Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Водный режим рек Северного Кавказа

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Водный режим рек Северного Кавказа"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

003456406

Юмина Наталья Михайловна

УДК 556.16 (166, 167)

ВОДНЫЙ РЕЖИМ РЕК СЕВЕРНОГО КАВКАЗА

Специальность 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва —2008

0 5 ДЕК 2068

003456406

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

Научный руководитель:

А.В. Христофоров — доктор географических наук, профессор Официальные оппоненты:

Г.X. Исмайылов—доктор технических наук, профессор

(Московский государственный университет природообустройства);

Т.В. Самборский — кандидат географических наук

(Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова);

Ведущая организация: Институт географии РАН

Защита состоится «27» ноября 2008 г. в 15-00 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, 18 этаж, аудитория 1801.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан «24» октября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Для Северного Кавказа характерно исключительное разнообразие природных условий, обусловливающих значительное разнообразие типов водного режима рек. При этом существующие планы интенсивного экономического развития территории предусматривают интенсивное и экологически безопасное использование ресурсов речного стока. Однако такое хозяйственное использование часто является неупорядоченным, бесконтрольным и неучтенным и приводит к существенному изменению речного стока. Помимо этого на Северном Кавказе существуют проблемы как с дефицитом воды, так и с ее избытком. При этом для столь густо населенного и освоенного региона характерна крайне неудовлетворительная сеть гидрометеорологических наблюдений. В настоящее время сеть наблюдений на Северном Кавказе сильно сократилась, а в бассейне Кубани осталось действовать всего лишь порядка 10-15 гидрометрических постов. Метеостанций для такого горного региона также крайне мало, всего на территории и в близи бассейнов Кубани и Терека их насчитывается порядка 15-20, при этом большинство расположено на равнинной территории и на многих данные не полные, либо отсутствуют. Постоянно меняющаяся хозяйственная деятельность, сокращение сети наблюдений, а также ожидаемые возможные климатические изменения на территории Северного Кавказа требуют не только проведения дополнительных исследований и разработку новых методик прогноза стока, но и переоценку и уточнение уже выполненных исследований.

Состояние изученности проблемы. Северный Кавказ исследуется давно, обстоятельно и разнообразно, в том числе и на кафедре гидрологии суши МГУ. Комплексная характеристика Северного Кавказа, его природных условий и речного стока представлена в монографии «Ресурсы поверхностных вод СССР», а также в монографиях П.М. Лурье. Исследования годового и средне многолетнего стока рек Северного Кавказа приведены в работах Б.Д. Зайкова, П.П. Кучерявого; годовой, максимальный, минимальный сток

рек Северо-Западного Кавказа рассмотрен в работах Т.Н. Мельниковой, А.М. Комлева, В.И. Коровина, Г.А. Галкина; анализу и прогнозу стока рек Кавказа посвящена работа А.Н. Важнова. Классификация рек и гидрологическое районирование представлены в работах П.С. Кузина, JI.K. Давыдова, П.П. Кучерявого. Отдельно минимальным стоком рек Кавказа в разные годы занимались А.М. Владимиров, Г.Н. Хмаладзе, Р.К. Клиге, В.Д. Быков, В.А. Скорняков, И.С. Федорова. Оценка влияния климатических изменений, а также антропогенной нагрузки на сток рек Северного Кавказа приведена в работах П.М. Лурье, В.Д. Панова, Т.И. Дегтяренко, А.Ф. Мандыча и др. Хозяйственное использование водных ресурсов территории представлено в работах И.А. Шикломанова, Л.Е. Смирновой, А.С. Хорецкой, Н.Е. Кошелевой, Д.В. Маг-рицкого, А.А. Иванова и др. В основном проведенные исследования основаны на данных гидрологических наблюдений по девяностые годы XX века и посвящены, прежде всего, анализу пространственных закономерностей речного стока традиционными для гидрологической науки методами.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является исследование водного режима рек Северного Кавказа и разработка новых подходов к расчетам стока и уточнение ранее проведенных исследований на основе учета региональной специфики и использования всей существующей гидрометеорологической информации и современных средств ее анализа. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ условий формирования стока рек региона, рельефа, климатических условий, почвенно-растительного покрова;

- исследование пространственного распределения источников питания рек и распространения водных ресурсов по территории Северного Кавказа;

- анализ основных направлений хозяйственного использования вод;

- разработка системы методик краткосрочных и долгосрочных прогнозов расходов и уровней воды рек Северного Кавказа;

- разработка системы методик расчета различных характеристик стока рек Северного Кавказа;

- разработка стохастической модели водного режима для основной части рек Северного Кавказа;

- оценка возможных изменений речного стока под влиянием климатических изменений.

Методика исследования и Фактический материал. В данной работе при анализе водного режима рек Северного Кавказа было использовано максимально полное количество данных наблюдений постов сети гидрометрической службы за период от начала их действия до 2005 г. При этом помимо данных о стоке рек были использованы метеорологические данные по осадкам и температуре воздуха на территории Северного Кавказа. Основными методами исследования, используемыми в данной работе при анализе водного режима рек Северного Кавказа, являются географо-гидрологический подход к анализу пространственно-временной изменчивости речного стока, методы статистического анализа, стохастическое и физико-статистическое моделирование водного режима.

Предмет зашиты состоит в том, что в работе исследованы закономерности пространственной изменчивости водного режима рек Северного Кавказа и на этой основе разработана система методик расчета и прогноза различных характеристик речного стока.

Основные защищаемые положения, содержащие элементы научной новизны.

1. Учет географических факторов формирования стока рек Северного Кавказа позволил уточнить его пространственные закономерности, необходимые для надежной оценки распределения водных ресурсов и повышения точности расчетов водного стока в условиях недостаточной гидрологической изученности.

2. Анализ процессов формирования речного стока и движения воды в русловой сети позволил получить систему методик краткосрочного прогноза паво-дочного стока.

3. Предлагаемые в дополнение к традиционным методам расчета минимального стока методики расчета сроков наступления и окончания маловодного периода и определения гарантированной продолжительности спада уровней воды на реках Северного Кавказа повышают эффективность использования водных ресурсов исследуемого региона.

4. Разработанная стохастическая модель водного режима рек Северного Кавказа позволяет повысить эффективность использования данных гидрометрических наблюдений и надежность расчетов основных характеристик стока.

5. Обнаруженные зависимости параметров модели от основных климатических факторов позволяют получить поливариантную оценку возможных климатических изменений водного режима рек Северного Кавказа.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что она содержит достаточно надежные методики расчета и прогноза различных характеристик речного стока и оценки его пространственно-временной изменчивости, необходимые для проектирования гидротехнических сооружений, для планирования и осуществления мероприятий по использованию и охране водных ресурсов рек Северного Кавказа и защите населения от опасных гидрологических явлений. Полученные результаты вошли в итоговые отчеты по проектам: государственного контракта от 16 августа 2006 г. №1-СКИОВР «Разработка схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Терек»; государственного контракта от 14 июня 2007 г. №02.515.11.5033 ФЦП «Исследования и результаты по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.» - «Оценка возможностей водопотребления за счет речных вод в различные сезоны года на освоенных участках малых и средних рек европейской территории России». Собранные материалы и разработанные методики использовались студентами кафедры гидрологии суши МГУ при выполнении одной дипломной и 5 курсовых работ. Полученные результаты могут использоваться в качестве примеров при чтении курсов по гидрологическим расче-

там, прогнозам, по использованию и охране водных ресурсов и по региональным гидрологическим исследованиям.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2003», секция географии (Москва, 2003 г.); Международной конференции по проблемам гидрометеорологической безопасности (прогнозирование и адаптация общества к экстремальным климатическим изменениям) (Москва, сентябрь 2006 г.); на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шевченковская весна» (Киев, 2007 г.) и на научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (Москва, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 6 статей, 4 из которых подготовлены в соавторстве, и 3 тезиса докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Она изложена на 195 страницах машинописного текста, включающего 43 рисунка, 38 таблиц и 1 приложение. Список используемой литературы включает 92 отечественные и зарубежные публикации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

Глава 1. Условия формирования стока рек Северного Кавказа

В первой главе приводится характеристика природных и антропогенных факторов и условий формирования стока рек Северного Кавказа. Природные условия Северного Кавказа очень разнообразны. По рельефу, климатическим условиям и режиму стока Северный Кавказ разделяется на крупные области: Предкавказье и Северный склон Большого Кавказа, которые в свою очередь делятся на западную, центральную и восточную части. В высокогорной области Северного Кавказа широко распространены ледники и много-

летние снежники. Распределение осадков по территории крайне неравномерно, особенно в горной зоне. Количество их за год уменьшается с запада (600800 мм) на восток (400-600 мм) и увеличивается с севера на юг, достигая в некоторых пунктах 1000-1300 мм и более. На востоке Северного Кавказа зима более холодная и устойчивая чем на западе. В высокогорной зоне преобладает ледниковое и снеговое питание рек, а в предгорьях, на большей части, - дождевое питание в теплый период года и лишь на самом западе - тало-дождевое питание в холодный сезон. Природное многообразие Северного Кавказа определяет многообразие типов водного режима рек и неравномерное распределение водных ресурсов по территории. Водный режим рек Северного Кавказа отличает наличие половодья и паводков или только паводков. Половодья формируются в летние (высокогорные районы) и весенне-летние (лесная зона) месяцы, паводки на реках с половодьями проходят лишь в теплое время года. На реках с паводочным режимом стока (предгорные районы) паводки наблюдаются в течение всего года, при этом на западе преимущественно в зимнее время (Нижнекубанский район), а на востоке (Сред-некубанский, Сунженский и Прикаспийско-Кавказский районы) - в весенне-летний период. Специфика водного режима рек Северного Кавказа с одной стороны создает угрозу наводнений, а с другой - дефицит водных ресурсов, особенно в засушливых районах. В условиях интенсивного использования водных ресурсов, наличия и перспективы строительства новых каналов, оросительных систем и водохранилищ надежное описание и учет особенностей водного режима в различных частях исследуемого региона является особенно важным. Выполненный в первой главе анализ географических факторов формирования и режима стока рек Северного Кавказа позволил уточнить закономерности его пространственного распределения.

Глава 2. Пространственно-временные изменения стока рек Северного Кавказа

Во второй главе рассмотрены гидрография и режим стока рек Северного Кавказа, а также пространственно-временное изменение годового стока.

Реки северного склона Большого Кавказа разделяются на три гидрологических сектора, охватывающие бассейны рек Кубани и Терека, а также северозападное побережье Каспийского моря. Основные реки региона типично горные, они, как правило, полноводные, несут большое количество наносов, которые откладываются в нижней части долин Кубани и Терека, в связи с чем, их русла оказываются расположенными выше прилегающей местности, что в период половодья и паводков приводит к разливам, особенно в дельтах рек. Гидрографическая сеть бассейнов Кубани и Терека развита хорошо, при этом для них характерна односторонняя приточность — по выходе на равнину Кубань и Терек принимают притоки лишь со стороны, примыкающей к горам. Речной сток на рассматриваемой территории изменяется с северо-запада на юго-восток, и от предгорий к высокогорью. Перенося анализ внутригодового распределения стока в последующие главы, в настоящее главе рассмотрены многолетние колебания годового стока. Их анализ показал отсутствие статистически достоверной автокорреляции и нарушений однородности рядов годового стока для створов, расположенных выше зон интенсивной хозяйственной деятельности. Для больших и средних рек наблюдается, как правило, закономерное уменьшение модуля годового стока по их длине, кроме того, повсеместно увеличиваются модули стока с высотой. Из-за разнообразия природных условий зависимости модуля стока от высоты носят локальный характер. Тесная зависимость годового стока от зональных климатических условий и значительно меньшая его связь с местными азональными факторами позволяет оценить территориальную изменчивость модуля годового стока воды. Построенные карты модулей стока рек бассейнов Кубани и Терека показывают, что его величина изменяется от 0,5-1 (предгорья) до 40-50 л/(с-км2) (высокогорные районы). Распределение нормы модуля годового стока воды по территории в основном хорошо согласуется с распределением годовых сумм осадков. Для всей территории характерно общее уменьшение годовой величины модуля стока с юга на север и, в меньшей степени, с запада на восток в связи с уменьшением в этом направлении количества выпадающих

осадков и увеличением испарения в теплую часть года. Показателем изменчивости годового стока рек является коэффициент вариации Су, Построенные карты Су для бассейнов Кубани и Терека показывают, что он изменяется от Предкавказья к Большому Кавказу, а в пределах Большого Кавказа - с востока и запада к его центральной части и с увеличением абсолютных высот. Высокий коэффициент вариации (0,30-0,45) отмечается у рек, берущих начало на передовых хребтах, где нет современного оледенения. Здесь он в два-три раза больше, чем у рек, берущих начало из ледников Главного и Бокового хребтов. Он также повышен для рек, в бассейнах которых отсутствуют ледники и многолетние снежники. В их питании преобладают талые снеговые и дождевые воды, обладающие значительной изменчивостью от года к году.

Глава 3. Анализ паводочного стока рек Северного Кавказа

В третьей главе рассмотрены основные выдающиеся наводнения на реках Северного Кавказа, причины их возникновения, описан процесс формирования талого стока в высокогорной зоне, а для рек предгорий разработана система методик краткосрочного прогнозирования паводочного стока. Для рек Северного Кавказа характерно наличие в водном режиме половодья и паводков, а вызываемые ими наводнения часто создают серьезную угрозу населению и хозяйственным объектам территории. Для лучшего использования водных ресурсов и защиты населения от вредного воздействия вод в работе разработана система методик краткосрочного прогнозирования расходов и уровней воды рек бассейнов Кубани и Терека. Для высокогорных рек, сток которых формируется за счет таяния снежного и ледникового покровов, предложена физико-статистическая модель колебаний стока в период летнего половодья в зависимости от колебаний температуры воздуха. Основой модели служит обнаруженная высокая синхронность колебаний расходов воды в замыкающем створе 6(0 и температур воздуха, наблюденных на метеостанции в районе замыкающего створа в предшествующий момент времени, Т(1-т). Полученная прогностическая зависимость ()(/) от Г(*-т) имеет вид:

е(0 = Яо+Л(Д/-т)-Гкр), (1)

где - базисный (подземный) сток; А(Т(1-т)-Ткр) = 0.тгл - талый сток, формирующийся при таянии сезонных снегов и ледников; Г - температура воздуха в Мъш день на посту метеорологических наблюдений; Гкр - критическая температура воздуха, определяется по уравнению зависимости б =/(2) при = т - время добегания талых вод, подбирается, исходя из максимального коэффициента корреляции между расходами воды и температурами воздуха; А = \QIAT-характеристика снегозапасов и отдачи воды из снежного и ледникового покровов при увеличении температуры воздуха на 1°С, показатель А меняется от года к году в зависимости от накопленных снегозапасов. Зависимость {? =/(7) может быть использована только когда температура воздуха в районе замыкающего створа ТЦ-т) превышает некоторое свое критическое значение т.е. для периода таяния снежников и ледников в горах и формирования волны летнего половодья. Данная модель реализована для реки Черек (бассейн р. Терек) и позволяет достаточно хорошо описывать процесс формирования стока в высокогорной зоне и достаточно точно прогнозировать расходы воды в летний период с заблаговременностью 2-4 суток. С этой целью для реки Черек была рассмотрена связь колебаний температур воздуха в г. Нальчик и расходов воды у пос. Советский. Все полученные коэффициенты корреляции между температурами воздуха на метеостанции и расходами воды в замыкающем створе для реки Черек составили 0,70-0,85, что свидетельствует о том, что колебание температур является основным фактором, определяющим внутригодовую изменчивость стока данной реки. Из-за высокой пространственной дифференциации погодных условий в горах статистически достоверная корреляция между расходами воды у пос. Советский и осадками в г. Нальчик отсутствует.

Для рек предгорий и равнинной части Кубанского и Терского бассейнов в виду их недостаточной гидрометеорологической изученности использован традиционный метод соответственных уровней, позволяющий описывать движение и трансформацию волн паводков и половодий в русловой сети на

основе данных гидрометрических наблюдений. Метод реализован для 11 участков, расположенных в разных частях бассейнов рек Кубани и Терека. В таблице 1 для этих участков приведены коэффициенты корреляции между прогнозируемыми и фактическими расходами и уровнями воды Я, заблаго-временность прогнозов т (сут) и показатель их эффективности 5/стд.

Таблица 1

Показатели точности и заблаговременности прогнозов стока рек

Северного Кавказа

№ Участок реки т, сут 5/Од

в бассейне реки Кубань

1 с. им. Коста Хетагурова (Большой Зеленчук -станица Зеленчукская) - с.Успенское 0,83 1-2 0,56

2 г. Армавир - станица Ладожская 0,96 2-3 0,40

3 станица Удобная - х. Стеблицкий (р. Уруп) 0,92 1 0,54

4 станица Каладжинская - х. Догужиев (р. Лаба) 0,68 1,5-2 0,84

5 г. Хадыженск - а. Теучежхабль (р. Пшиш) 0,80 1-2 0,36

в бассейне реки Терек

б ст. Котляревская (Малка - ст. Прохладная) -г. Моздок 0,91 0,5

7 ст. Котляревская (Малка - ст. Прохладная) -с. Виноградовка 0,91 1,5 0,35

8 ст. Котляревская (Малка - ст. Прохладная) -ст. Гребенская 0,92 1,5-2 0,26

9 г. Моздок - с. Виноградовка 0,96 1-1,5 0,40

10 г. Моздок - ст. Гребенская 0,94 1,5-2 0,30

11 с. Закан-Юрт (Аргун - с. Дуба-Юрт) -с. Брагуны (р. Сунжа) 0,78 0,5

Синтез методик краткосрочного прогноза на разных участках бассейнов Терека и Кубани позволил получить приближенную картину движения воды в бассейнах, предложены карты нарастания времени добегания паводков от верховьев рек до замыкающего створа. Эти карты позволяют приближенно рассчитывать время движения речных водных масс в условиях прохождения среднего по величине паводка от любой точки бассейна до замыкающего

створа (ст. Гребенская в бассейне Терека, расположенного выше дельты реки, и Краснодарского водохранилища в бассейне Кубани). Подобные карты могут быть построены также для периода прохождения максимальных расходов воды и для межени, в этом случае получается модель реакции речной системы, которая позволяет прогнозировать не только движение паводков, но и перемещение загрязняющих веществ в русловой сети, поступивших в нее в результате выброса.

Глава 4. Анализ стока рек Северного Кавказа в маловодный период года В четвертой главе рассмотрены основные факторы формирования минимального стока рек Северного Кавказа (высота водосбора, увлажненность территории, гидрогеологические и температурные условия), выполнены расчеты и прогнозы стока рек в маловодный период года. На реках Северного Кавказа отмечается четко выраженный меженный период с минимальным стоком. Для преобладающей части рек территории характерна зимняя межень и лишь на самом западе маловодный период образуется в летне-осенний сезон и представляет собой значительные промежутки между паводками. Для планирования и осуществления оптимального хозяйственного использования водных ресурсов рек Северного Кавказа в период устойчивой зимней межени для пяти створов с продолжительными рядами наблюдений разработана система методик долгосрочного прогноза месячного стока рек с заблаговременностью 1-2 месяца. В основе ее лежит линейная корреляционная зависимость стока прогнозируемого месяца от стока предыдущих месяцев, отражающая процесс истощения запасов подземных вод. Для каждого из рассматриваемых речных створов и для каждого прогнозируемого месяца определялось оптимальное число учитываемых при прогнозе предшествующих месяцев, при этом рассматривались варианты с учетом одного, двух и трех предшествующих месяцев. В целом наиболее эффективными оказались прогнозы расходов воды с заблаговременностью 1 месяц с учетом только одного предшествующего месяца, ближайшего к прогнозируемому. Прогнозы с заблаговременностью 2 месяца менее точны, коэффициенты корреляции Я

здесь в целом не более 0,80, а эффективность прогноза Б/а удовлетворительная (табл. 2). Максимально возможная заблаговременность прогнозов минимального месячного стока для исследуемых рек Северного Кавказа 3 месяца, при этом полученные прогнозы в целом удовлетворительные.

Таблица 2

Показатели точности прогнозов минимального месячного стока

заблаговременность прогнозируемый месяц учет 1 месяца учет 2 месяцев учет 3 месяцев

Д Б/а Я Б/а Д Б/а

река Кубань - станица Ладожская

1 месяц март 0,82 0,61 0,85 0,67 0,72 0,62

февраль 0,84 0,57 0,84 0,60 0,75 0,59

январь 0,97 0,26 0,97 0,42 0,94 0,28

декабрь 0,68 0,78 0,74 0,79 0,58 0,78

ноябрь 0,88 0,50 0,80 0,50 0,82 0,51

октябрь 0,83 0,59 0,69 0,62

2 месяца март 0,82 0,60 0,66 0,63

февраль 0,80 0,61 0,72 0,58

январь 0,7 0,73 0,60 0,69

декабрь 0,74 0,71 0,57 0,74

река Аргун - с. 1уба-Юрт

1 месяц февраль 0,89 0,48 0,9 0,46 0,9 0,47

январь 0,91 0,43 0,91 0,44 0,91 0,58

декабрь 0,89 0,46 0,9 0,46 0,9 0,48

ноябрь 0,85 0,53 0,86 0,54

2 месяца февраль 0,75 0,60

Для судоходного участка реки Кубань (г. Славянск) рассчитана гарантированная кривая спада уровней воды до заданной проектной отметки и определена гарантированная продолжительность превышения наблюдаемых в створе уровней воды над проектным уровнем. При этом расчетная гарантированная кривая продолжительности спада отвечает 90%-ому уровню надежности. Гарантированные кривые спада предназначены для описания спада расходов и уровней воды после прохождения пика половодья или паводка в условиях, когда этот спад протекает с максимально возможной для данного створа интенсивностью. Кривые спада позволяют предсказать минимально возможную продолжительность спада уровня до заданной проектной отмет-

ки, т.е. предсказать период, в течение которого будут наблюдаться нужные для судоходства глубины.

Для рек Терского бассейна выполнены расчеты минимального месячного стока и рассмотрено распределение номера лимитирующего месяца. Это позволило выявить наличие на реках бассейна только зимней межени или еще и летне-осенней, при наличии последней установлена ее лимитирующая роль и соотношение с зимним меженным периодом. Анализ распределение номера лимитирующего месяца также позволил определить сроки конца зимней межени. Поскольку для большинства исследуемых рядов минимального стока характерна статистически достоверная автокорреляция при расчетах минимального месячного стока рек Терского бассейна было произведено устранение связанного с автокорреляцией смещения основных расчетных характеристик многолетних колебаний стока. Сравнение значений полученных исправленных оценок со значениями стандартных статистических оценок, полученных без учета внутрирядной скоррелированности, показало, что стандартная оценка коэффициента корреляции между значениями минимального стока смежных лет г(1) при длине ряда меньше 50 лет может давать занижение на 10% и более, а стандартные оценки о и Cv минимального стока при больших значениях г(1) могут давать занижение до 10-20%. Также для исследуемых створов получены оценки минимального месячного стока 80%-ной обеспеченности.

Глава 5. Моделирование водного режима рек Северного Кавказа

Приблизительно половина рек бассейна Кубани и более одной трети рек бассейна Терека имеют паводочный режим стока с гидрографом гребенчатого вида. Его специфика состоит в изменении от года к году числа паводочных пиков, сроков их прохождения, их высоты и формы. При таком режиме основные расчетные характеристики стока приобретают вероятностную природу: годовой сток определяется числом к значительных паводочных пиков; годовой максимум - это наибольший из этих к пиков, а минимальный сток -определяется случайно образующимся длительным промежутком между со-

седними паводками. Использование в таком случае традиционных методов расчета приводит к существенной потере информации. В связи с этим для повышения надежности расчетов стока на кафедре гидрологии суши МГУ под руководством A.B. Христофорова в середине 80х гг. XX века была разработана стохастическая модель колебаний стока рек с паводочным режимом. Модель основана на аппроксимации гидрографа рек суммой базисного стока и отдельных паводочных пиков. Разработка модели предполагает оценку распределения вероятностей величины базисного стока, числа значительных паводочных пиков и дат прохождения их максимумов, максимальных расходов, времени подъема и коэффициента интенсивности спада отдельных пиков в разные периоды года. Последовательность дат прохождения паводочных пиков соответствует модели случайного процесса Пуассона и описывается функцией k(t), которая задает среднее число паводочных пиков, наблюдаемых от начала года до даты t так, что к концу года Г величина к(Т) определяет среднее число пиков за год. Для реализации предлагаемой модели для рек Северного Кавказа с паводочным режимом стока рассматривались в основном горные и полугорные реки с площадями водосбора от 200 до 2000 км2, у которых в течение достаточно продолжительного паводочного периода ежегодно наблюдается 10-20 высоких и непродолжительных паводков на фоне относительно низкого базисного стока. Всего было исследовано 8 рек и для них разработана стохастическая модель колебаний стока, которая в количественной форме отражает их водный режим. Для рек Северного Кавказа характерно наличие условно теплого и холодного сезонов внутри года. Паво-дочные режимы рек западной и восточной частей Северного Кавказа имеют принципиальные отличия. На западе, где среднегодовые температуры воздуха выше, а осадков выпадает больше, наибольшая паводочная активность и максимальный рост функции Щ приходится на холодный период (рис. 1а). На востоке, где климат суше и холоднее, паводки холодного периода редки и незначительны и основная паводочная активность и рост k{i) наблюдается в теплое время года (рис. 16). Для анализа колебаний стока рек с преобладаю-

щим снегово-ледниковым питанием была предложена модификация разработанной стохастической модели, в основе которой лежит более сложная аппроксимация гидрографа стока с выделением весенне-летнего половодья и накладывающихся на него паводков дождевого или тало-дождевого происхождения.

/,суг

20 -

£ 15 " •I 105 -0 -

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

г, сут

Рис. 1. Графики нарастания среднего числа пиков в течение года: а) р. Афипс - станица Смоленская; б) р. Сунжа - пос. Карабулак

По результатам проверки эффективности модели методом статистических испытаний, проведенной ранее под руководством А.В. Христофорова, данная модель позволяет повысить точность расчетов годового, максимального и минимального стока, а также параметров противопаводочных водохранилищ в 1,5-2 раза по сравнению с традиционными методами.

В рамках разработанной стохастической модели в работе для различных рек были разработаны методики расчета максимальной продолжительности

меженного периода, даты его начала и конца, при этом рассчитаны средний расход воды, минимальные суточный и 30-ти дневный расходы воды и построены их функции распределения вероятностей. Для рек с чисто паводоч-ным режимом стока также были вычислены вероятности отсутствия значительных паводков в промежутке времени 10,30 и 50 суток. Так, для западных рек вероятности отсутствия значительных паводков в холодный период года даже в интервале времени 10 суток незначительны. На востоке, наоборот, вероятности отсутствия паводков невелики в теплый период года, а в холодный - существенны. В таблице 3 для некоторых рек помещены значения среднего числа пиков Агср в холодный и теплый сезоны и вероятности отсутствия паводков Р% в различные интервалы времени.

Таблица 3

Вероятности отсутствия значительных паводков за промежуток времени

10,30 и 50 суток на реках Северного Кавказа

Афипс Сочи Сунжа

15 XI-IV V- 14X1 15X1-14 V 15У-14Х1 VIII -14III 15III-IX

Аср 16,3 2,6 23 9,1 4,7 14,8

Р(10) % 37 88 28 61 79 41

Р(30) % 5 68 2 22 49 7

Р(50) % 1 52 0 8 30 1

Глава б. Оценка возможных климатических изменении водного режима

рек Северного Кавказа

Помимо реализации разработанных ранее принципов и выполненного моделирования водного режима рек Северного Кавказа, в работе впервые проведены исследования зависимости важнейших параметров стохастической модели водного режима от основных климатических характеристик. Установлена тесная зависимость наблюдающегося в течение отдельного года числа паводочных пиков к от годовой суммы осадков Р мм. Что касается характера распределения этих пиков в течение года, то он зависти от среднегодовой температуры воздуха Г°С. Так, от изменения температуры зависят продолжительности теплого и холодного сезонов, таким образом, что с рос-

том температуры увеличивается продолжительность теплого сезона £ТСШ1 мес, а холодного ¿гол мес, соответственно, уменьшается. Также от температуры воздуха зависит и внутригодовое распределение числа пиков между сезонами и средняя интенсивность прохождения паводков внутри сезонов Х=Аср/£ (табл. 4). В целом на западных реках, характеризующихся зимними паводками, от изменения температуры воздуха зависит только интенсивность холодного периода. На восточных реках, характеризующихся весенне-летними паводками, наоборот, с изменением температуры воздуха интенсивность прохождения паводков в холодный сезон остается постоянной, а в теплый с увеличением температуры падает. Полученные зависимости оказались достаточно тесными с коэффициентами корреляции 0,75-0,95.

Таблица 4

Зависимости характеристик водного режима рек Северного Кавказа

от основных климатических факторов

р. Афипс р. Псекупс р. Сунжа р. Белка

* = 0,03Р-3,84 & = 0,02Р- 1,93 ft = 0.04.Р+ 6,76 к = 0,04Р + 6,23

¿тепл = 0,86Г-3,25 L-ппя ~ 1,45Т— 1,11 ¿тон = 0,657*-1,35

Ъол = 0,34Г-0,92 *™ = 0,45Г-2,2 ^ = 9,12-0,1Г ^тепл ~ 10,1 0,71 Г

Полученные результаты позволяют оценить изменение важнейших характеристик водного режима, вызванных возможными климатическими изменениями. С учетом разнообразия прогнозов ожидаемого изменения климата и возможности появления новых моделей и их уточнения в работе был использован принцип поливариантной оценки, при котором оцениваются изменения характеристик речного стока при различных изменениях нормы годовых осадков и среднегодовой температуры воздуха. Так как по данным различных авторов ожидаемое увеличение среднегодовой температуры воздуха на Северном Кавказе варьирует от +1,5 до +4,5°С, а изменения нормы годовых осадков в среднем от -150 мм до +100 мм, значения возможных из-

менений нормы годового и сезонного стока, среднего числа паводочных пиков, нормы и О максимального стока были представлены в виде матрицы с шагом ДР = 50 мм и ДГ = 1,5°С. Примеры таких расчетов представлены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5

Поливариантная оценка изменения среднего числа паводочных пиков холодного и теплого сезонов (к10Л\ Аипл) в зависимости от

климатических изменений

мм дгс"^ -150 -100 -50 0 50 100

Афипс - станица Смоленская

0 \2,6

+1,5 \2,44 11,2\ \2,75 \3,07 14, \^3,38 17,0^^ \4,01 18,4^^

+3,0 \3,31 10,3\ 3,74 11,7\. \4,16 13,0 \5,01 \5.44 17,0

+4,5 \5,06 8,59\ \5,71 9,69 "\6,36 11,9\ \7,66 13, \8,31 14,

Сунжа - пос. Карабулак

0 \14,8 4,7

+1,5 \9,30 ЗД5\ \11,1 3,75 \12,8 \14,6 4,94\ \16,3 5,54~~\ 18,1

+3,0 \8,33 4,12\ 9,90 4,90 \11,5 5,67^^ \13,1 6,45 \14,6 7,23^^ \16,2

+4,5 0 12,5\ 0 0 17,2\ 0 0 0 24,

Исследования закономерностей колебания стока рек с паводочным режимом, выполненные для рек Северного Кавказа, показывают, что возможные изменения климата оказывают влияние не на высоту и форму отдельных паводочных пиков, а на их среднее число за год и внутригодовое распределение, т.е. на функцию к((). Прогнозируемые различными авторами изменения нормы годовых осадков должны привести к изменению числа наблюдаемых в течение года паводков к в соответствие с формулами, помещенными в первой строке таблицы 4. Прогнозируемые изменения среднегодовой темпера-

туры воздуха должны привести к изменению продолжительностей условно теплого и холодного сезонов внутри года и интенсивности прохождения паводков в течение этих сезонов (табл. 4, вторая и третья строки). Полученные достаточно надежные эмпирические зависимости позволили дать поливариантную оценку возможных изменений среднего числа пиков за холодный кхол и теплый ¡(„ая сезоны при различных ДР и АГ. Так, например, для западных рек существенное потепление может привести к значительному сокращению паводков в холодный период и резкому увеличению их числа в теплый сезон, продолжительность которого при этом может охватить почти весь год. На восточных реках Северного Кавказа (Терский бассейн) наблюдается обратная картина: с ростом температуры воздуха среднее число пиков за холодный сезон увеличится, а за теплый - уменьшится и даже, при существенном потеплении, сократится до нуля (табл. 5). Аналогично было рассмотрено изменение максимального стока рек Северного Кавказа в зависимости от возможных климатических изменений (табл. 6).

Таблица б

Поливариантная оценка изменения максимального стока в % различных се-

зонов (холодный \ теплый) в зависимости от климатических изменений

-150 -100 -50 0 50 100

Афипс - станица Смоленская

+1,5 -9,3\ 2,6 \7,6 -3,6 \12,0 \16,1 1,0 \19.8 3,0

+3,0 \11,1 -11,3\ 16,7 "\21,6 -5/7\ \26,0 \30,1 \33,8 1,0

+4,5 \30,6 -16Д\ \36,1 -13,о\ \41,0 -10,3\ \45,5 -7,9 \49,6 \53,3

Сунжа - пос. Карабулак

+1,5 \-8,1 \-4,3 0,4 5,2 \1,8 9,4 \4,4

+3,0 2 -1,6\ 4,8 \-7,1 10,3 \-3,9 15,1 —^ \-i.o 1,6

+4,5 35М5\

С ростом температуры воздуха на западе возможно уменьшение в холодный сезон среднего расхода и нормы максимального стока, изменчивость которого возрастет. Для восточных рек характерна обратная картина. Увеличение нормы годовых осадков для всех исследуемых рек приведет к общему увеличению числа паводков каждого сезона, среднего расхода и нормы максимального стока, изменчивость которого при этом упадет. Например, с изменением осадков на 100 мм среднегодовой сток на реках Северного Кавказа может измениться от 10% (р. Псекупс) до 24% (р. Сунжа), при уменьшении осадков на 150 мм максимальный сток рек Северного Кавказа уменьшается от 4% (р. Псекупс) до 11 % (р. Сунжа), при этом увеличится Cv максимального стока от 5 до 12% соответственно. По последним климатическим прогнозам МГЭИК на Северном Кавказе к концу XXI века ожидается в самом худшем варианте увеличение температуры воздуха на 4,5°С и уменьшение годовых осадков примерно на 100-150 мм. Полученные зависимости позволили сделать следующие оценки: годовой сток рек может уменьшиться на 15-25%, максимальный сток рек может уменьшиться на 4-8%, однако при этом возрастет Cv максимального стока примерно на 5-10% (табл. 7).

Таблица 7

Возможное изменение стока рек Северного Кавказа под влиянием

климатических изменений

Возможное изменение стока, %

ДР,% ДГС бсп.макс <>(е«.кс)

Региональные прогнозы (П.М. Лурье, В.Д. Панов, 2003) на середину XXI века +10-15 + 3-5 +10-20 (запад) + 8-15 (восток) + 2-5 -2-5

Глобальные прогнозы (1РСС, 2007) на конец XXI века -15-20 + 2-4,5 -15-30 (запад) -15-20 (восток) -4-8 + 5-10

Для Северного Кавказа, где вызываемые прохождением высоких паводков наводнения почти ежегодно приводят к большому материальному ущербу и даже человеческим жертвам, особый интерес представляют поливариантные расчеты максимального стока, т.е. расходов воды малой обеспеченности, например 1% или 0,1%. В частности, при возможном уменьшении количества осадков на 100 мм на реке Сунжа среднее число значительных па-водочных пиков за год уменьшится с 19,5 до 14,8, при этом уменьшится норма максимального стока реки с 40 до 35 м3/с, а О» максимального стока возрастет с 0,65 до 0,72. В результате максимальный расход обеспеченности

0.1. возрастет от 156 до 165 м3/с. Таким образом, можно сделать вывод, что при общем снижении числа пиков опасность появления катастрофических паводков на реках Северного Кавказа возрастет.

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

1. Максимально полный учет специфики условий формирования и пространственно-временной изменчивости стока и использование имеющихся данных гидрометеорологических наблюдений позволило разработать систему достаточно надежных методик гидрологических расчетов и прогнозов характеристик водного режима рек Северного Кавказа.

2. Анализ географических факторов формирования стока позволил получить уточненную оценку пространственного распределения его характеристик с учетом размеров и высоты водосборов, предложенные эмпирические зависимости и карты позволяют рассчитывать годовой сток в условиях недостаточной гидрологической изученности.

3. Разработанная физико-статистическая модель формирования талого стока высокогорных рек Северного Кавказа позволяет рассчитывать расходы воды в замыкающем створе в зависимости от колебаний температур воздуха в районе замыкающего створа, а также давать удовлетворительные по точности прогнозы с заблаговременностью 2-4 суток.

4. Разработанная на основе метода соответственных уровней система методик краткосрочного прогноза паводочного стока для ряда участков рек Северного Кавказа, позволяющая давать удовлетворительные по точности прогнозы с заблаговременностью 1-3 суток, может быть использована для гидрологического обоснования оперативных решений по использованию и охране водных ресурсов рек территории и защите населения от опасных гидрологических процессов.

5. Для оперативной оценки возможных негативных последствий хозяйственной деятельности в бассейнах рек Кубани и Терека (сбросы загрязняющих веществ, попуски и т. д.), получена предварительная картина движения воды в бассейнах, предложены карты времени добегания паводков от верховьев рек до замыкающего створа.

6. Разработанная методика расчета характеристик минимального стока рек позволила рассчитать сроки наступления, окончания и продолжительности летне-осенней и зимней межени на исследуемых реках Северного Кавказа. Для планирования и осуществления оптимального хозяйственного использования водных ресурсов рек Северного Кавказа в маловодный период года разработана методика долгосрочного прогноза минимального месячного стока рек.

7. Разработанная методика расчета гарантированной продолжительности спада уровней воды на судоходном участке реки Кубань позволяет рассчитывать для нужд судоходства гарантированную продолжительность превышения наблюдаемых в створе уровней воды над проектным уровнем, т.е. гарантируется достаточный для прохождения судов уровень.

8. Предлагаемая стохастическая модель водного режима малых и средних рек Северного Кавказа позволяет описывать внутригодовое распределение стока с учетом специфики паводочного режима и может быть использована для повышения эффективности использования данных гидрологических наблюдений при расчете основных характеристик речного стока рек.

9. Анализ влияния климатических факторов на параметры модели показал, что для исследуемых рек число значительных паводочных пиков зависит от годовой суммы осадков, а продолжительность холодного и теплого сезонов и внутригодовое перераспределение числа паводочных пиков от среднегодовой температуры воздуха. Это позволило получить предварительную поливариантную оценку возможных климатических изменений стока рек Северного Кавказа на конец XXI в.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Юмина Н.М. Расчет гарантированной продолжительности спада уровней воды на судоходных участках реки Яна И Тезисы докладов Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоно-сов-2003». Секция географии. Москва, Россия, апрель 2003 г.

2. Христофоров A.B., Юмина Н.М., Антохина E.H., Гармаев Е.Ж., Кириллов A.B. Расчеты и прогнозы уровней воды на судоходных реках в период навигации // Водное хозяйство России. Проблемы, технологии, управление. 2005. Т.7. №1, с.21-33.

3. Христофоров A.B., Юмина Н.М. Стохастическая модель колебаний паводочного стока рек Северного Кавказа // Водное хозяйство России. Проблемы, технологии, управление. 2005. Т.7. № 4, с.359-377.

4. Христофоров A.B., Юмина Н.М., Кириллов A.B. Расчет гарантированной продолжительности спада уровней воды на судоходных реках в период навигации. В кн.: Эрозия почв и русловые процессы. - М.: изд-во МГУ, 2005.-с. 218-230.

5. Юмина Н.М. Стохастическая модель колебаний паводочного стока рек Северного Кавказа // Тезисы докладов Международной конференции по проблемам гидрометеорологической безопасности (прогнозирование и адаптация общества к экстремальным климатическим изменениям). Москва, Россия, сентябрь 2006 г., с. 105.

6. Юмина Н.М. Применение стохастической модели для расчетов колебаний паводочного стока рек (на примере рек Северного Кавказа) // Тезисы

25

докладов Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шевченковская весна». Вып. 5, 4.1. Киев, Украина, март 2007 г., с. 300-301.

7. Христофоров A.B., Юмина Н.М., Кириллов A.B., Рец Е.П. Прогнозирование стока рек Терского бассейна // Водное хозяйство России. Проблемы, технологии, управление. 2007. Т.7. №4, с. 25-37.

8. Юмина Н.М. Паводочный сток рек Северного Кавказа // Вестник МГУ. Сер.5. География. 2008. №2 - с. 51-56.

9. Юмина Н.М. Физико-статистическая модель формирования талого стока высокогорных рек Терского бассейна // Актуальные проблемы современной географии, Смоленск, 2008.

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 21.10.2008 г. Формат 60x901/16. Усл.печл. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 598. Тел. 939-3890. Тел./факс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Юмина, Наталья Михайловна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА РЕК СЕВЕРНОГО КАВКАЗА.

1.1. Рельеф и геологическое строение.

1.2. Климат.

1.3. Почвы и растительность.

1.4. Основные направления хозяйственного использования вод.

ГЛАВА 2 ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТОКА

РЕК СЕВЕРНОГО КАВКАЗА.

2.1. Реки Предкавказья.

2.2. Реки северного склона Большого Кавказа.

2.3. Пространственно-временное распределение характеристик годового стока.

ГЛАВА 3 АНАЛИЗ ПАВОДОЧНОГО СТОКА РЕК СЕВЕРНОГО КАВКАЗА.

3.1. Выдающиеся наводнения на реках Северного Кавказа.

3.2. Физико-статистическая модель формирования талого стока высокогорных рек.

3.3. Прогнозирование паводочного стока рек Северного Кавказа.

ГЛАВА 4 АНАЛИЗ СТОКА РЕК СЕВЕРНОГО КАВКАЗА В МАЛОВОДНЫЙ ПЕРИОД ГОДА.

4.1. Факторы минимального стока рек Северного Кавказа.

4.2. Расчеты речного стока в маловодный период года.

4.3. Прогнозы речного стока в маловодный период года.

4.4. Расчет гарантированной продолжительности спада уровней воды на судоходных участках реки Кубань.

ГЛАВА 5 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДНОГО РЕЖИМА РЕК

СЕВЕРНОГО КАВКАЗА.

5.1. Региональная специфика водного режима.

5.2. Стохастическая модель водного режима рек Северного Кавказа.

5.3. Стохастическая модель многолетних колебаний характеристик паводочного стока.

5.4. Стохастическое моделирование внутригодового распределения талого и дождевого стока рек Северного Кавказа с преобладающим снеговым питанием.

5.5. Статистическая оценка низкого стока рек Северного Кавказа.

ГЛАВА 6 ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ

ИЗМЕНЕНИЙ ВОДНОГО РЕЖИМА РЕК СЕВЕРНОГО КАВКАЗА.

6.1. Возможные изменения климата на территории Северного Кавказа.

6.2. Зависимость характеристик водного режима рек от основных климатических факторов.

6.3. Поливариантная оценка возможных климатических изменений водного стока исследуемых рек.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Водный режим рек Северного Кавказа"

Актуальность исследования. Для Северного Кавказа характерно исключительное разнообразие природных условий, обусловливающих значительное разнообразие типов водного режима рек. При этом существующие планы интенсивного экономического развития территории предусматривают интенсивное и экологически безопасное использование ресурсов речного стока. Однако такое хозяйственное использование часто является неупорядоченным, бесконтрольным и неучтенным и приводит к существенному изменению речного стока. Помимо этого на Северном Кавказе существуют проблемы как с дефицитом воды, так и с ее избытком. При этом для столь густо населенного и освоенного региона характерна крайне неудовлетворительная сеть гидрометеорологических наблюдений. В настоящее время сеть наблюдений на Северном Кавказе сильно сократилась, а в бассейне Кубани осталось действовать всего лишь порядка 10-15 гидрометрических постов. Метеостанций для такого горного региона также крайне мало, всего на территории и в близи бассейнов Кубани и Терека их насчитывается порядка 1520, при этом большинство расположено на равнинной территории и на многих данные не полные, либо отсутствуют. Постоянно меняющаяся хозяйственная деятельность, сокращение сети наблюдений, а также ожидаемые возможные климатические изменения на территории Северного Кавказа требуют не только проведения дополнительных исследований и разработку новых методик прогноза стока, но и переоценку и уточнение уже выполненных исследований.

Состояние изученности проблемы. Северный Кавказ исследуется давно, обстоятельно и разнообразно, в том числе и на кафедре гидрологии суши МГУ. Комплексная характеристика Северного Кавказа, его природных условий и речного стока представлена в монографии «Ресурсы поверхностных вод СССР» (1973), а также в монографиях П.М.Лурье (2002, 2005 - совместно с В.Д. Пановым, Ю.Ю. Ткаченко). Исследования годового и средне многолетнего стока рек Северного Кавказа приведены в работах Б.Д. Зайкова (1946), П.П. Кучерявого (1960), годовой, максимальный, минимальный сток рек Северо4

Западного Кавказа рассмотрен в работах Т.Н. Мельниковой, A.M. Комлева (2003), В.И. Коровина, Г.А. Галкина (1977, 1979), исследованием водного баланса Кавказа занимались JI.A. Владимиров, Г.Н. Гигинейшвили, А.И. Джавахишивили, H.H. Закарашвили (1991), анализу и прогнозу стока рек Кавказа посвящена работа А.Н. Важнова (1966). Классификация рек и гидрологическое районирование представлены в работах П.С. Кузина (1960), JI.K. Давыдова, П.П. Кучерявого (1961). Отдельно минимальным стоком рек Кавказа в разные годы занимались A.M. Владимиров, Г.Н. Хмаладзе (1972), Р.К. Клиге (1963, 1964, 1968), В.Д.Быков, В.А. Скорняков, И.С. Федорова (1984). Оценка влияния климатических изменений, а также антропогенной нагрузки на сток рек Северного Кавказа приведена в работах П.М. Лурье, В.Д. Панова, Т.И. Дегтяренко, А.Ф. Мандыча и др. Хозяйственное использование водных ресурсов территории представлено в работах И.А. Шикломанова, JI.E. Смирновой, A.C. Хорецкой, Н.Е. Кошелевой, Д.В. Магрицкого, A.A. Иванова и др. В основном проведенные исследования основаны на данных гидрологических наблюдений по девяностые годы XX века и посвящены, прежде всего, анализу пространственных закономерностей речного стока традиционными для гидрологической науки методами.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является исследование водного режима рек Северного Кавказа и на этой основе разработка новых подходов к расчетам стока и уточнение ранее проведенных исследований с учетом региональной специфики и использования всей существующей гидрометеорологической информации и современных средств ее анализа. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ условий формирования стока рек региона, рельефа, климатических условий, почвенно-растительного покрова;

- исследование пространственного распределения источников питания рек и распространения водных ресурсов по территории Северного Кавказа;

- анализ основных направлений хозяйственного использования вод;

- разработка системы методик краткосрочных и долгосрочных прогнозов расходов и уровней воды рек Северного Кавказа;

- разработка системы методик расчета различных характеристик стока рек Северного Кавказа;

- разработка стохастической модели водного режима для основной части рек Северного Кавказа;

- оценка возможных изменений речного стока под влиянием климатических изменений.

Методика исследования и фактический материал. В данной работе при анализе водного режима рек Северного Кавказа было использовано максимально полное количество данных наблюдений постов сети гидрометрической службы за период от начала их действия до 2005 г. При этом помимо данных о стоке рек были использованы метеорологические данные по осадкам и температуре воздуха на территории Северного Кавказа. Основными методами исследования, используемыми в данной работе при анализе водного режима рек Северного Кавказа, являются географо-гидрологический подход к анализу пространственно-временной изменчивости речного стока, методы статистического анализа, стохастическое и физико-статистическое моделирование водного режима.

Предмет защиты состоит в том, что в работе исследованы закономерности пространственной изменчивости водного режима рек Северного Кавказа и на этой основе разработана система методик расчета и прогноза различных характеристик речного стока.

Основные защищаемые положения, содержащие элементы научной новизны.

1. Учет географических факторов формирования стока рек Северного Кавказа позволил уточнить его пространственные закономерности, необходимые для надежной оценки распределения водных ресурсов и повышения точности расчетов водного стока в условиях недостаточной гидрологической изученности.

2. Анализ процессов формирования речного стока и движения воды в русловой сети позволил получить систему методик краткосрочного прогноза паводочного стока.

3. Предлагаемые в дополнение к традиционным методам расчета минимального стока методики расчета сроков наступления и окончания маловодного периода и определения гарантированной продолжительности спада уровней воды на реках Северного Кавказа повышают эффективность использования водных ресурсов исследуемого региона.

4. Разработанная стохастическая модель водного режима рек Северного Кавказа позволяет повысить эффективность использования данных гидрометрических наблюдений и надежность расчетов основных характеристик стока. г

5. Обнаруженные зависимости параметров модели от основных климатических факторов позволяют получить поливариантную оценку возможных климатических изменений водного режима рек Северного Кавказа.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что она содержит достаточно надежные методики расчета и прогноза различных характеристик речного стока и оценки его пространственно-временной изменчивости, необходимые для проектирования гидротехнических сооружений, для планирования и осуществления мероприятий по использованию и охране водных ресурсов рек Северного Кавказа и защите населения от опасных гидрологических явлений. Полученные результаты вошли в итоговые отчеты по проектам: государственного контракта от 16 августа 2006 г. №1-СКИОВР «Разработка схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Терек»; государственного контракта от 14 июня 2007 г. №02.515.11.5033 ФЦП «Исследования и результаты по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 гг.» - «Оценка возможностей водопотребления за счет речных вод в различные сезоны года на освоенных участках малых и средних рек европейской территории России». Собранные материалы и разработанные методики использовались студентами кафедры гидрологии суши МГУ при выполнении одной дипломной и 5 курсовых работ. Полученные результаты могут использоваться в качестве примеров при чтении курсов по гидрологическим расчетам, прогнозам, по использованию и охране водных ресурсов и по региональным гидрологическим исследованиям.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2003», секция географии (Москва, 2003 г.); Международной конференции по проблемам гидрометеорологической безопасности (прогнозирование и адаптация общества к экстремальным климатическим изменениям) (Москва, сентябрь 2006 г.); на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шевченковская весна» (Киев, 2007 г.) и на научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (Москва, 2008 г.).

Публикации. Итоги исследований изложены в 6 статьях, 4 из которых подготовлены в соавторстве, и 3 тезисах.

Структура работы. Диссертация состоит из Введения, 6 глав и Заключения. Она изложена на 195 страницах машинописного текста, включающего 43 рисунка, 38 таблиц и 1 приложение. Список используемой литературы включает 92 отечественные и зарубежные.публикации.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Юмина, Наталья Михайловна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Максимально полный учет специфики условий формирования и пространственно-временной изменчивости стока и использование имеющихся данных гидрометеорологических наблюдений позволило разработать систему достаточно надежных методик гидрологических расчетов и прогнозов характеристик водного режима рек Северного Кавказа.

2. Анализ географических факторов формирования стока позволил получить уточненную оценку пространственного распределения его характеристик с учетом размеров и высоты водосборов, предложенные эмпирические зависимости и карты позволяют рассчитывать годовой сток в условиях недостаточной гидрологической изученности.

3. Разработанная физико-статистическая модель формирования талого стока высокогорных рек Северного Кавказа позволяет рассчитывать расходы воды в замыкающем створе в зависимости от колебаний температур воздуха в районе замыкающего створа, а также давать удовлетворительные по точности прогнозы с заблаговременностью 2-5 суток.

4. Разработанная на основе метода соответственных уровней система методик краткосрочного прогноза паводочного стока для ряда участков рек Северного Кавказа, позволяющая давать удовлетворительные по точности прогнозы с заблаговременностью 1-3 суток, может быть использована для гидрологического обоснования оперативных решений по использованию и охране водных ресурсов рек территории и защите населения от опасных гидрологических процессов.

5. Для оперативной оценки возможных негативных последствий хозяйственной деятельности в бассейнах рек Кубани и Терека (сбросы загрязняющих веществ, попуски и т. д.), получена предварительная картина движения воды в бассейнах, предложены карты времени добегания паводков от верховьев рек до замыкающего створа.

6. Разработанная методика расчета характеристик минимального стока рек позволила рассчитать сроки наступления, окончания и продолжительности летне-осенней и зимней межени на исследуемых реках Северного Кавказа. Для планирования и осуществления оптимального хозяйственного использования водных ресурсов рек Северного Кавказа в маловодный период года разработана методика долгосрочного прогноза минимального месячного стока рек.

7. Разработанная методика расчета гарантированной продолжительности спада уровней воды на судоходном участке реки Кубань позволяет рассчитывать для нужд судоходства гарантированную продолжительность превышения наблюдаемых в створе уровней воды над проектным уровнем, т.е. гарантируется достаточный для прохождения судов уровень.

8. Предлагаемая стохастическая модель водного режима малых и средних рек Северного Кавказа позволяет описывать внутригодовое распределение стока с учетом специфики паводочного режима и может быть использована для повышения эффективности использования данных гидрологических наблюдений при расчете основных характеристик речного стока рек.

9. Анализ влияния климатических факторов на параметры модели показал, что для исследуемых рек число значительных паводочных пиков зависит от годовой суммы осадков, а продолжительность холодного и теплого сезонов и внутригодовое перераспределение числа паводочных пиков от среднегодовой температуры воздуха. Это позволило получить предварительную поливариантную оценку возможных климатических изменений стока рек Северного Кавказа на конец XXI в.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Юмина, Наталья Михайловна, Москва

1. Абшаев М.Т., Борисова Н.В., Малкарова A.M. О тенденции изменения климата на Северном Кавказе // Тезисы докладов всемирной конференции по изменению климата. М., 2003.

2. Авакян А.Б., Плюшкин A.A. Влияние наводнений на жизнь общества и защита от них // Изв. АН СССР. Сер. Геогр. 1989, №2, с. 41-54

3. Алексеевский Н.И., Айбулатов Д.Н., Косицкий А.Г. Масштабные изменения стока в русловой сети территории. В кн.: География, общество, окружающая среда. Т. 6. Динамика и взаимодействие атмосферы и гидросферы. М.: Городец, 2004. - с.345-375

4. Алексеевский Н.И., Лебедева М.Ю., Соколовский Д.К. Источники питания и изменчивость их вклада в формирование стока рек европейской территории России // Водные ресурсы, 2007, т.34, №1, с. 517

5. Андреянов В.Г. Методические указания по расчетам внутригодового распределения стока при строительном проектировании. — Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 77 с.

6. Аполлов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. Л.: Гидрометиздат, 1974. — 419 с.

7. Атлас мирового водного баланса. — М.: Гидрометиздат, 1974. 64 л.

8. Атлас расчетных гидрологических карт и номограмм. Л., Гидрометиздат, 1986.

9. Балков В.А. Влияние карста на сток рек Европейской территорий СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 215 с.

10. Болгов М.В., Мишон В.М., Сенцова Н.И. Современные проблемы оценки водных ресурсов и водообеспечения. -М.: Наука 2005.

11. Болыпев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1983.-416 с.

12. Важнов А.Н. Анализ и прогноз стока рек Кавказа. М.: Гидрометиздат, 1966.-275 с.

13. Владимиров A.M. Минимальный сток рек СССР. JL: Гидрометиздат, 1970.-214 с.

14. Владимиров A.M., Хмаладзе Г.Н. Минимальный сток рек Кавказа. «Тр. ГГИ», 1972. Вып. 188. - с. 273-282

15. Владимиров A.M. Сток рек в маловодный период года. Л.: Гидрометиздат, 1976. - 296 с.

16. Владимиров A.M. Гидрологические расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.-364 с.

17. Владимиров Л.А. Водный баланс Большого Кавказа. Тбилиси: Мецниереба, 1970.

18. Владимиров Л. А., Гигинейшвили Г.Н., Джавахишивили А.И., Закарашвили H.H. Водный баланс Кавказа и его географические закономерности. Тбилиси: Мецниереба, 1991. - 141 с.

19. Голубев Г.Н. Гидрология ледников. Л.: Гидрометиздат, 1976.

20. ГОСТ 19179-73. Гидрология суши. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1974. - 26 с.

21. Государственный Водный Кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Часть 1, Реки и каналы. Т. 1, РСФСР. Вып. 1, Бассейны рек северо-восточного побережья побережья Черного моря, бассейн Кубани. Обнинск: ВНИИГМИ МИД, 1971-1988.

22. Государственный Водный Кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Часть 1, Реки и каналы. Т. 1, РСФСР. Вып. 26, Бассейны Терека, Кумы, Самура, Сулака. Обнинск: ВНИИГМИ МЦД, 1971-1988.

23. Государственный водный кадастр. Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество. 2004 год. Москва, Метеоагентство Росгидромета. 2005.

24. Гриневич Г. А., Петелина H.A., Гриневич А.Г. Композиционное моделирование гидрографов. -М.: Наука, 1972. 181 с.

25. Давыдов JI.K. Гидрография СССР (Воды суши). Л.: изд-во Ленингр. унта, 1955.

26. Дегтяренко Т.И. Климатические и антропогенные изменения стока рек Кавказа. Труды ВНИИГМИ-МЦД, 1988, Вып 149.

27. Евстигнеев В.М. Речной сток и гидрологические расчеты. М.: изд-во МГУ, 1990.-304 с.

28. Евстигнеев В.М., Зайцев A.A., Сваткова Т.Г., Чалов P.C. Шенберг Н.В. Водный режим рек СССР. М.: Вестник Моск. ун-та, сер. 5, Геогр. 1990, №1, с. 10-15.

29. Изменение климата, 2007 г.: физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад МГЭИК об оценках. Резюме для политиков. ВМО-ЮНЕП, 2007.

30. Исмайылов Г.Х. Оценка и прогноз притока речных вод в Каспийское море // Тезисы докладов научно-технической конференции «Природообустройство — важная деятельность человека». М., 1998.

31. Каталог заторных и зажорных участков рек СССР. Т. 1. Европейская часть СССР / Под ред. A.A. Соколова. Л.:Гидрометеоиздат, 1976. - 260 с.

32. Кислов A.B. Климат в прошлом, настоящем и будущем. — М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2001. 350 с.

33. Клиге Р.К. Некоторые особенности формирования минимального стока рек западной части Северного Кавказа (бассейн р. Кубани) // Вест. МГУ. 1963. Сер.5. География. №5. с. 32-37

34. Клиге Р.К. Минимальный сток рек Северного Кавказа. Афтореф. канд. дис. -М.: географический ф-т МГУ, 1964.

35. Клиге P.K. Связь минимального стока с площадью водосбора на территории Северного Кавказа. В кн.: Геоморфологические и гидрологические исследования. М.: изд-во МГУ, 1968.

36. Климатический справочник СССР. Вып. 13. Метеорологические данные за отдельные годы. Часть I Температура воздуха. Часть II Атмосферные осадки. М.: Гидрометиздат, 1953, 1956.

37. Коновалов В.Г. Гидрологический режим ледников в условиях эволюции оледенения//Тр. САНИГМИ. 1989. Вып. 132 (213), с. 88-97

38. Кудинов А.Г. Современные водохозяйственные балансы основных речных бассейнов Российской Федерации // Водные ресурсы, 2005, т.32, № 5, с.533-538.

39. Кузин П.С. Классификация рек и гидрологическое районирование СССР. JL: Гидрометеоиздат, 1960. - 455 с.

40. Кучмент JI.C, Гельфан А.Н. Динамико-стохастические модели формирования речного стока. М.: Наука, 1993. -101 с.

41. Лурье П.М. Водный режим и баланс рек Северного Кавказа в период изменения климата // Оценка экологического состояния горных и предгорных экосистем Кавказа. Вып.З. Ставрополь: Кавказский край, 2000. с.70-76

42. Лурье П.М. Водные ресурсы и водный баланс Кавказа. С.П.: Гидрометиздат, 2002. - 500 с.

43. Лурье П.М., Панов В.Д. Речной сток Кавказа в условиях современного изменения климата // Тезисы докладов всемирной конференции по изменению климата. М., 2003.

44. Лурье П.М, Панов В.Д., Ткаченко Ю.Ю. Река Кубань. Гидрография и режим стока. С.П.: Гидрометиздат, 2005.

45. Магрицкий Д.В., Иванов A.A. Оценка влияния водохозяйственных мероприятий на режим стока нижней Кубани // Вестник МГУ. Сер.5. География. 2003. №5. с.46-54

46. Маккавеев Н.И., Чалов P.C. Русловые процессы. М.: Изд-во МГУ, 1986. - 264 с.

47. Мандыч А.Ф., Котляков В.М. Экологические проблемы и современные тенденции изменения Черноморского региона // Известия РАН. Серия географическая. № 4. 1997. с. 19-37

48. Мандыч А.Ф. Наводнения и их типы // Известия РАН. Серия географическая. № 2. 2002. с. 23-32

49. Мандыч А.Ф. Наводнения: ущербы и защита // Известия РАН. Серия географическая. № 2. 2003. с. 26-35

50. Межправительственная группа экспертов по изменению климата. Резюме для лиц, определяющих политику. Сценарии выбросов. Специальный доклад рабочей группы III МГЭИК. ВМО-ЮНЕП, 2000. http://www.ipcc.ch

51. Мельникова Т.Н., Комлев A.M. Водоносность рек Северо-западного Кавказа. Майкоп.: "Качество", 2003 - 130 с.

52. Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли. Л.: Гидрометиздат, 1974.-638 с.

53. Мухин В.Н, Полунин А.Я. Методическое указание к разработке метода краткосрочных прогнозов расходов воды горных рек на основании математической модели формирования стока. Л.: Гидрометиздат, 1982. -148 с.

54. Нежиховский P.A. Русловая сеть бассейна и процесс формирования стока воды. Л.: Гидрометиздат, 1971. - 475 с.

55. О последствиях проливных дождей в Южном Федеральном округе // Экология и жизнь. 2002, № 4, с. 54

56. Определение расчетных гидрологических характеристик (СНиП 2.01.1483). -М., 1985.-36 с.

57. Определение основных расчетных гидрологических характеристик (СНиП 33-101-2003). М.: Госстрой России. 2004, - 72 с.

58. Отчет по научно-исследовательской работе «Разработка схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Терек». Рук. Н.И. Алексеевский. Рукопись. М.: Географический факультет МГУ, 2006.

59. Панов В.Д. Эволюция современного оледенения Кавказа. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993.-431 с.

60. Панов В.Д., Лурье П.М. Размеры современного оледенения Большого Кавказа в связи с изменением климатических условий в первой половине XXI столетия // Тезисы докладов всемирной конференции по изменению климата. М., 2003.

61. Перов В.Ф. Селевые явления на территории СССР. М.: ВИНИТИ, 1989. - 149 с.

62. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. -Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 448 с.

63. Ресурсы поверхностных вод СССР. Гидрологическая изученность. Том 8, Северный Кавказ. Л.: Гидрометиздат, 1975.

64. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 8, Северный Кавказ. — Л.: Гидрометиздат, 1973. — 446 с.

65. Рождественский A.B. Оценка точности кривых распределения гидрологических характеристик. — Л.: Гидрометиздат, 1977. — 269 с.

66. Рождественский A.B., Ежов A.B., Сахарюк A.B. Оценка точности гидрологических расчетов. Л.: Гидрометиздат, 1990. - 275 с.

67. Руководство по гидрологическим прогнозам. Вып. 1, Долгосрочные прогнозы элементов водного режима рек и водохранилищ. — JL: Гидрометиздат, 1989. 358 с.

68. Руководство по гидрологическим прогнозам. Вып. 2, Краткосрочный прогноз расхода уровня воды на реках. JL: Гидрометиздат, 1989. - 249 с.

69. Симов В.Г. Гидрология устьев рек Азовского моря. М., 1989.

70. Симонов А.И. Гидрология устьевой области Кубани. М., 1958.

71. Христофоров A.B. Прогнозы уровня в период навигации. Речной транспорт, 1988, №12, 57-63 с.

72. Христофоров A.B. Теория вероятности и математической статистики. -М.: изд-во МГУ, 1988- 131 с.

73. Христофоров A.B. Надежность расчетов речного стока. — М.: Изд-во МГУ, 1993.- 168с.

74. Христофоров A.B. Теория случайных процессов в гидрологии. — М.: изд-во МГУ, 1994.- 141 с.

75. Христофоров A.B., Карамолдоев Ж.Ж. Сток горных рек в маловодный период, его расчеты и прогнозы Бишкек: ИЛИМ, 1994. — 147 с.

76. Христофоров A.B., Круглова Г.В., Самборский Т.В. Стохастическая модель колебаний речного стока в паводочный период. М.: изд-во МГУ, 1998.- 146 с.

77. Христофоров A.B., Юмина Н.М. Стохастическая модель колебаний паводочного стока рек Северного Кавказа // Водное хозяйство России. Проблемы, технологии, управление. 2005.-Т.7.-№ 4.-е.359-377.

78. Христофоров A.B., Юмина Н.М., Кириллов A.B. Расчет гарантированной продолжительности спада уровней воды на судоходных реках в период навигации. В кн.: Эрозия почв и русловые процессы. — М.: изд-во МГУ, 2005.-е. 218-230.

79. Христофоров A.B., Юмина Н.М., Антохина E.H., Гармаев Е.Ж., Кириллов A.B. Расчеты и прогнозы уровней воды на судоходных реках в периоднавигации // Водное хозяйство России. Проблемы, технологии, управление. 2005.-Т.7.-№1.-с.21-33.

80. Христофоров A.B., Юмина Н.М., Кириллов A.B., Рец Е.П. Прогнозирование стока рек Терского бассейна // Водное хозяйство России. Проблемы, технологии, управление. 2007.-Т.7-№4.-с. 25-37.

81. Шикломанов И.А. Смирнова JI.E. Оценка влияния хозяйственной деятельности на сток крупных рек Кавказа. Труды ГГИ, 1973, вып. 206, с. 92-122

82. Шикломанов И.А. Хорецкая A.C. Оценка изменений стока р. Кубани под влиянием хозяйственной деятельности. Труды ГГИ, 1975, вып. 229, с. 55-71

83. Шикломанов И.А. Антропогенные изменения водности рек. — Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 302 с.

84. Юмина Н.М. Расчет гарантированной продолжительности спада уровней воды на судоходных участках реки Яна // Тезисы докладов Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2003». Секция географии. М., 2003.

85. Юмина Н.М. Паводочный сток рек Северного Кавказа // Вестник МГУ. Сер.5. География. 2008. №2 с. 51-56.

86. Юмина Н.М. Физико-статистическая модель формирования талого стока высокогорных рек Терского бассейна // Актуальные проблемы современной географии, Смоленск, 2008.

87. Climate Change 2001. The Scientific Basis: Contribution of WG-I to the Third Assessment Report of the IPCC, New York, Cambridge University Press 2001. -881 p.

88. Fourth Assessment Report of the IPCC. Climate Change 2007: Synthesis Report. Summary for Policymakers. WMO-UNEP, 2007.