Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Влияние хозяйственной деятельности на водный режим рек Пермской области

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние хозяйственной деятельности на водный режим рек Пермской области"

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД 2 8 НОЯ 2000

На правах рукописи

ФЕДОТОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК ПЕРМСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность 11.00.07. - Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Пермь, 2000

Работа выполнена в Пермском государственном университете.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор, академиь Международной академии наук высшей школы, A.M. Комлев.

доктор географических наук, профессор, зав. кафедрой водного хозяйства и технологии воды УГТУ действительный член Академии водохозяйственных наук и Российской экологической академии, И.С. Шахов (г. Екатеринбург);

кандидат географических наук, доцент кафедры био-геоценологии и охраны природы Пермского государственного университета им. A.M. Горького Е.Б. Соболева (г. Пермь).

Ведущая организация:

Пермский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей природной среды (г. Пермь).

Защита состоится «<£ 6 » Ct ¡~Oi-t-3_2000 года в 14 часов на заседании

Диссертационного совета Д 063.59.05 в Пермском государственном университете им. A.M. Горького по адресу: 614600, Пермь, ГСП, ул. Букирева, 15, Пермский университет, корп. 1, зал заседаний Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан « » мал_2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент ГА I " А.Б. Китаев

о^эС * - L//?cj2z±-t: " з г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вторая половина XX столетия характерна интенсивным техногенезом, одним из последствий которого стало усиление антропогенного воздействия на природную среду. Это вызвало необходимость оценки изменения ресурсов поверхностных вод под влиянием деятельности человека. Актуальность этой оценки обусловлена, прежде всего, необходимостью более эффективного в этих условиях использования и охраны водных ресурсов. Решение данной задачи в значительной мере зависит от точности оценки происшедших изменений в режиме рек в результате антропогенного воздействия и объективного представления о последствиях тех или иных хозяйственных мероприятий, способных и далее изменять условия формирования и величину речного стока. Произошедшие изменения необходимо учитывать и при инже-нсрно-гидрологическом обосновании проектов. Использование традиционных расчетных методов оценки числовых характеристик стока, основанных на {¡редиоложещш о его стационарности, может привести н этих условиях к существенным ошибкам при принятии решений.

К настоящему времени выполнено большое количество исследований, посвященных оценке влияния, как отдельных видов, так и всего комплекса факторов хозяйственной деятельности преимущественно на сток крупных рек. Применительно к малым и средним рекам таких исследований значительно меньше. Существующие оценки влияния хозяйственной деятельности на сток этих рек в отдельных районах страны имеют часто разноречивый характер и, как правило, охватывают только некоторые виды этой деятельности, характерные для отдельных бассейнов.

Использование методов оценки антропогенного влияния на речной сток, применяемых для больших водосборов, не всегда возможно для малых и средних рек. Это связано, главным образом, с отсугствием достаточной исходной информации. В этих условиях требуются дополнительные исследования с це-

лыо оценки влияния хозяйственной деятельности применительно к конкретным ее особенностям, а также местным условиям формирования водного режима рек.

Речной сток изменяется во времени под влиянием целого комплекса природных факторов, ведущими из которых являются метеорологические. Поэтому исследование характера природной зависимости стока от этих факторов является надежной основой для объективной оценки влияния на него хозяйственной деятельности. Важным моментом в реализации данной задачи является отбор из множества метеорологических элементов и их сочетаний наиболее значимых, стокоформирующих.

Целыо данной работы является оценка характера и степени изменения водного режима рек Пермской области под влиянием хозяйствешюй деятельности. За исключением реки Камы такая оценка до сих пор не производилась. Значительная часть территории области относится к наиболее развитым в промышленном отношении регионам страны, где влияние антропогенных факторов на сток становится уже заметным. Нарушенным является режим стока некоторых рек и в районах интенсивного развития сельского хозяйства.

Оценка влияния антропогенных факторов на сток связана с большими трудностями, одна из которых - отсутствие достаточной и репрезентативной количественной информации о разных видах хозяйственной деятельности на водосборах рек. Вторая сложность заключается в том, что влияние антропогенных факторов приходится оценивать на фоне естественных флуктуаций речного стока и формирующих его факторов. Большие затруднения связаны и с тем, что число гидрологических и метеорологических пунктов наблюдений в области и продолжительность периода этих наблюдений для исследований не всегда достаточны.

В этих условиях для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие задачи.

• Анализ имеющейся режимной гидрометеорологической информации.

• Выбор для исследования рек, в бассейнах которых'в течении достаточно длительного периода ведутся гидрометрические и метеорологические наблюдения.

• Выбор исследуемых параметров водного режима рек. В данном случае исследовалось влияние антропогенных факторов на годовой сток рек, максимальный сток весеннего половодья и минимальный сток летней и зимней межени, а также изменение внутригодового перераспределения стока, оцениваемое коэффициентом естественной зарегулировалности стока.

• Сбор по возможности полной информации о развитии различных видов хозяйственной деятельности, действующих на территории Пермской области.

• Выбор и обоснование методики исследования.

• Выполнение корреляционного анализа для количественной оценки влияния различных естественных факторов на речной сток и на этой основе восстановление нарушенных многолетних рядов этого стока.

• Оценка характера и степени изменения естественного режима стока под влиянием хозяйственной деятельности.

Исходными материалами для исследований послужили материалы гидрометрических и метеорологических наблюдений Росгидромета за период с 1881 по 1997 годы по 40 гидрологическим и 28 метеорологическим станциям и постам. Кроме того использовались фондовые матери&чы Управления лесами Пермской области, Комитета по водному хозяйству Пермской области и Управления водных ресурсов Коми-Пермяцкого автономного округа.

Решение поставленных задач производилось на основе методов географо-гидрологического анализа результатов расчета эмпирических связей стока и формирующих его факторов методами математической статистики (оценка статистической однородности рядов наблюдений, регрессионный анализ).

Научная новизна работы заключается в том, что в результате использования обширного объема гидрометеорологической информации, применения современных статистических методов и вычислительной техники впервые дос-

таточно подробно оценена роль различных факторов формирования годового стока рек Пермской области, а также его экстремальных значений. На основе генетического анализа полученных результатов ряды гидрометрических наблюдений разделены на периоды с различным уровнем влияния на сток хозяйственной деятельности. Восстановлены естественные ряды характеристик стока по рекам, для которых установлены их существенные антропогенные изменения, оценены статистические параметры этих рядов, определена степень воздействия антропогенных факторов на экстремальные характеристики стока ряда рек Пермской области и характер его внутригодового распределения. Установлено, что среднегодовой сток рек исследуемой территории под воздействием этих факторов практически не изменился.

Практическая ценность работы заключается в том, что количественная оценка антропогенного изменения максимального и минимального стока ряда рек необходима для определения расчетных параметров этого стока при проектировании различных сооружений и объектов. Следовательно, полученные результаты могут быть использованы при разработке новых территориальных строительных норм. Восстановленные ряды стока могут использоваться как аналоги при дальнейших оценках влияния хозяйственной деятельности на речной сток. Выявленные связи стока с основными его природными факторами могут использоваться для уточнения методов долгосрочных гидрологических прогнозов.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждены на VI Межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения» (Пермь, 1998 г.), научно-практической конференции «Гидрология Урала на рубеже веков» (Пермь, 1999 г.) и на VIII Межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения» (Пермь, 2000 г.), на научном семинаре кафедры гидрологии и охраны водных ресурсов ПГУ (Пермь, 2000 г.).

Публикапни. Основные результаты выполнешшх "исследований опубликованы в 3 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 40 рисунков, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (112 наименований) и приложения.

Автор выражает большую благодарность за предоставление необходимой для исследований информации и методическую помощь при ее использовании следующим организациям: Пермскому центру по гидрометеорологии и мониторингу окружающей природной среды, Уральскому Управлению по гидрометеорологии и мониторингу окружающей природной среды, Управлению лесами Пермской области, Комитету по водному хозяйству Пермской области, Управлению водных ресурсов Коми-Пермяцкого автономного округа, Гидрологической станции г. Березники.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели и задачи исследования.

В первой главе дана характеристика природных факторов, формирующих водный режим рек Пермской области. Исследуемая территория общей площадью около 160,2 тыс. км2 охватывает западные склоны и предгорья Уральских гор и восточную окраину Русской равиины. Приводятся краткие сведения о рельефе и геологическом строении, почвенном и растительном покрове, особенностях климата в различных частях области.

Все водотоки рассматриваемой территории относятся к типу рек с четко выраженным весенним половодьем, летне-осенними дождевыми паводками и длительной устойчивой зимней меженью. В питании рек преимущественное

значение имеют снеговые воды. Их доля в годовом стоке изменяется по территории от 60% в горах Северного Урала до 75% на равнине. Гидрологическое районирование территории, основывающееся на учете различий степени увлажнения территории и других условий формирования стока принято согласно изданию государственного водного кадастра (Ресурсы ..., 1973). В главе приведены основные сведения о водном режиме рек отдельных районов.

Во второй главе рассмотрены основные виды хозяйственной деятельности, действующие на территории Пермской области и указывающие влияние на водный режим рек. Начальный этап антропогенного воздействия на водный режим некоторых, преимущественно небольших рек, относится к ХУП-ХУШ в.в. На это время приходится освоение плодородных почв Кунгурской лесостепи, строительство первых металлургических заводов и заводских прудов. В ХУШ-Х1Х в.в. для производства древесного угля и расчистки земель под сельхозугодья вырубались леса, создавались шахты, карьеры, появлялись отвалы горных пород, рудничные водоотливы и др. Таким образом, водный режим некоторых малых рек к моменту организации в Пермской области гидрологических наблюдений был уже частично нарушен. Однако, вплоть до XX столетия влияние вышеперечисленных факторов не вызывало существенных изменений в режиме основных водных объектов.

Положение коренным образом изменилось в нынешнем столетии в связи с начавшимся интенсивным техногенезом, с научно-технической революцией в промышленности и сельском хозяйстве. Расширялись старые и создавались новые населенные пункты, менялась технология производства, степень урбанизации населенных территорий, их благоустройство. Начались осуществляться агротехнические, гидротехнические мероприятия. Резко возросло производственное и хозяйственно-бытовое водопотребление и водоотводение.

Основной объем забора воды на хозяйственные нужды приходится на городские поселения и промышленные центры, большая часть которых расположена вдоль берегов Камского и Боткинского водохранилищ и в предгорных

районах области (бассейны Яйвы, Косьвы, Чусовой). Добыча полезных ископаемых (в том числе дражным способом) сосредоточена главным образом в предгорных и южных (месторождения нефти) районах области. Сельское хозяйство развито на юге и западе области (бассейны Сылвы, Ирени, Тулвы, Инь-вы, Обвы и др.). В этих районах находятся и основные участки орошаемых земель.

Наиболее значимыми по степени воздействия на водный режим рек факторами являются регулирование стока прудами и лесоэксплуатация. Пруды наиболее распространены в сельскохозяйственных районах южной и западной частей области, в основном это небольшие и средние по величине водоемы, преимущественно рыбохозяйственного и противопожарного назначения. Вырубка лесов характерна для бассейнов большинства рассматриваемых рек. Наиболее существенное изменение лесной площади, ее породного и возрастного состава характерно для территории речных бассейнов Яйвы и Косьвы.

В третьей главе излагается методика исследования и дается характеристика исходной информации.

Оценка антропогенного влияния на сток рек затруднена вследствие нескольких причин. Во-первых, на водосборе может действовать не один, а несколько факторов хозяйственной деятельности, изменяющих сток в различных направлениях. Во-вторых, антропогенные изменения стока накладываются на естественные его колебания, амплитуда которых может значительно превосходить искусственные. Наконец, чаще всего отсутствуют надежные данные о времени, масштабах и интенсивности проведения тех или иных хозяйствешшх мероприятий. Анализ существующих методов оценки антропогенных изменений речного стока показал, что в данных условиях цели работы в наибольшей степени отвечают статистические методы. Они позволяют произвести оценку влияния хозяйственной деятельности на основании уже имеющихся многолетних гидрометеорологических материалов наблюдений на опорной сети гидрометеорологических станций и постов. При этом производится оценка суммар-

ного изменения гидрологических процессов в целом на водосборе реки под влиянием комплекса антропогенных факторов.

Суть статистических методов заключается в разделении ряда наблюдений на периоды с различным уровнем хозяйственной деятельности (периоды естественного и нарушенного стока), восстановлении естественных характеристик речного стока за нарушенный период по зависимостям от стокоопределяющих факторов (уравнения множественной регрессии) и сравнении их с наблюденными данными.

На первом этапе исследований проверялась однородность рядов исследуемых характеристик стока, и определялся момент ее нарушения. Для разделения общей выборки на две части с предполагаемо разными уровнями развития хозяйственной деятельности использовались стандартные приемы: построение суммарных (интегральных) зависимостей характеристик стока от времени (рис. 1) и анализ их хронологических графиков (рис. 2) с расчетом уравнения линейного тренда. Наличие факта и момента нарушения однородности определялось по изменению угла наклона линии связи интегральной зависимости к оси абсцисс. Необходимо отметить, что изменение угла наклона свидетельствует об изменении стока, однако не позволяет однозначно утверждать, что оно вызвано хозяйственной деятельностью. Однородность рядов стока может нарушаться и при изменении увлажнения.

2Т

Рис. 1. Суммарная интегральная кривая минимального летнего стока р. Бабка - д. Балалы

о 30,00

п

г

° 20,00

10,00

Хронологический график минимальных зимних расходов воды по пункту р. Чусовая - пгт Лямино

0>010>0>0)0)сп0>0>ота>0050501отсп

Хронологический график минимальных зимних расходов воды по пункту р. Тюй - д. Гумбино

мсо^ч^-^тюлщсоюцэг^^-г-оэоэ 01СПО>ОС73СЭС1СЛОТСЭОЪОС>0)0>00}

Рис. 2.

а - естественный режим стока; б - нарушенный режим стока

В этих условиях для установления возможных причин изменения стока особую значимость приобретает анализ имеющейся информации о динамике антропогенных и метеорологических факторов, а также коэффициента естественной зарегулированности стока. Для исследования динамики факторов хозяйственной деятельности использовались хронологические графики соответствующих величин.

Величина коэффициента естественной зарегулированности стока ср является характеристикой доли устойчивого (базисного) стока в годовом объеме и в

условиях естественного режима формирования стока достаточно устойчива, то есть незначительно меняется в зависимости от длины ряда наблюдений (Ресурсы ..., 1973, Соболева, 1985). Поэтому неоднородность ряда коэффициента ср рассматривалась как одно из подтверждений изменения водного режима рек под влиянием хозяйственной деятельности. Для анализа однородности рядов коэффициента естественной зарегулированности стока использовались те же приемы, что и при анализе других характеристик стока (см. выше).

Оценка изменений метеорологических факторов также осуществлялась путем построения суммарных интегральных зависимостей от времени и хронологических графиков с вычислением линейного тренда. Кроме того, для исследования изменения условий увлажнения строились разностные интегральные кривые стока и осадков по наиболее длиннорядным гидрологическим (со стационарным режимом стока) и метеорологическим станциям и постам (рис. 3). Тенденция изменения увлажнения периодов до и после нарушения однородности ряда стока оценивалась также путем расчета коэффициента водности (Анализ однородности рядов речного стока, 1985):

кв=и2/и, (1)

где Иг и II) - среднее значение годовой (сезонной) суммы осадков за периоды после и до нарушения ряда однородности стока.

Разностная интегральная кривая средних годовых расходов воды по пункту р. Чусовая - пгг Лямино

аэаэо>о>оот-'-смсчс*)соч1'т1-Ю1Г»сошг^г-сосоа>сп ющюитшиошоошооившшооооии

Годы

Рис.3

В случае установления нарушения однородности ряда стока (кроме случая изменения климатических условий его формирования) осуществлялась проверка существенности данного нарушения с помощью статистического и генетического анализа.

Первый предусматривает проверку однородности ряда с помощью статистических критериев, среди которых выделяются параметрические и непараметрические. Параметрические в основном, разработаны для условий отсутствия внутрирядной связанности и предполагают симметричное нормальное распределение элементов выборки. К гидрологическим характеристикам, часто имеющим асимметричное распределение, эффективно применение непараметрических критериев (Рождественский, Чеботарев, 1974, Анализ ..., 1985, Шик-ломанов, 1989). В данной работе однородность характеристик стока проверялась при помощи иепараметрических критериев Вилкоксона и Колмогорова-Смирнова с использованием пакета программ для ПЭВМ. Уровень значимости при статистической проверке однородности рядов стока принимался согласно рекомендациям, изложенным в (Анализ ..., 1985) в зависимости от тенденции изменения стока и водности периодов до и после нарушения однородности ряда стока, а именно:

• при однозначном изменении тенденции величин стока и относительной водности принимался уровень значимости 0,01;

• при различной направленности этих изменений -0,10. Коэффициент водности рассчитывался согласно формуле 1.

При выборках ограниченного объема и различий периодов по водности статистический анализ нарушения однородности может не дать объективных результатов. В случаях, когда при графическом анализе было установлено нарушение однородности ряда, но статистически нулевая гипотеза не могла быть отвергнута при соответствующих уровнях значимости, к оценке привлекался генетический анализ. Его сущность заключается в сопоставлении погрешности выборки сто, относящейся к естественному режиму рассматриваемого ряда и

относительной величины изменения значений стока при нарушении их однородности (Анализ ..., 1985), определяемых по формулам:

где Су - коэффициент вариации, п - число членов выборки, Кв - коэффициент водности, определяемый по формуле 1. Если 0<з>£д нарушение однородности не доказывается и, наоборот, при с<з<ед ряд признается неоднородным, и рассматриваются две выборки. При несущественном нарушении стока оценивалась тенденция изменений путем расчета уравнения линейного тренда.

На втором этапе работы исследовались закономерности формирования стока на территории Пермской области. Основные характеристики речного стока за год, за отдельные периоды и их многолетняя изменчивость обуславливаются главным образом метеорологическими факторами. Их разнообразное сочетание при сравнительно небольшом диапазоне изменений может приводить к существенно большим колебаниям стока. В связи с этим основной задачей данного этапа исследований является определение, на основе генетического метода, главных стокообразующих факторов (предикторов) для среднего годового стока, а также его экстремальных значений.

Современный подход к изучению природы требует рассмотрения явлений в их взаимосвязи. Теория корреляции позволяет выразить эти взаимосвязи в количественной форме. Использование компьютерной техники значительно расширило возможности поиска объективных статистических связей стока с обуславливающими его метеорологическими факторами. Расчет коэффициентов парной линейной корреляции г производился как для пунктов с выявленным нарушением однородности, так и для пунктов с однородными стоковыми рядами. Определялись значения г для всего ряда наблюдений. Кроме того, для пунктов с установленной неоднородностью рядов стока определялись величины г за нарушенный и ненарушенный периоды. Правильность выводов проверялась с

ад = (Су/^п) 100% £д = ((АО / (СЬК„)) 100% А0 = 02-0,Кв

(2)

(3)

(4)

помощью генетического анализа. Распределение коэффициентов корреляции по территории, представленное на соответствующих картах в виде изокоррелят (рис. 4), позволило выявить пространственную вариацию зависимости стока от перечисленных факторов и ограничить (в первом приближении) перечень предполагаемых предикторов. Величины коэффициентов корреляции наносились на карту исследуемой территории по центрам тяжести водосборов.

На третьем этапе работы для определения по данным наблюдений зависимости стока от основных стокоформирую-щих факторов применялся метод . * / /г а -жественной линейной корреляции в виде:

деп = к1Х1 + к2Х2+...+кпХп + ко, (5)

где <ЗесТ — сезонный сток за естественный период; X - характеристика естественных факторов; к - коэффициент регрессии; ко - свободный член. Расчет уравнений регрессии производился для рек с выявленными антропогенными изменениями стока. Уравнения регрессии получены с использованием современного пакета программ на ПЭВМ. В качестве критерия качества уравнений использовались величины сводного коэффициента корреляции II (11>0,7) и средней погрешности ак (Я/(7к>2). Уменьшение многомерности статистической модели производилось путем исключения взаимосвязанных предикторов в случае если выполнялось неравенство Ц/стц < 2. Здесь о^ - средняя квадратическая ошибка коэффициента уравнения регрессии к^

Т 0,5

Рис. 4 Изокорреляты годового стока и осадков текущего года

Восстановлепие нарушенного стока проводилось по уравнениям, полу ченным для естественного периода. Процентное изменение стока за условнс нарушенный период определялось как отношение средней величины отклонения ÀQxos ф на среднюю величину восстановленного по уравнениям множественной линейной регрессии стока Qcoc ср за этот же период. Изменение стока признано существенным когда процентное изменение стока AQX03 ср выходит за пределы допустимой погрешности измерения и вычисления стока (10%).

Для решения поставленных задач в работе использованы материалы по среднему годовому стоку, максимальному весеннему и минимальному летнему и зимнему стоку, а также коэффициенту естественной зарегулированное™ стока по 40 гидрологическим постам с продолжительностью наблюдений не менее 20 лет. Данная информация в основном отражает режим средних и малых рек с площадями водосбора от 278 до 30900 км2 (за исключением 2 постов на Каме, имеющих площадь водосбора более 50000 км2). Ежегодные значения коэффициента естественной зарегулированности стока вычислены аналитическим методом (Комлев, Проскурина, 1973) с месячным интервалом осреднения. В качестве основных метеорологических факторов формирования стока использовались суммы атмосферных осадков за различные периоды, температура и дефицит влажности воздуха, а также максимальные запасы воды в снежном покрове. Данные наблюдений за указанными элементами по выбранным 28 метеорологическим станциям и постам в основном отражают естественные условия формирования стока в выбранных для исследования бассейнах рек. В целом, в работе использована гидрометеорологическая информация по 68 пунктам наблюдений за период с 1881 по 1997 год.

В работе использованы фондовые материалы Управления лесами Пермской области, Комитета по водному хозяйству Пермской области и Управления Водных ресурсов Коми-Пермяцкого автономного округа. Данная информация отражает динамику вырубки и восстановления лесов, создания водохранилищ и прудов, а также объемов водопотребления-водоотведения (в том числе на нуж-

ды орошения) на территории области. К сожалению, эта информация не всегда однородна, полна и сопоставима. Поэтому она привлекалась в основном лишь для интерпретации результатов статистического анализа.

Четвертая глава содержит результаты статистического анализа однородности рядов стока.

Статистический анализ проводился в два этапа. На первом производился графический анализ исходной гидрометеорологической' информации, а также данных о развитии в бассейнах рек факторов хозяйственной деятельности. В общей сложности построено и проанализировано около 4000 графических объектов (суммарных и разностных интегральных кривых, хронологических графиков исследуемых величин). Кроме того, тенденция изменения характеристик стока и метеоэлементов оценивалась путем расчета коэффициентов водности и линейного тренда. Данные расчеты были произведены для 5 величин по 40 гидрологическим постам и в среднем для 6 величин по 28 метеорологическим станциям и постам.

На втором этане для рек с установленными антропогенными изменениями характеристик стока была проверена существенность нарушения неоднородности их рядов при помощи непараметрических критериев Вилкоксона и Колмогорова-Смирнова, а также генетического анализа. В результате были получены следующие результаты.

Антропогенного изменения годового стока исследуемых рек не установлено. Для 13 рек выявлены изменения или тенденции изменения максимальных весенних, минимальных меженных расходов воды и коэффициента естественной зарегулированности стока в различных сочетаниях. В 11 случаях (р. Кама - КамГЭС, р. Кама - г. Сарапул, бассейны Кондаса, Иньвы, Обвы, Сылвы, Ирени, Бабки, Тюя, Быстрого Таныпа) характер внутригодового перераспределения стока благоприятен для народного хозяйства, то есть снижаются максимальные расходы весеннего половодья, увеличивается минимальный сток летней и зимней межени, наблюдается рост значений коэффициента естествен-

ной зарегулированное™ стока. Для р. Яйвы - с. Усть-Игум установлено увеличе ние минимального зимнего стока. Главной причиной этих .изменений является ре гулированис стока водохранилищами и прудами. Для р. Косьвы установлен обрат ный характер перераспределения стока внутри года, то есть происходит рост мак симального весеннего стока при снижении минимальных меженных расходов 1 коэффициента естественной зарегулированности стока. Причиной данного изменения, скорее всего, является вырубка лесов, смена в результате этого их породного и возрастного состава. Количественная оценка антропогенных изменений водного режима рек дана в главе 6.

В пятой главе приводятся результаты корреляционного анализа связей речного стока и стокоформирующих факторов, выполненного для восстановления нарушенной части рядов этого стока.

Территория Пермской области отличается разнообразием природных условий, обусловливающих различие гидрологического режима рек. Поэтому, выявление характера связи стока со стокоформирующими факторами по отдельным участкам этой территории представляет определенный интерес. В частности, это позволяет ограничить перечень реальных предикторов при поиске расчетных уравнений регрессии для групп речных бассейнов. В каждой из них величина вклада и роль отдельных метеорологических факторов колеблется в зависимости от конкретных физико-географических условий.

На величину годового, максимального весеннего и минимальных летнего и зимнего стока оказывают влияние метеорологические условия не только данного сезона, по также и предыдущих сезонов и даже лет. В связи с этим в настоящем исследовании весь комплекс гидрометеорологических факторов условно разделен на две группы: факторы предшествующего гидрологического года, и факторы текущего гидрологического года. Из всей метеорологической информации в процессе корреляционного анализа было рассмотрено 31 вид и сочетание метеоэлементов, оказывающих, предположительно, влияние на формирование годового, максимального весеннего, минимальных летнего и зимнего стока. В дальнейшем, на основании анализа коэффициентов парной линейной корреляции отобрано 18 предикторов, представляющих собой суммы атмосферных осадков за различные пе-

риоды, максимальные запасы воды в снеге, температуру и дефицит влажности воздуха. Распределение коэффициентов корреляции по территории, представленное па соответствующих картах в виде изокоррелят, показывает пространственную вариацию зависимости стока от перечисленных факторов. Анализ карт изокоррелят позволил выделить по бассейнам основных рек определенный набор предикторов для рассматриваемых характеристик стока, реальность которых подтверждена генетическим анализом.

Годовой сток. Для рек горной части области в связи с избыточным увлажнением территории их водосборов и значительными уклонами их поверхности, обуславливающими высокую динамичность поверхностного и подземного стока, формирование стока в целом за год определяется условиями этого года (коэффициенты парной линейной корреляции с осадками 0,8). На юге равнинной территории области, где в период половодья проходит до 75% годового стока, величина стока этого периода в большей степени связана с увлажненностью почвогрунтов, эпределяющей размеры потерь талых вод на фильтрацию. Величина влажности почв водосбора в свою очередь определяется условиями (в том числе осадками) лредшествующего года, что и приводит к увеличению тесноты связи с ними годо-юго стока. Для бассейнов рек Тюй и Быстрый Танып характерна даже преобла-шющая роль условий предшествующего года в формировании годового стока (на-гример, коэффициенты корреляции с осадками текущего года составляют около |,45, предшествующего - 0,55).

Максимальный весенний сток. Главным фактором, определяющим величи-у максимального весеннего стока на большей части территории области, являют-я запасы воды в снежном покрове (осадки холодного периода года) и осадки пе-иода половодья. В то же время, большое значение имеют метеорологические акторы, определяющие фильтрационную способность почвогрунтов. На севере эласти таким фактором является температура воздуха зимнего периода, опреде-пощая промерзание почвогрунтов, а, следовательно, и величину потерь талых ад на фильтрацию. В центральной части равнинной территории области эти пори определяются влажностью почвогрунтов, которая в свою очередь зависит от :еннего увлажнения территории водосборов. На крайнем юге области влажность

почвогрунтов определяется осадками всего предшествующего гидрологического года и дефицитом влажности за его теплый период.

Минимальный летний сток. Формирование летнего стока происходит как за счет условий текущего (летнего) сезона, так и за счет запасов подземных вод, определяемых условиями предшествующих сезонов и даже лет. Последние наибольшее значение имеют на крайнем юге области (в бассейнах Тюя, Быстрого Та-ныпа). Здесь наиболее высока теснота связи минимального летнего стока с запасами воды в снеге (0,50-0,65) и условиями предшествующего года (около 0,4). Для горной, а также северной и центральной частей равниной территории области характерно формирование летнего стока под влиянием метеорологических условий преимущественно текущего (летнего) сезона (коэффициенты корреляции около 0,6-0,7). В целом, на равнине при движении с севера на юг происходит постепенное увеличение роли метеорологических условий предшествующего сезона (года) и снижение роли текущего сезона.

Минимальный зимний сток На величину зимнего стока определяющее влияние оказывают метеорологические условия предшествующего года (особенно летне-осеннего сезона), а также факторы текущего зимнего сезона (суровость зимы, высота снежного покрова, определяемая суммой осадков холодного периода). Роль метеорологических условий зимнего сезона наиболее выражена в горной и на севере равнинной территории области (коэффициенты корреляции г 0,4-0,6). Наибольшая теснота (г = 0,5-0,6) связи с осадками теплого (летнего) периода предыдущего гидрологического года также отмечается для рек горной и севера равнинной территории области. При движении с северо-востока на юго-запад теснота связи снижается. Роль дефицита влажности и температуры воздуха теплого (летнего) периода предыдущего года уменьшается в обратном направлении.

В шестой главе излагается оценка степени антропогенного изменения речного стока с использованием расчетных уравнений множественной линейной регрессии стока от выбранных стокоформирутощих факторов. Установлена также величина изменения средних многолетних величин стока в целом за весь период наблюдений.

Следует отметить, что не для всех постов удалось получить надежные уравнения регрессии. Наименьшее их количество характерно для минимального зимнего стока - 5 постов из 11. Вследствие этого восстановление естественных величин произведено не для всех рек с выявленной неоднородностью рядов характеристик стока. Значимые изменения максимального весеннего и минимального летнего стока отмечаются на большинстве пунктов с зафиксированным нарушением однородности их рядов. Трпимп тоопттропасмьмм

Максимальный весенний сток. Существенное изменение средних значений максимального весешгего стока установлено для двух пунктов на Каме (КамГЭС и Сарапул), для р. Обвы - с. Карагай и р. Косьвы - д. Останино. В первых трех пунктах максимальный весенний сток снизился на 20-32%, а на р. Косьве - д. Останино произошло его увеличение на 15%. Снижение максимальных весенних расходов, отмечаемое для первых трех рек, вызвано регулирующей ролью водохранилищ и прудов. Причиной увеличения максимальных весенних расходов, установленного для Косьвы, вероятно, является снижение лесной площади в бассейне реки и изменение ее породного состава.

Минимальный летний сток Увеличение его значений выявлено для 7 пунктов, причем для 6 из них (Обва, Сылва, Ирень, Бабка, Тюй; Быстрый Танып) величина изменений является существенной (25,5-112,6%). Причинами увеличения минимальных летних расходов, установленного для этих рек является регулирование стока.. Существенное снижение (на 29%) минимальных летних расходов, вызванное отрицательной динамикой лесной площади и ее характеристик установлено для р. Косьвы - д. Останино.

Минимальный зимний сток. Характер и причины его изменений аналогичны установленным для минимальных летних расходов. Однако, в связи с отсутствием надежных эмпирических связей существенное увеличение минимального зимнего стока (на 17,1-68,3%) удалось установить только для 5 рек (Кондас, Обва, Сылва, Бабка, Быстрый Ганып).

Коэффициент естественной зарегулированности стока. Подтверждением наличия и характера внутригодового перераспределения стока исследуемых рек

является изменение величины коэффициента естественной зарегулированносп стока ф. Для 11 рек (р. Кама в пунктах КамГЭС и Сарапул, Кондас, Иньва, Обва I пунктах Карагай и Рождественское, Сылва, Ирень, Бабка, Тюй и Быстрый Танып установлено увеличение величины ф на 6-30%. Наибольший рост значений коэффициента ф характерен для Камы и Обвы (22-30%), наименьший - для Иреш (6%). Для р. Косьвы - д. Останино установлено снижение коэффициента естест-вегаюй зарегулированности стока на 8%.

Для всех пунктов с установленным изменением величин экстремальных расходов синтезированы исправленные ряды характеристик стока: до момента раздела - фактические данные, после момента раздела - восстаиовлешше по уравнениям множественной линейной регрессии. По ним восстановлены естественные средние многолетние значения экстремальных расходов, а также статистические параметры (Су, С5) за весь период наблюдений. В большинстве случаев происшедшее вследствие этого изменение среднего многолетнего значения является существенным (16-46%), а в трех случаях величина этих изменений не превышает 10%.

В заключении диссертации содержатся основные выводы:

1. В результате статистического анализа однородности рядов годового стока исследуемых рек, антропогенного изменения этого стока не установлено. Для 13 рек выявлены изменения или тенденции изменения максимальных весенних, минимальных меженных расходов воды и коэффициента естественной зарегулированности стока в различных сочетаниях.

2. Достаточно надежным способом количественной оцеики влияния комплекса факторов хозяйственной деятельности па экстремальные расходы воды является использование м11сгслактс"1мй статистической связи стока со стскооп-ределяющими метеорологическими факторами. В качестве последних приняты за различные периоды суммы атмосферных осадков, температура и дефицит влажности воздуха, а также максимальные снегозапасы.

3. Полученные по результатам корреляционного анализа связей стока с формирующими его факторами карты изолиний коэффициентов корреляции (изо-

коррелят), дали возможность значительно детальнее выявить закономерности формирования исследуемых характеристик стока в различных частях области.

4. Использование многофакторной статистической связи стока со стоко-определяющими метеорологическими факторами позволило с достаточной степенью надежности восстановить естественные значения стока, нарушенные за период интенсивной хозяйственной деятельности, а также оцените величину и направленность происшедших изменений.

5. Полученные результаты изменений характеристик стока под влиянием хозяйственной деятельности позволили выделить на территории области речные бассейны с их однонаправленным изменением.

Существенное изменение максимального весеннего стока установлено для двух пунктов на р. Каме (КамГЭС и Сарапул), для р. Обвы - с. Карагай и р. Кось-ны. В первых трех пунктах снижение максимальных весешпгх расходов является следствием регулирования стока, увеличение весеннего стока, установленное для р. Косьвы, вероятно, вызвано отрицательной динамикой лесной площади и ее характеристик.

Минимальный сток. Наиболее чувствительным к воздействию антропоген-нгых факторов является минимальный сток рек.

Увеличение минимального летнего стока на 25-112% отмечается на реках с урегулированным режимом (Обва, Сылва, Ирень, Бабка, Тгой, Быстрый Танып). Существенное (на 29%) снижение летних минимумов вследствие, главным обра-¡ом, вырубок лесов отмечено для р. Косьвы.

По той же, что и для минимального летнего стока причине, произошло уве-гичение на 17-68% значений минимального зимнего стока на 5 реках (Кондас, Эбва, Сылва, Бабка, Быстрый Танып).

6. Для рек с установленным изменением величин экстремальных расхо-[ов воды восстановлены их естественные средние многолетние значения, а также ;татистические параметры (Ст, С5) за весь период наблюдений.

7. В итоге, получена достаточно объективная оценка изменения речного тока под влиянием хозяйственной деятельности. Результаты исследований пока-али, что по многим рекам, которые обычно используются при гидрологических

расчетах в качестве аналогов, естественный водный режим нарушен. Установленная количественная оценка антропогенного изменения водного режима этих pet может быть использована при определении расчетных параметров максимальных и минимальных расходов воды для проектирования различных сооружений и объектов, при разработке новых территориальных строительных норм, а также при со став л сгга и схем комплексного использования и охраны водных ресурсов. Восстановленные ряды естественных характеристик стока могут использоваться в качестве аналогов при дальнейших оценках влияния антропогенных факторов на речной сток.

Самостоятельное значение имеют результаты выявленных связей стока с основными стокоформирующими факторами, которые могут быть использованы для уточнения методов долгосрочных гидрологических прогнозов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Федотов С.А. О влиянии хозяйственной деятельности на сток рек Пермской области // Экология: проблемы и пути решения; Тез. докл. VI межвуз. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, Пермь, Изд-во ПГУ, 1998, С. 187188.

2. Федотов С. А. О влиянии антропогенных факторов на водный режим рек Пермской области // Гидрология Урала на рубеже веков, Тез. докл. науч. пракг. конф., Пермь, Изд-во ПГУ, 1999, С. 33-34.

3. Федотов С.А. К вопросу об изменении водного режима рек Пермской области под влиянием хозяйственной деятельности // Экология: проблемы и пути решения, Матер. VIII межвуз. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, ч. 2, Пермь, Изд-во ПГУ, 2000, С. 71-72.

Соискатель

С.А. Федотов

Подписано в печать 2Z.05.OO. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. \,ЪС.5 .Тираж 100 экз. Заказ 2ЪО.

614600, г.Пермь, ул.Букирева, 15. Типография Пермского университета.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Федотов, Сергей Александрович

Введение

1. Природные факторы формирования стока и основные черты водного ре- 9 жима рек

1.1. Рельеф и геологическое строение

1.2. Климат

1.3. Почвы

1.4. Растительный покров

1.5. Гидрография

1.6. Основные черты водного режима рек

2. Основные направления хозяйственной деятельности на водосборе

2.1. Лесоэксплуатация

2.2. Регулирование стока

2.3. Промышленное и коммунальное водоснабжение

2.4. Орошение и осушение

2.5. Другие направления хозяйственной деятельности

3. Характеристика исходной информации и метода исследования

3.1. Существующие методы оценки антропогенных изменений речно- 51 го стока

3.2. Характеристика исходной гидрологической информации

3.3. Характеристика исходной метеорологической информации

3.4. Обзор имеющейся информации о факторах хозяйственной дея- 65 тельности, действующих на водосборе

4. Статистический анализ однородности рядов стока

4.1. Определение момента нарушения однородности рядов наблюде- 69 ний

4.2. Проверка существенности нарушения однородности рядов на- 75 блюдений

4.3. Годовой сток

4.4. Максимальный весенний сток

4.5. Минимальный летний сток

4.6. Минимальный зимний сток

4.7. Коэффициент естественной зарегулированное™ стока ф

5. Корреляционный анализ связей стока и формирующих его факторов

5.1. Определение степени влияния отдельных предикторов на харак- 103 теристики стока

5.2. Годовой сток •

5.3. Максимальный весенний сток

5.4. Минимальный летний сток

5.5. Минимальный зимний сток

6. Оценка степени антропогенного изменения речного стока

6.1. Методика расчетов

6.2. Максимальный весенний сток

6.3. Минимальный летний сток

6.4. Минимальный зимний сток 158 Заключение 165 Литература 170 Приложения

Введение Диссертация по географии, на тему "Влияние хозяйственной деятельности на водный режим рек Пермской области"

Вторая половина XX столетия ознаменовалась периодом интенсивного техногенеза, связанного с научно-технической революцией в промышленности и сельском хозяйстве. Одним из последствии этого процесса стало усиление антропогенного воздействия на природную среду. В современных условиях хозяйственная деятельность достигла таких масштабов, что стала оказывать влияние не только на качество природных вод, но также на их режим и на суммарные водные ресурсы больших речных бассейнов и регионов. Это вызвало необходимость оценки их изменения под влиянием деятельности человека.

Актуальность данной проблемы обусловлена прежде всего необходимостью эффективного использования и охраны водных ресурсов в современный период и в ближайшем будущем. Решение этого вопроса в значительной мере зависит от точности опенки происшедших.изменений в режиме рек в результате антропогенного воздействия п объективного представления о последствиях тех или иных хозяйственных мероприятий, способных изменить условия формирования и величину речного стока. Использование традиционных расчетных методов оценки числовых характеристик стока, основанных на предположении о его стационарности, может привести к существенным ошибкам при принятии решений.

К настоящему времени выполнено большое количество исследований, посвященных оценке влияния, как отдельных видов, так и всего комплекса факторов хозяйственной деятельности преимущественно на сток крупных рек в замыкающих створах (Водо-грецкий, 1979, 1990, Родионов 1-984, Лалыкин 1980, Шикломанов 1979, 1989). Применительно к малым и средним рекам таких исследований значительно меньше. Существующпе оценки влияния хозяйственной деятельности на сток малых и средних рек в отдельных районах страны имеют часто разноречивый характер и, как правило, охватывают только некоторые виды этой деятельности, характерные для отдельных бассейнов (сведение лесов, разработки полезных ископаемых, агротехнические мероприятия и др.).

Использование методов оценки антропогенного влияния на речной сток, применяемых для больших водосборов, не всегда возможно для малых и средних рек. Это связано, главным образом, так и с отсутствием достаточной исходной информации. Поэтому, в этих условиях требуются дополнительные исследования с целью усовершенствования существующих методов оценки влияния хозяйственной деятельности применительно к конкретным ее особенностям.

Речной сток изменяется во времени под влиянием целого комплекса природных факторов, ведущими из которых являются метеорологические. Поэтому установление характера природной зависимости стока от этих факторов является надежной основой для объективной оценки влияния хозяйственной деятельности на речной сток. Важным моментом в реализации данной задачи является отбор из множества метеорологических элементов и их сочетаний наиболее значимых, стокоформирующих.

Целыо данной работы является оценка характера и степени изменения водного режима рек Пермской области под влиянием хозяйственной деятельности: За исключением реки Камы такая оценка до сих пор не производилась. Значительная часть территории области относится к наиболее развитым в промышленном отношении регионам страны, где влияние антропогенных факторов на сток становится уже заметным. Нарушенным является режим стока некоторых рек и в районах интенсивного развития сельского хозяйства.

Оценка влияния-антропогенных факторов на сток связана с большими трудностями, одна из которых - отсутствие достаточной и репрезентативной количественной информации о разных видах хозяйственной деятельности на водосборах рек. Вторая сложность заключается в том, что влияние антропогенных факторов приходится оценивать на фоне естественных флуктуации речного стока и формирующих его факторов. Большие затруднения связаны и с тем, что число гидрологических и метеорологических пунктов наблюдении в области и продолжительность периода этих наблюдений для исследований не всегда достаточны.

В этих условиях для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие задачи.

• Анализ имеющейся режимной гидрометеорологической информации.

• Выбор для исследования рек, в бассейнах которых в течении достаточно длительного периода ведутся гидрометрические и метеорологические наблюдения.

• Выбор исследуемых параметров водного режима рек. В данном случае исследовалось влияние антропогенных факторов на годовой сток рек, максимальный сток весеннего половодья и минимальный сток летней и зимней межени, а также изменение внутри-годового перераспределения стока, оцениваемое коэффициентом внутригодовой зарегу-лпрованности стока.

• Сбор по возможности полной информации о развитии различных видов хозяйственной деятельности, действующих на территории Пермской области.

• Выбор и обоснование методики исследования.

• Выполнение корреляционного анализа для количественной оценки влияния различных естественных факторов на речной сток и на этой основе восстановление нарушенных многолетних рядов этого стока.

• Оценка характера и степени изменения естественного режима стока под влиянием хозяйственной деятельности:

Исходными материалами для исследований послужили материалы гидрометрических и метеорологических наблюдений Росгидромета за период с 1881 по 1997 годы по 40 гидрологическим п 28 метеорологическим станциям и постам. Кроме того использовались фондовые материалы Управления лесами Пермской области, Комитета по водному хозяйству Пермской области и Управления водных ресурсов Коми-Пермяцкого автономного округа.

Решение поставленных задач производилось на основе методов географо-гидрологического анализа результатов расчета эмпирических связей стока и формирующих его факторов методами математической статистики (оценка статистической однородности рядов наблюдений, регрессионный анализ).

Научная новизна работы заключается в том, что в результате использования обил ирного объема гидрометеорологической информации, применения современных статистических методов и вычислительной техники достаточно подробно оценена роль различных факторов формирования годового стока, а также его экстремальных значений. На основе генетического анализа полученных результатов ряды гидрометрических наблюдений разделены на периоды с различным уровнем влияния на сток хозяйственной деятельности. Восстановлены естественные ряды гидрометрических наблюдений по рекам, для которых установлены их существенные антропогенные изменения. Оценены статистические параметры этих рядов, степень воздействия антропогенных факторов на экстремальные характеристики стока ряда рек Пермской области и характер его внутриго-дового распределения.

Практическая ценность работы заключается в том, что количественная оценка антропогенного изменения максимального и минимального стока ряда рек необходима при определении расчетных параметров этого стока для проектирования различных сооружений и объектов: Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых территориальных строительных норм. Восстановленные ряды стока могут использоваться как аналоги при дальнейших оценках влияния хозяйственной деятельности на речной сток. Выявленные связи стока с основными его природными факторами могут использоваться для уточнения методов долгосрочных гидрологических прогнозов.

Основные положения работы обсуждены на VI Межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и решения» (Пермь, 1998 г.), научно-практической конференции «Гидрология Урала на рубеже веков» (Пермь, 1999 г.), на VII межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экология: проблемы и пути решения» (Пермь, 2000 г.) и на научном семинаре кафедры гидрологии и охраны водных ресурсов ПТУ (Пермь, 2000 г.).

Основные результаты выполненных исследований опубликованы в 3 печатных работах.

Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 40 рисунков, состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (112 наименований) и приложения.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Федотов, Сергей Александрович

Выводы

1. В результате выполненного анализа данных по 36 речным бассейнам Пермской области нарушение однородности рядов среднего годового стока под влиянием антропогенных факторов не установлено.

2. По 13 пунктам из 36 установлены нарушение однородности или тенденция изменений по максимальному весеннему, минимальным меженным расходам и коэффициенту естественной зарегулнрованности ср в различных сочетаниях (Таблица 4.2.):

• в 5 случаях установлена неоднородность рядов максимального весеннего стока, а также минимального летнего и зимнего стока. По двум из них установлена неодно: -97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследований по оценке влияния комплекса факторов хозяйственной деятельности на водный режим рек Пермской области установлено.

1. Материалы гидрометрических наблюдений имеются по 40 постам с продолжительностью наблюдений не менее 20 лет. Данная информация в основном отражает режим средних и малых рек с площадями водосбора от 278 до 30900 км2 (за исключением 2 постов на Каме, имеющих площадь водосбора более 50000 км2). Данные метеорологических наблюдений по выбранным 28 станциям и постам в основном отражают естественные условия формирования стока выбранных для исследования бассейнов рек. В целом, в работе использовалась гидрометеорологическая информация по 68 пунктам наблюдений за период с 1881 по 1997 год.

2. В качестве исследуемых величин были выбраны средний годовой расход воды, максимальный весенний и минимальные расходы летней и зимней межени, а также коэффициент естественной зарегулированное™ стока. Годовой сток является интегральной характеристикой, позволяющей судить о водных ресурсах бассейна, степени увлажненности, водном балансе территории. Это базовая характеристика для всех гидрологических, водохозяйственных и воднобалансовых расчетов, исследований связи речного стока с климатическими факторами. Величина максимального весеннего стока, обусловливающая наивысший подъем уровня воды, регламентирует наличие, размещение и размеры различных инженерных сооружений (дамбы, водосбросы), а также объектов транспортной (мосты, переходы) п иной инфраструктуры территории, режим работы хозяйственных объектов в период половодья. Величины минимального стока летней и зимней межени лимитирует режим водопользования, объемы водопотреблення и водоотведения (разбавления сточных вод), влияют на существование биоценозов экосистемы, т.е. в целом ограничивают ведение хозяйства. Коэффициент естественной зарегулированности пока выражает степень неравномерности внутри годового распределения стока. Изменение коэффициента естественной зарегулированности стока во времени в ту или иную сторону свидетельствует о перераспределении стока внутри года, т.е. об изменении условий его формирования на водосборе.

3. Бо'лыиая часть городских поселений и промышленных центров расположена вдоль берегов Камского и Боткинского водохранилищ и в предгорных районах области. Добыча полезных ископаемых (в том числе дражным способом) сосредоточена главным образом в предгорных и южных (месторождения нефти) районах области. С промышленностью и населением связана проблема забора воды на хозяйственные нужды и отведения сточных вод. Основные водопотребители сосредоточены в крупных городах по берегам Камского и Боткинского водохранилищ. Среди остальных рек выделяются бассейны Яйвы, Косьвы и Чусовой (горнопромышленная зона). В целом, для бассейнов рассматриваемых рек относительная величина водопотреблення (водоотведения) находится в пределах погрешности определения стока. Сельское хозяйство развито на юге и западе области (бассейны Иньвы, Обвы). Здесь же находятся основные участки орошаемых земель. Величина забора воды на нужды орошения невелика и в большинстве случаев не превышает погрешности определения характеристик речного стока. Наиболее значимыми по степени воздействия на водный режим рек факторами являются регулирование стока прудами и лесоэксплуатация. Пруды наиболее распространены в сельскохозяйственных районах южной и западной частей области, в основном это небольшие и средине по величине водоемы, преимущественно рыбохозяйственного и противопожарного назначения. Вырубка лесов характерна для бассейнов большинства рассматриваемых рек, причем на севере области это практически единственное направление хозяйственной деятельности. Наиболее существенное изменение лесной площади, ее породного и возрастного состава характерно для лесхозов, расположенных в бассейнах Яйвы и Косьвы.

4. Решение поставленных задач по оценке влияния хозяйственной деятельности на водный режим рек производилось на основе методов географо-гидрологического анализа результатов расчета эмпирических связей стока и формирующих его факторов методами математической статистики (оценка статистической, однородности рядов наблюдений, регрессионный ацализ).

В результате статистического анализа однородности рядов годового стока исследуемых рек, антропогенного изменения этого стока не установлено. Для 13 рек выявлены изменения или тенденции изменения максимальных весенних, минимальных меженных расходов воды и коэффициента естественной зарегулированное™ в различных сочетаниях. В 12 случаях характер внутригодового перераспределения стока благоприятен для народного хозяйства, то есть снижаются максимальные расходы весеннего половодья, увеличивается минимальный сток летней и зимней межени, наблюдается рост значений коэффициента естественной;зарегулированности стока. Главной причиной таких изменений является регулирование стока прудами и водохранилищами. Для р. Косьвы установлен обратный характер перераспределения стока внутри года то есть происходит рост максимального весеннего стока при снижении минимальных меженных расходов и коэффициента естественной зарегулированное™ стока. Причиной данного изменения, скорее всего, является вырубка лесов, смена в результате этого их породного и возрастного состава.

5. Для выявления закономерностей формирования стока и его характеристик в различных частях и-сследуемой территории и отбора наиболее значимых предикторов был выполнен корреляционный анализ связей стока и метеорологических факторов. Всего было рассмотрено 32 вида и сочетания метеоэлементов. По полученным результатам построены карты изолиний коэффициентов корреляции (изокоррелят), отражающих тесноту связи характеристик стока с метеорологическими факторами. В качестве основных факторов приняты суммы атмосферных осадков, средние температура и дефицит влажности воздуха за различные периоды, а также максимальные запасы воды в снеге.

6. Использование многофакторной математической связи стока со стокоопре-деляющими метеорологическими факторами позволило с достаточной степенью надежности восстановить естественные значения стока, нарушенные за период интенсивной хозяйственной деятельности, а также оценить величину и направленность происшедших изменений. Процентное изменение стока за условно нарушенный период определялось как отношения величины отклонения AQ на величину восстановленного по уравнениям множественной линейной регрессии стока Qh за этот же период. Изменение стока признано существенным когда процентное изменение стока AQ выходит за пределы допустимой погрешности измерения и вычисления стока (10%).

7. Полученные результаты изменений характеристик стока под влиянием хозяйственной деятельности позволили выделить на территории области районы с их однонаправленным изменением.

Существенное изменение максимального весеннего стока установлено для двух пунктов на Каме (КамГЭС и Сарапул), для р. Обвы - с. Карагай и р. Косьвы. В первых трех пунктах максимальный весенний сток значительно снизился, а на р. Косьве наблюдается его увеличение-.

8. Минимальный меженный сток является наиболее чувствительным к воздействию антропогенных факторов. Причиной выявленных изменений минимальных расходов летней и зимней межени также является главным образом регулирование стока прудами и вырубка лесов.

Увеличение значений минимального летнего стока отмечается для 7 пунктов, причем для 6 из них (Обва, Сылва, Ирень, Бабка, Тюй, Быстрый Танып) из них величина изменений является существенной (25,5-1,12,6%). Для одного пункта (Кондас) выявленное увеличение стока несущественно (8,5%). Существенное снижение минимальных летних расходов, вызванное отрицательной.динамикой лесной площади и ее характеристик установлено для р. Косьвы - д. Останино.

Характер и причины изменений минимального зпмпего стока аналогичны установленным для минимальных летних расходов. Однако, в связи с отсутствием надежных эмпирических связей увеличение минимального зимнего стока удалось установить только для 5 рек (Кондас, Обва, Сылва, Бабка, Быстрый Танып). Для них характерно существенное (17,1-68,3%) увеличение стока.

9. Для всех пунктов с установленным изменением величин экстремальных расходов восстановлены их естественные средние многолетние значения, а также статистические параметры (Cv, Cs) за весь период наблюдений: В большинстве случаев происшедшее вследствие этого изменение среднего многолетнего значения является существенным (16-46%), а в.трех случаях величина этих изменений не превышает 10%.

10. Таким образом, получена достаточно объективная оценка изменения речного стока под влиянием хозяйственной деятельности. Результаты исследований подтвердили, что по многим рекам, которые могут быть использованы на практике в качестве аналогов, водный режим нарушен. Установленная количественная оценка антропогенного изменения водного режима может быть использована при определении расчетных параметров максимальных и минимальных расходов для проектирования различных сооружений и объектов, при разработке новых территориальных строительных норм. Восстановленные ряды естественных характеристик стока могут использоваться в качестве аналогов при дальнейших оценках влияния антропогенных факторов на речной сток. Кроме того, выявленные связи стока с основными стокоформирующими факторами могут быть использованы для уточнения методов долгосрочных гидрологических прогнозов. Таким образом, результаты работы рекомендуется использовать для объективного гидрологического обоснования проектов, для обеспечения хозяйства области оперативной гидрологической информацией, а также для схем комплексного использования и охраны водных ресурсов рек Пермской области.

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Федотов, Сергей Александрович, Пермь

1. Авакян А.Б., Матарзпн Ю.М., Водохранилища и их народнохозяйственное значение, Пермь, Издательство ПГУ, 1984, 84 с.

2. Алексеев Г.А. Объективные методы выравнивания и нормализации корреляционных связей, Д., Гидрометеоиздат, 1971, 362 с.

3. Алисов Б.П. Климат СССР, М., Высшая школа, 1969, 104 с.

4. Алюшинская Н.М., Островский Г.М., Шахов И.С. О влиянии хозяйственной деятельности на сток рек Среднего Урала // Труды ГГИ, Д., Гидрометеоиздат, 1974, Выпуск 221, с. 259-265. '

5. Анализ однородности рядов речного стока (Рекомендации), Минск, Ротапринт ЦНИИКИВР Минводхоза, 1985, 40 с.

6. Балков В.А. Влияние карста на заре'гулированность речного стока, Ученые записки Пермского Университета, Пермь, 1964, № 118, с. 141-150.

7. Бачурин Г.В. К вопросу о классификации рек // Доклады института географии Сибири и Дальнего Востока, Иркутск, 1963, № 3, с. 37-44.

8. Борисевич Д.В. Рельеф и геологическое строение // Урал и Приуралье, М., Наука, 1968, с. 19-81.

9. Борисова Г.И., Комлев A.M. Краткий обзор состояния изученности водного режима рек Пермской области, Пермь, Пермский Университет, деп. в ВИНИТИ № 5336-80.

10. Бочков А.П. О влиянии агротехнических и лесомелиоративных мероприятий на сток рек лесостепных и степных районов // Труды ГГИ, Д., Гидрометеоиздат, 1965, Выпуск 127, с. 10-81.1 1. Буданов Н.Д. Гидрогеология Урала, М., Наука, 1964, 304 с.

11. Вендров C.J1. Об изменении режима речного стока в связи с хозяйственной деятельностью // Известия АН СССР, Серия география, 1959, № 2, с. 105-111.

12. Владимиров A.M. Гидрологические расчеты, J1., Гидрометеоиздат, 1990.

13. Водные ресурсы и водное хозяйство Урала, Свердловск, Средне-Уральское издательство, 1977, 272 с.

14. Водогрецкий В.Е. Антропогенное изменение стока малых рек, Л., Гидрометеоиздат, 1990, 176 с.

15. Водогрецкий В.Е. Влияние агролесомелиорации на речной сток, Л., Гидрометеоиздат, 1979.

16. Водосбор. Управление водными ресурсами на водосборе, Екатеринбург, 1994, 160 с.

17. Воейков А Н. Климаты земного шара, в особенности России, СПб, Издательство картографического заведения А.'Ильина, 1884.

18. Гидрографические характеристики речных бассейнов Европейской части СССР (под редакцией В.В. Куприянова), Л., Гидрометеоиздат, 1971.

19. Гидрологические ежегодники, Л., Гидрометеоиздат, 1936-1987.2 1. Горчаковский П.Л. Растительность // Урал и Приуралье, М., Наука, 1968, с. 211-261.

20. Давыдов Л.К. Водоносность рек СССР, ее колебания и влияние на нее физико-географических факторов, Л., Гидрометеоиздат, 1947, 162 с.

21. Давыдов Л.К. Гидрография СССР (Воды суши), Л., Издательство Ленинградского университета, 1955, 600 с.

22. Евстигнеев В.М. Речной сток и гидрологические расчеты, М., Издательство МГУ, 1990.

23. Идзон П.Ф. Лес и водные ресурсы, М., Лесная промышленность, 1980.

24. Калинин Г.С. Некоторые сведения о прудах Пермской области // Ученые записки Пермского университета, 1966, № 138, с. 118-125.

25. Келлер Р., Преобразование водного баланса под влиянием хозяйственной деятельности, Л., Гидрометеоиздат, 1976.

26. Кеммерих А.О. Воды // Урал и Приуралье, М., Наука, 1968, с. 118-167. ,

27. Кисин ИМ., Комлев A.M., Кизимова Н.М. Минимальный сток рек Тюменской области // Труды НИАК, Новосибирск, 1967, Выпуск 48, с. 47-55.

28. Климатологический справочник СССР, Выпуск 9а, часть I-II, Л., Гидрометеоиздат, 1955, 1964.

29. Комар И.В. Урал (Экономико-географическая характеристика), М., Издательство АН СССР, 1959, 367 с.

30. Комар И.В., Естественные ресурсы // Урал и Приуралье, М., Наука, 1968, с. 350-359.

31. Комлев A.M. Закономерности формирования речного стока, Пермь,• Издательство ПГУ, 1992, 118 с.t

32. Комлев A.M. Исследование и расчеты зимнего стока рек (на примере Западной Сибири) // Труды Западно-Сибирского гидрометеорологического института, Новосибирск, 1973, Выпуск 9, 200 с. :

33. Комлев A.M., Кизимова Н.М., Оценка возможности прогнозирования зимнего стока рек Западной Сибири //Труды ЗСРНИГМЦ, 1974, выпуск 13, с. 12-23.

34. Комлев A.M., Лаптева А.К. К выбору расчетного периода для оценки нормы годового стока рек Пермской области // Анализ'и прогноз элементов водных и климатических ресурсов Урала и сопредельных территорий, Пермь, Пермский университет, 1981, с. 49-56.

35. Комлев A.M., Лаптева А.К. Норма и многолетняя изменчивость годового стока рек Пермской области // Закономерности формирования, методы расчетов водных и климатических ресурсов, Пермь, Издательство ПГУ, 1983, с. 11-15.

36. Комлев A.M., Миков А.Г. Минимальный сток рек Пермской области // Комплексные исследования рек и водохранилищ Урала, Пермь, Издательство ПГУ, 1983, с. 102-108.

37. Комлев A.M., Проскурина Г.В. Аналитический способ вычисления коэффициента естественной зарегулированное™ речного стока// Метеорология и гидрология, 1977, № 10, с. 95-99.

38. Коронкевич Н.И., Водный баланс Русской равнины и его антропогенные изменения, М., Наука, 1990, 203 с.

39. I. Крестовский О.И., Соколова Н.В. Весенний сток и водный баланс поля и леса в лесной зоне ETC (на примере Вятки) // Водные ресурсы, № 2, 1979, с. 40-49.

40. Крестовский О.И. Влияние вырубок и восстановления лесов на водность рек, J1., Гид-рометеоиздат, 1986, 117 6.

41. Кувшинова К.В. Климат // Урал и Приуралье, М., Наука, 1968, с 82-117.

42. Кузин П.С., Бабкин В.И., Географические закономерности гидрологического режима рек, Л., Гидрометеоиздат, 1979, 199 с.

43. Кузин П.С. Влияние агротехнических мероприятий на речной сток // Труды ГГИ, Л., Гидрометеоиздат, 1950, Выпуск 127, с. 82-100.

44. Кузин П.С. Классификация рек и гидрологическое районирование СССР, Л, Гидрометеоиздат, 1960, 455 с.

45. Кузник И.А. Агролесомелиоративные мероприятия, весенний сток и эрозия почв, Л., Гидрометеоиздат, 1962, 220 с.

46. Куприянов В.В. Гидрологические аспекты урбанизации, Л., Гидрометеоиздат, 1977, 184 с.

47. Кучмент Л.С. и др. Формирование речного стока, М., Наука, 1983, 216 с.

48. Лебедев А.В. Гидрологическая роль лесов Сибири, Новосибирск, Наука, 1982.

49. Лучшева A.M. Практическая .гидрология, Л., Гидрометеоиздат, 1976, 440 с.

50. Львович М.И., Вода и жизнь, М., Мысль, 1986, 254 с.

51. Львович М.И. Водный баланс СССР и его преобразование, М., Наука, 1969, 337 с.

52. Львович М.И. Мировые водные ресурсы и их будущее, М., Мысль, 1984, 447 с.

53. Малые реки России (Использование, регулирование, охрана, методы водохозяйственных расчетов), (под редакцией A.M. Черняева), Свердловск, Средне-Уральское издательство, 1988, 320 с.

54. Метеорологические ежемесячники, часть 2, выпуск 9, Свердловск, Фотоофсетная лаборатория Уральского УГМС, 1961-1975.

55. Метеорологические ежемесячники, часть 2, выпуск 9, Новосибирск, ЗапсибРВЦ, 1975-1996.

56. Методические рекомендации по учету влияния хозяйственной деятельности на сток малых рек при гидрологических расчетах для водохозяйственного проектирования, Л., Гидрометеоиздат, 1986, 167 с.

57. Методические указания по оценке влияния хозяйственной деятельности на сток средних и больших рек и восстановлению его характеристик, Л., Гидрометеоиздат, 1986, 80 с.

58. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши, Т. 1, Выпуск 25, часть 1, Л., Гидрометеоиздат, 1988.

59. Молчанов А.А. Гидрологическая роль леса, М., Издательство АН СССР, 1960.

60. Николаев Н.В. География Пермской области, Пермь, Пермское книжное издательство, 1973.

61. Носаль А.П., Оценка антропогенного изменения речного стока в бассейне реки Тобол, Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук, Пермь, 1995, 23 1 с.' 1

62. Обобщенные данные Государственной статистической отчетности по форме № 2ТП (водхоз) по Пермской области, (фондовые материалы Комитета по водному хозяйству Пермской области), Пермь, 1977, 1980, 1984, 1987, 1990, 1994, 1998.

63. Обобщенные данные Государственной статистической отчетности по форме № 2ТП (водхоз) по Коми-Пермяцкому автономному округу, (фондовые материалы Управления водных ресурсов Коми-Пермяцкого автономного округа), Кудымкар, 1994, 1998.

64. Обобщенные данные инвентаризации гидротехнических сооружений на территории Пермской области, (фондовые материалы Комитета по водному хозяйству Пермской области), Пермь, 1998.

65. Обобщенные данные инвентаризации гидротехнических сооружений на территории Коми-Пермяцкого автономного округа, (фондовые материалы Управления водных ресурсов Комп-Пермяцкого автономного округа), Кудымкар, 1998.

66. Обобщенные данные лесоустройства по форме № 3 (Общие сведения о лесном фонде и лесах, не входящих в гослесфонд), фондовые материалы Управления лесами Пермской области, Пермь, 1947, 1953, 1956, 1961, 1966, 1973, 1978, 1983, 1988.

67. Основные гидрологические характеристики, Т. 11, Выпуск 1, J1., «Гидрометеоиздат», 1967,1975,1979.

68. Основные положения организации и развития лесного хозяйства Пермской области (для служебного пользования), Гослесхоз СССР, ВО Леспроект, Поволжское лесоустроительное предприятие, Пермь, 1977, 520 с.

69. Павленко Г.В. ВесенниГгсток в Кулундинской степи и возможности его прогнозов и расчетов, Новосибирск, Издательство СО АН СССР, 1963.

70. Погодина Г.С., Розов Н.Н. Почвы // Урал и Приуралье, М., Наука, 1968, с. 167-210.8 1. Рахманов В.В. Влияние лесов на водность рек в бассейне Верхней Волги, Труды ГМЦ СССР, М., Гидрометеоиздат, 1971, Выпуск 88, 174 с.

71. Рахманов В.В. Речной сток и агротехника // Труды ГМЦ СССР, М., Гидрометеоиздат, 1973, Выпуск 114, 199 с.

72. Реймерс Н.Ф. Природопользование, М., Мысль, 1990, 640 с.

73. Ресурсы поверхностных вод СССР (Средний Урал и Приуралье), Л., 1973, Т. 11, 248 с.

74. Родионов В.З. Использование географо-гидрологического метода в оценке влияния антропогенной деятельности на сток рек // Географо-гидрологический метод исследования вод суши, Л., Гидрометеоиздат, 1984, с. 142-149.

75. Родионов В.З. Исследование-влияния хозяйственной деятельности на сток рек в бассейне р. Оки до г. Калуги // Труды ГГИ, Л., Гидрометеоиздат, 1974, Выпуск 221, с. 142-149.

76. Рождественский А.В., Чеботарев А.И. Статистические методы в гидрологии, Л., Гидрометеоиздат, 1974, 424 с.

77. СНиП 2.01.14-83 Определение расчетных гидрологических характеристик, М., Госстрой СССР, 1983, 36 с.

78. Соболева Е.Б. Многолетняя изменчивость естественной зарегулированное™ годового стока рек Камского бассейна // Труды конференций молодых ученых географического факультета ИГУ, Пермь, 1984, депонировано в ВИНИТИ № 5101-84.

79. Соболева Е.Б. Условия формирования и методы расчета естественной зарегулированное™ стока рек Камского бассейна, автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук, Пермь, ПГУ, 1985.

80. Соболева Е.Б. Комлев A.M., Об использовании коэффициента естественной зарегулированное™ стока для приближенного расчета максимального и минимального стока рек // Сборник работ Уральского Гидрометцентра, Выпуск 14, Л., Гидрометеоиздат, 1985, с. 80-84.

81. Соколов А. А. О чем молчит русский лес, Л., Гидрометеоиздат, 1982.

82. Соколовский Д.Л. Водные ресурсы рек промышленного Урала и методика их расчета, М., Гидрометеоиздат, 1943, 248 с.

83. Соколовский Д.Л. Речной сток, Л., Гидрометеоиздат, 1968, 639 с.

84. Справочник по климату СССР, Выпуск 9, части I-IV, Л., Гидрометеоиздат, 1966-1968.

85. Субботин А.И. Стокталйх и дождевых вод, М., Гидрометеоиздат, 1966.

86. Субботин А.И. Структура половодья и территориальные прогнозы весеннего стока рек в нечерноземной зоне Европейской территории СССР, JL, Гидрометеоиздат, 1978, 98 с.