя, из-за чего использование метода кривой спада становится возможным только после перехода рек на подземное питание, т.е. в период устойчивой зимней межени. Подобные прогностические зависимости были построены для ряда рек Терского бассейна. Было установлено, что заблаговременность прогноза можно увеличивать в среднем до 3-х месяцев, при этом показатель S/a будет увеличиваться, но оставаться меньше 0,8.

Для краткосрочного прогноза максимальных уровней воды был выбран метод соответственных уровней, как наиболее адекватный современному уровню освещения бассейна гидрометеорологической информацией. Прогностические методики были разработаны для 4-х пунктов, расположенных в зоне наиболее вероятного затопления. Несмотря на простоту метода, в случае высокого паводка с резким подъемом показатель эффективности прогноза 5/<тд достигает 0,3-0,4. Заблаговременность составляет от 1 до 3 суток. На гидрометрических станциях уровень воды вычисляется за каждые сутки, как среднее арифметическое наблюдений. Вследствие этого время добегания паводка возможно рассчитать с шагом в одни сутки. В случае горных бассейнов, когда время руслового добегания может составлять первые сутки или даже часы, это существенно влияет на точность прогноза. В ходе работы было теоретически выведено, что погрешность расчета времени добегания, связанная с суточным осреднением данных наблюдений, - это непрерывная случайная величина, подчиняющаяся распределению Симпсона. Математическое ожидание ее равно нулю, дисперсия — 1/6. Полученная функция плотности распределения погрешности позволила ввести 90%-ный доверительный интервал для определения времени добегания. Он составил ±0,7 сут. Расчет времени добегания на разных участках рек бассейна позволил построить карты нарастания времени добегания паводка до замыкающего створа в бассейне Терека (вершина дельты) для разных периодов водности (рис. 9).

Для долгосрочного прогноза объема стока за многоводный период были получены множественные регрессионные зависимости среднего расхода воды за период с мая по июль от суммы осадков на репрезентативных метеостанциях за январь-апрель для шести бассейнов высокогорных рек Терского бассейна. Для рек со значительной многолетней зарегулированностью стока расход воды в предыдущий год также был использован в качестве предиктора. Значения коэффициента корреляции полученных множественных регрессионных зависимостей составляют 0,6-0,8.

Для прогноза характеристик стока рек Терского бассейна в рамках данной работы были предложены достаточно традиционные методы, что было продиктовано в первую очередь низкой степенью освещенности бассейна гидрометеорологической информацией. Наиболее перспективным методом расчета и прогноза характеристик стока на настоящий момент является физико-математическое моделирование. Однако применение физико-математических моделей невозможно без подробной информации о строении водосбора и подробной программы метеорологических наблюдений, что делает на данный момент невозможной реализацию подобных моделей для больших и средних рек в пределах бассейна Терека. Тем не менее, для отдельных небольших высокогорных бассейнов, которые представляют собой опасность с точки зрения формирования селей, прорывов ледниковых озер и т. п., технически возможно организовать достаточно подробную программу метеонаблюдений, используя современные автоматические приборы и методы дистанционного зондирования. Это определяет актуальность разработки физико-математических моделей формирования стока в высокогорных бассейнах уже сейчас.

Глава 8. «Физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне». Первым этапом создания физико-математической модели формирования стока в высокогорных бассейнах является разработка способа моделирования поступления воды на поверхность водосбора посредством таяния льда и снега. Моделирование таяния снега на

основе расчета уравнения теплового баланса достаточно распространено в современных физико-математических моделях формирования стока равнинных рек. Тем не менее, данные модели неприменимы для высокогорных территорий ввиду ряда особенностей, прежде всего преобладания коротковолновой радиации в структуре теплового баланса, и определяющей роли рельефа местности в ее перераспределении. В большинстве же наиболее распространенных моделей формирования стока горных рек с распределенными параметрами расчёт таяния снега и льда основывается на эмпирических зависимостях слоя таяния от температуры воздуха.

Рис. 10 .Сопоставление рассчитанных и измеренных значений слоя таяния. Сплошная линия — прямая регрессии; 1—5 — рейки: 1-63 (3380 м); 2-67 (3400 м); 3 - 68 (3490 м); 4- 71 (3550 м); 5-12 (2850 м); б - опорный тросик (2950 м); 7 — рейка 16 (2900 м); 8-рейка 40 (3040 м)

Слой таяния, мм _ _ _ _ _ _ _

Рис. 11. Зависимость суточного объема стокаруч. Рис. 12. Суммарный слой таяния в Джанкуат от средневзвешенной величины таяния пределах ледникового комплекса на языке ледника в данный день и таяния на бассейна руч. Джанкуат за период

неледниковой части бассейна в предыдущий день с 14.06.2007 по 08.09.2007

1

у = І.ООх И = 0.97

200 400 600 800 1000 1200

Слой таяния по рейкам, мм » 1 л 2 =3 к 4*5*6*7 >8

105000

В рамках данной работы была разработана физико-математическая модель таяния в гляциально-нивальной зоне, в основу которой лег комплекс исследований разных ученых мира в области метеорологии, гидрологии и гляциологии. Основное внимание было уделено использованию физических законов и уменьшению числа эмпирических зависимостей. В расчётной схеме нет оптимизируемых параметров. Расчет таяния снега и льда ведется на основе уравнения теплового баланса. К входным данным относятся: 1)5^ — измерения суммарной приходящей коротковолновой радиации; 2) Еа — встречное излучение атмосферы; 3) Т(Н) — температурный профиль долины; 4) £/ — скорость ветра, м/с; 5) даты выпадения осадков; 6) ЦМР и некоторые характеристики поверхности водосбора. Значения радиационных составляющих £а) достаточно измерять в одной точке исследуемой территории, если её размеры позволяют сделать допущение об одинаковой пропускной способности атмосферы на всей территории. Чтобы учесть пространственную неоднородность процессов, таяние рассчитывается по регулярной сетке. Результатом расчёта являются значения слоя таяния в узлах сетки с заданным временным шагом.

Предлагаемая модель была реализована для горно-ледникового бассейна Джанкуат, расположенного в приводораздельной части северного склона Главного Кавказского хребта в бассейне р. Баксан, и выбранного в качестве репрезентативного ледника для Северного Кавказа в ходе Международного гидрологического десятилетия.

Сравнение результатов расчёта слоя таяния по модели данными гляциологических наблюдений на сети абляционных реек показало хорошую воспроизводимость моделью измерений абляции для всей территории ледника (рис. 10). Необходимо заметить, что данный материал выступал абсолютно независимым и до начала проверки не использовался в расчёте.

На рис. 12 представлено смоделированное суммарное таяние ледникового комплекса руч. Джанкуат за период абляции 2007 г. Значение суммарного слоя таяния различается по территории более чем на порядок. Больше всего снега и

льда стаяло в свободной от моренных отложений части языка - до 44005400 мм водного эквивалента. Наименьшие значения эта величина принимает для крутых, затененных частей ледника (1400-2500 мм). Значительное охлаждающее влияние оказывает чехол моренных отложений (суммарный слой таяния 300-2000 мм).

Для сравнения результатов расчета таяния по модели со стоком был дополнительно проведен расчет таяния снега в неледниковой части бассейна руч. Джанкуат за период проводившихся в 2007 г. гидрологических наблюдений (с середины июня по начало июля). Также были дополнительно проведены оценки времени добегания талой воды из различных частей бассейна, включающие фильтрацию через снежную толщу, стекание по склону или по поверхности ледника с формированием микроручейковой сети, или же фильтрацию в чехле крупнообломочных отложений, добегание по русловой сети. В результате было получено, что внутрисуточный диапазон колебаний расхода воды (так называемый «быстрый» сток) формируется за счет таяния на языке ледника Джанкуат. Среднее время склонового добегания талой воды в толще крупнообломочных отложений в неледниковой части бассейна до элементов русловой сети составляет от 15-16 до 25-35 часов. Таким образом, таяние в неледниковой части бассейна, за счет достаточно большой доли в суммарном таянии (от 0,35 15.06.07 до 0,14 03.06.07), оказывает значительное влияние на объем стока последующего дня. Волна таяния в области питания ледника в процессе фильтрации через мощный снежный покров и стекания по поверхности ледника значительно распластывается. Вследствие этого данная составляющая в общем стоке руч. Джанкуат в течение рассматриваемого периода представляет собой практически постоянную, постепенно увеличивающуюся величину. Значительная часть талой воды, образовавшейся в областях питания ледника в июне, доходит до замыкающего створа на руч. Джанкуат уже в следующем месяце. Таким образом, различия в объеме стока между отдельными сутками формируются в основном за счет таяния на языке ледника, формирующего «быстрый» сток, а также талой воды с

неледниковой части бассейна, добегающей до замыкающего створа в течение суток (рис. 11).

Модель таяния в нивально-гляциальной зоне позволяет также прогнозировать возможные изменения талого стока в связи с ожидаемыми изменениями климата и деградацией оледенения. В качестве примера в работе смоделировано изменение таяния ледника Джанкуат с использованием входных данных за 2007 г., модифицированных в соответствии с прогнозом изменений климата, который основан на линейной экстраполяции существующих тенденций. При таком развитии событий слой таяния ледника Джанкуат увеличится на 12—40% в зависимости от зоны ледника.

Заключение. Итогом работы стало комплексное исследование условий формирования и пространственно-временного распределения характеристик водного стока рек бассейна Терека, а также анализ основных методов и подходов к его изучению. Основные результаты работы:

1. Определены условия возможности интерполяции различных характеристик осадков и температуры воздуха между пунктами метеонаблюдений для гидрологических исследований в пределах центральной и восточной части Северного Кавказа.

2. На равнинной территории Терского бассейна наблюдается статистически достоверное увеличение среднегодовой температуры воздуха и уменьшение числа дней с отрицательными температурами воздуха в году. Многолетние колебания годовых сумм осадков в бассейне показывают разнонаправленные тенденции.

3. В горной и предгорной частях бассейна реки Терек естественная зарегулированность играет важную роль в формировании стока рек. Это проявляется в высоких значениях коэффициентов внутрирядной связности рядов годового и минимального месячного стока.

4. Для горных бассейнов основным фактором величины стока в первую, большую часть весенне-летнего многоводного периода являются суммы осадков за январь—апрель. Для бассейнов предгорного и равнинного пояса

зависимость стока в летне-весенний период от суммы осадков за зиму прослеживается достаточно слабо, что связано с меньшей долей таяния снега в структуре питания. Для бассейнов с существенной естественной многолетней зарегулированностью стока характерна также зависимость стока за многоводный период от расходов воды в предшествующий год.

5. Для рек предгорной части бассейна и высокогорной части междуречья Малки и Терека характерно статистически достоверное увеличение математического ожидания и дисперсии рядов минимальных месячных и среднегодовых расходов воды в течение всего периода наблюдений. Для р. Терек, Малка и Сунжа в нижнем течении характерно направленное снижение среднегодовых расходов воды, связанное с безвозвратными потерями стока в ходе хозяйственной деятельности.

6. Разработан комплекс обновленных эмпирических зависимостей и карт для расчета характеристик минимального, среднегодового стока и максимальных уровней воды неизученных водосборов в бассейне Терека.

7. Разработано районирование бассейна Терека по условиям формирования водного режима рек, в котором учтены особенности внутригодового распределения стока, пространственное распределение характеристик стока, основные факторы его формирования и особенности многолетних колебаний;

8. Предложены методики долгосрочного прогноза характеристик стока маловодной и многоводной фазы водного режима, методики краткосрочного прогноза уровней и расходов воды в паводочный период для различных участков рек бассейна Терека. Основным критерием выбора методов прогноза стало соответствие уровню развития сети гидрометеорологических наблюдений.

9. Разработана физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне. Проверка показала хорошую воспроизводимость моделью данных натурных наблюдений. Предложенная физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне может послужить основой разработки моделей стока рек горных территорий, необходимых для

организации системы мониторинга за опасными гидрологическими процессами в высокогорных бассейнах.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК:

1. Христофоров A.B., Юмина Н.М., Кириллов A.B., Рец Е.П. Прогнозирование стока рек Терского бассейна // Водное хозяйство России. 2007. № 4. С. 25-37.

2. Рец Е.П., Фролова Н.Л., Поповнин В. В. Моделирование таяния поверхности горного ледника // Лёд и Снег. 2011. № 4. С. 24-31.

3. Юмина Н.М., Рец Е.П. Совершенствование системы мониторинга опасных паводков на реках Северного Кавказа // Водное хозяйство России. 2012. № 1. С. 4762.

Статьи в зарубежных изданиях:

4. Rets Е., Kireeva M. Hazardous hydrological processes in mountainous areas under the impact of recent climate changer case study of Terek River basin // Global Change: Facing Risks and Threats to Water Resources: proc. of the Sixth World FRIEND Conference. IAHS Publ. 340.2010. Pp. 126-134.

5. Rets Е-, Kireeva M. River flow in the alpine zone of North Caucuses under the influence of recent climate change // 32nd International Geographical Congress Book of Abstracts. 2012. P. 540.

Разделы в коллективных монографиях:

6. Имеретинская Низменность. Природно-геологические условия, проблемы освоения / ред. И.П.Балабанова. - М.:«Издательский дом Недра», 2011. 281 с.

7. Фролова Н.Л., Рец Е.П. Терек / Реки и озера мира. Энциклопедия. М.: ООО «Издательство «Энциклопедия», 2012. С. 673-678.

Публикации в других журналах и сборниках:

8. Рец Е.П. Колебания водного стока рек Терского бассейна в паводочный период // Исследования молодых географов в интересах устойчивого развития: Сборник статей победителей секции Географии, XIV Международной конференции «Ломоносов - 2007»: Сб.статей / Отв.ред. А.И. Иванов. - М.: МАКС Пресс. 2007. С. 87-91.

9. Рец Е.П. Колебания водного стока рек Терского бассейна в паводочный период // Материалы XIV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» / Отв. Ред. И.А. Алешковский, А.И, Андреев Том I. - СП «Мысль». 2007. С. 274.

10. Рец Е.П. Особенности формирования максимального и минимального стока рек горных территорий (на примере бассейна р. Терек) // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность. М., 2008. С. 40—44.

11. Рец Е.П. Минимальный сток рек Северного Кавказа // Материалы докладов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» / Отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев. [Электронный ресурс] - М.: Издательство МГУ; СП МЫСЛЬ. 2008.

12. Рец Е.П. Особенности опасных гидрологических процессов в пределах горных территорий в условиях изменения климата (на примере бассейна р. Терек) //Материалы докладов XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» / Отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев. [Электронный ресурс] — М.: Издательство МГУ, 2009. с. 84— I электрон, опт. диск (CD-ROM); 12 см. [Адрес ресурса в сети интернет: http://wwvv.lomonosov-msu.ru/2009/]

13. Рец Е.П. Особенности опасных гидрологических процессов в пределах горных территорий в условиях изменения климата (на примере бассейна р. Терек) // Инженерные изыскания в строительстве» Материалы научно-практической конференции молодых специалистов. Москва. 2009. С. 20-26.

14. Рец Е.П. Моделирование таяния в гляциально-нивапьной зоне на основе уравнения теплового баланса в целях расчета ледникового стока рек // Труды VII Конференции «Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей». Москва, РУДН. 2009. С. 224-232.

15. Рец Е.П. Моделирование таяния в гляциально-нивальной зоне в целях расчета стока рек горных территорий // Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность. М„ 2009. С. 125-129.

16. Рец Е.П. Особенности пространственно-временного распределения и прогноз минимального стока рек Терского бассейна / Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление. Сборник трудов Первой открытой конференции Научно-образовательного центра. М.: ИБП РАН. 2011. С. 182-196.

17. Рец Е.П. Физико-математическое моделирование таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне / Ресурсы и качество вод суши: оценка, прогноз и управление. Сборник трудов Второй открытой конференции Научно-образовательного центра. М.: ИБП РАН. 2012. С. 218-233.

Формат 60x90/16. Заказ 1655. Тираж 100 экз. Усл.-печ. л. 1,4. Печать офсетная. Бумага для множительных аппаратов. Отпечатано в ООО "ФЭД+", Москва, Ленинский пр. 42, тел. (495)774-26-96

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Рец, Екатерина Петровна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ

М.В. ЛОМОНОСОВА ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 556.5.048, 556.535, 556.5.072

РЕЦ Екатерина Петровна

СТОК РЕК БАССЕЙНА

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель:

доктор географических наук, доцент

Фролова Наталья Леонидовна

Москва, 2013

Содержание

Введение.................................................................................................................................4

Глава 1. Общее физико-географическое описание бассейна р.Терек............................15

1.1. Особенности гидрографии.......................................................................................15

1.2. Рельеф и геология......................................................................................................17

1.3. Климат........................................................................................................................19

1.4. Особенности современного оледенения.................................................................21

1.5. Почвы и растительность...........................................................................................22

1.6. Гидрологическая изученность бассейна Терека....................................................23

1.7. Антропогенное использование водных ресурсов..................................................24

Глава 2. Пространственно-временная изменчивость метеорологических характеристик центральной и восточной части Северного Кавказа..............................28

2.1. Пространственная скоррелированность многолетних колебаний среднегодовых температур воздуха..........................................................................................................29

2.2. Пространственная скоррелированность многолетних колебаний годовых и среднемесячных сумм осадков.......................................................................................33

2.3. Характеристика современных изменений климата на территории Северного Кавказа...............................................................................................................................39

Глава 3. Факторы формирования пространственно-временной изменчивости стока горных рек............................................................................................................................51

3.1. Закономерности процессов формирования стока в бассейнах горных рек.........51

3.2. Особенности естественной многолетней зарегулированности речного стока в бассейне р.Терек...............................................................................................................63

3.3. Зависимость характеристик стока рек Терского бассейна от атмосферных осадков и параметров естественной зарегулированности...........................................72

Глава 4. Особенности пространственно-временной изменчивости годового и минимального стока в бассейне Терека.............................................................................87

4.1. Пространственное распределение характеристик годового стока.......................87

4.2. Пространственное распределение характеристик минимального стока.............91

4.3. Многолетние колебания характеристик годового и минимального месячного стока.................................................................................................................................105

Глава 5. Особенности уровенного режима рек Терского бассейна в период

максимальной водности....................................................................................................122

Глава 6. Районирование бассейна р.Терек по условиям формирования водного режима

..............................................................................................................................................134

Глава 7. Возможности прогнозирования и расчетов характеристик стока рек Терского бассейна..............................................................................................................................143

7.1. Расчет гидрологических характеристик годового, минимального и максимального стока рек Терского бассейна при наличии данных наблюдений... 143

7.2. Расчет гидрологических характеристик годового, минимального и максимального стока рек Терского бассейна в условиях недостаточной гидрологической изученности......................................................................................148

7.3. Прогноз минимального стока рек Терского бассейна.........................................151

7.4. Прогноз стока рек Терского бассейна в многоводный период...........................156

7.5. Перспективные направления в области расчетов и прогнозов стока горных рек ..........................................................................................................................................172

Глава 8. Физико-математическая модель таяния снега и льда в гляциально-нивальной зоне......................................................................................................................................183

8.1. Постановка проблемы.............................................................................................183

8.2. Расчет таяния по модели........................................................................................186

8.2.1. Принципиальная схема модели и входные данные........................................186

8.2.2. Приходящая прямая и рассеянная коротковолновая радиация...................190

8.2.3. Альбедо..............................................................................................................198

8.2.4. Длинноволновое излучение...............................................................................199

8.2.5. Турбулентный теплообмен с атмосферой....................................................200

8.2.6. Поток тепловой энергии через морену и вглубь снежной толщи..............203

8.3. Реализация модели для ледникового комплекса бассейна руч. Джанкуат.......205

Заключение.........................................................................................................................222

Список литературы............................................................................................................228

Приложение 1. Список гидрологических постов в бассейне р.Терек......................235

Приложение 2. Морфометрические данные по рекам Терского бассейна...............237

Приложение 3. Корреляционная матрица годовых сумм осадков (г )......................238

Приложение 4. Зависимости пространственной скоррелированности многолетних колебаний сумм месячных осадков зависимости от расстояния и разницы высот между пунктами.............................................................................................................239

Приложение 5. Множественные регрессионные зависимости характеристик стока рек Терского бассейна от атмосферных осадков и естественной зарегулированности ..........................................................................................................................................245

Приложение 6. Характеристики среднегодовых расходов воды рек Терского бассейна...........................................................................................................................259

Приложение 7. Характеристики минимального месячного расхода воды рек Терского бассейна..........................................................................................................260

Приложение 8. Пространственно-корреляционная матрица среднегодовых расходов воды рек Терского бассейна..........................................................................................262

Приложение 9. Пространственно-корреляционная матрица минимальных месячных расходов воды рек..........................................................................................................264

Приложение 10. Теоретический вывод функции распределения погрешности расчета времени добегания, связанной с внутрисуточным осреднением данных наблюдений.....................................................................................................................268

Приложение 11. Методики краткосрочного прогноза уровней и расходов воды ...272

Введение

Актуальность темы. Бассейн р. Терек является одним из наиболее сложных в природном отношении регионов России. Горный рельеф, высотная зональность климата, значительная неоднородность полей метеоэлементов являются причинами возникновения здесь больших контрастов в условиях формирования стока рек. Вследствие этого в бассейне Терека существуют как проблемы с дефицитом воды, так и с ее избытком.

Бассейн Терека является чрезвычайно опасным в гидрологическом отношении регионом. Для него характерно регулярное проявление разнообразных опасных природных процессов, постоянно создающих угрозу безопасности жизнедеятельности населения. Горная часть бассейна покрыта многолетними снегами и ледниками, динамика которых приводит к образованию лавин, схода ледников, селей и т.п. В горных территориях также формируются условия возникновения опасных гидрологических процессов в нижней части бассейнов, где сосредоточено основное население и хозяйственная деятельность. Величина стока из гляциально-нивальной зоны в многоводный период создает предпосылки возникновения наводнений в нижней части бассейна, катастрофических размывов русла рек. Размывающая способность рек в верховьях определяет аккумуляцию в низовьях. Таяние ледников является важным источником водных ресурсов для сельского хозяйства в летне-осенний период.

Равнинная часть Терского бассейна - один из наиболее густонаселенных регионов нашей страны и один из крупнейших районов поливного земледелия, которое сосредоточено в предгорной и равнинной частях бассейна с засушливым климатом. Это определяет большую потребность хозяйства региона в водных ресурсах. Однако хозяйственное использование водных ресурсов здесь часто является неупорядоченным, бесконтрольным и неучтенным и приводит к существенному изменению речного стока.

Исследование пространственно-временного распределения характеристик стока является основой для разработки методики расчетов и прогнозов стока

рек бассейна Терека, необходимых для проектирования и эксплуатации многих сооружений, предотвращения ущерба населению и хозяйственным объектам.

В условиях Терского бассейна методы исследования речного стока, разработанные для равнинных территорий, становятся часто неприменимыми. Для выбора корректных подходов к изучению особенностей водного режима рек Терского бассейна требуется учет специфики формирования стока рек горных рек. Методам же исследования, расчета и прогноза гидрологических и метеорологических характеристик горных территорий в отечественной литературе традиционно уделяется меньше внимания, что предопределяет необходимость особого рассмотрения процессов формирования стока горных рек.

Состояние изученности проблемы. Разнообразие водохозяйственных проблем региона и специфичность условий формирования стока определило достаточно большое внимание к бассейну Терека различных исследователей. Неоднократно для бассейна Терека разрабатывались схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов (1948 г., 1963 г. 1977 г.). В настоящее время, согласно Приказу Росводресурсов от 01.10.2010 № 264 (ред. от 20.12.2010) к выходу готовится новый проект СКИОВО бассейна реки Терек. Для создания новой СКИОВО сотрудниками кафедры гидрологии суши МГУ, в том числе при участии автора данной диссертационной работы, был составлен Отчет по научно-исследовательской работе «Разработка схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Терек» (Отчет..., 2006). В данной работе приводятся результаты исследования пространственно-временного распределения некоторых гидрологических характеристик в бассейне Терека на момент 2002-2004 г, в том числе опасных процессов, дается характеристика современного хозяйственного использования водных ресурсов, ожидаемых изменений социально-экономической и геоэкологической ситуации в бассейне. Характеристика бассейна Терека, его природных условий, характеристика особенностей водного режима рек бассейна дана также в работах П.М. Лурье (2002, 2004).

Однако, при этом, в описанных выше работах не производится комплексного анализа существующих факторов стокоформирования как возможных предикторов характеристик речного стока для их расчетов и прогнозирования. Обобщения, изложенные в (Ресурсы... 1973), являются последним примером детальной разработки зависимостей и карт для расчета гидрологических характеристик неизученных бассейнов в пределах бассейна Терека. В настоящее время, по прошествии 30-ти лет, данные расчетные схемы можно считать сильно устаревшими. В существующей литературе не приводится также подробного системного анализа направленности изменений характеристик речного стока. Таким образом, несмотря на достаточно большое внимание к бассейну Терека различных ученых, результаты существующих на данный момент исследований не могут быть достаточными для планирования водохозяйственного развития бассейна, проектирования сооружений и организации системы защиты населения и хозяйственных объектов от опасных гидрологических процессов.

Исключительно полезными при исследовании стока рек Терского бассейна также являются работы, предметом которых является рассмотрение процессов формирования стока в пределах других горных территории. Среди них можно отметить монографию A.B. Христофорова и Ж.Ж. Кармолдаева (1994), посвященную стоку горных рек в маловодный период, труд П.М. Лурье (2005), посвященный гидрографии и режиму стока Кубани, сборник Climate and Hydrology in Mountain Areas (2005) под редакцией de Jong, D. Collins, R. Ranzi и многие другие.

Проблема эволюции современного оледенения Терского бассейна исследована достаточно широко. Она рассматривается в монографии В.Д. Панова (2003), И. Б. Сейновой и Е.А. Золотарева (2001), М. Дюргерова (2002), в работе К.Ф. Войтковского и H.A. Володичевой (2004). Гидрологическая роль современного оледенения Северного Кавказа рассматривается в монографии Голубева Г.Н. (1979), совместной статье П.М. Лурье и В.Д. Панова (2004).

Характеристика хозяйственного использования водных ресурсов территории представлена в работах И.А. Шикломанова, J1.E. Смирновой, A.C. Хорецкой, Н.Е. Кошелевой, Д.В. Магрицкого, A.A. Иванова и др.

Исследованию методов прогноза стока рек горных территорий посвящены отдельные разделы «Руководства по гидрологическим прогнозам» (1978) и монографии Б.А. Аполлова, Г.П. Калинина и В.Д. Комарова (1974). Проблема формирования склонового стока и расчета дождевых паводков в пределах горных территорий рассмотрена в работе Н.Ф. Бефани (1977). Вопросу анализа и прогноза рек Кавказа посвящена работа А.Н. Важнова (1966). Результаты разработки стохастических моделей стока рек горных территорий представлены в работах (Христофоров и др, 1998, Гриневич и др, 1972). Вопросы использования стохастических моделей стока для расчета стока рек Терского бассейна рассматривается в кандидатской диссертации Н.М. Юминой (2008).

Особенностям климатических условий горных территорий посвящена работа R.G. Barry (2008). Пространственное распределение характеристик снежного покрова Северного Кавказа детально рассматривает в своей работе A.B. Погорелов (2002). В существующей литературе не приводится подробного системного анализа современных изменений климата на территории Северного Кавказа. Наиболее общие тенденции рассмотрены в рамках исследования изменений климата европейской территории России в работах (Семенов, 2004, Кислов и др., 2008), а также в докладах IPCC (Contribution..., 2007) и в специализированных докладах Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Оценочный доклад..., 2008).

В области горной гидрологии последнее время также активно развиваются методы математического моделирования. Рассматривая опыт исследования ученых СНГ, можно отметить концептуальную модель тало-дождевого стока горных рек, разработанную сотрудниками САНИГМИ под руководством Ю.М. Денисова (2000), в работе (Голубцов, 2010) описывается концептуальная динамическая модель формирования общего стока горных рек

- КДМФОС-76 Б. Концептуальные модели формирования стока горных рек в большом числе разрабатываются и иностранными авторами. Для примера можно привести модель HBV3-ETH9 (Konz, 203), GERM (Farinotti et al 2011) и многие другие. К наиболее перспективным методам расчета и прогноза характеристик стока относятся методы физико-математического моделирования, наиболее проработанные в настоящий момент для рек равнинных территорий (Lastoria, 2008, Abbott et al., 1986, Кучмент и др., 1986, Гельфан, 2007 и др.). В современной иностранной литературе встречается все больше и больше примеров использования различных физико-математических моделей формирования стока для горных территорий (Letsinger, Olyphan, 2007, Garen, Marks, 2005, Weber et al., 2010 и др.). В русскоязычной литературе примеры подобных разработок пока не встречается.

Цель исследования - изучить особенности процессов формирования водного стока в бассейне Терека, пространственно-временного распределения его характеристик, и разработать методики и средства их прогнозирования и расчета.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Выявление основных факторов, определяющих формирование водного режима рек Терского бассейна, и степени и характера их влияния на различные характеристики стока.

2. Изучение пространственной связности многолетних колебаний характеристик температуры воздуха и атмосферных осадков на исследуемой территории.

3. Выявление и анализ современных изменений климата, характерных для бассейна Терека.

4. Исследование пространственного распределения и многолетних колебаний характеристик годового, минимального и максимального стока.

5. Анализ существующих подходов к прогнозу и расчету стока рек горных территорий, разработка зависимостей и карт для расчета характеристик

стока с неизученных частей Терского водосбора, построение прогностических зависимостей для прогноза характеристик стока рек.

6. Изучение существующего опыта физико-математического моделирования стока рек горных территорий и отдельных составляющих процесса его формирования.

7. Разработка физико-математической модели таяния снега и льда в г