гидрологические посты - Пермский государственный

На правах рукописи
Бубин Михаил Николаевич
МНОГОЛЕТНИЕ КОЛЕБАНИЯ СЕЗОННОГО
СТОКА РЕК ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ
Специальность 25.00.27. – Гидрология суши,
водные ресурсы, гидрохимия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата географических наук
Челябинск - 2007
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Челябинский государственный педагогический
университет»
Научные руководители:
доктор географических наук, профессор М.А. Андреева (ЧГПУ, Челябинск).
доктор географических наук, профессор Н.С. Рассказова (ЮУрГУ, Челябинск).
Официальные оппоненты:
доктор географических наук, профессор
Гареев Ауфар Миннигазимович (Башкирский государственный университет,
г. Уфа)
кандидат географических наук, доцент
Старков Игорь Аркадьевич (Пермский государственный университет,
г. Пермь)
Ведущая организация:
ООО НТЦ Южно-Уральский научно-исследовательский и проектный институт
водного хозяйства, г. Челябинск
Защита состоится: « 13 » ноября 2007 г. в 14-00 часов на заседании
специализированного Совета Д. 212.189.08 при Пермском Государственном
Университете по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, ПГУ, кор. 1, зал
заседания ученого совета.
C диссертацией можно ознакомится в библиотеке Пермского
Государственного Университета
Автореферат разослан « 12 » октября 2007 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения,
просим отправлять по адресу: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15, ПГУ, ученому
секретарю диссертационного Совета Д. 212.189.08
Ученый секретарь диссертационного Совета Д. 212.189.08
Кандидат географических наук, доцент
А.Б. Китаев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Сезонный сток, представляет собой перемещение воды в процессе ее
круговорота в природе в форме стекания по земной поверхности и в толще
почвогрунта за гидрологический сезон. На его формирование влияют
различные физико-географические факторы: геологическое строение, рельеф,
климат, почвенно-растительный покров и т.д. Значительное влияние на
сезонный сток оказывают макроциркуляционные процессы, развивающиеся над
исследуемой территорией. Они подвержены изменению в пространстве и во
времени и характеризуются многолетними колебаниями, в том числе,
сезонными. Многолетние колебания – это изменения водности рек,
происходящие в течение многолетних периодов, не выходящих за пределы
современной климатической эпохи в виде более или менее значительных
отклонений от нормы. Так, в маловодные годы резкие колебания сезонных
характеристик речного стока наносят урон не только сельскому хозяйству, но и
производствам, потребляющим большое количество воды. В многоводные годы
наблюдаются
наводнения,
иногда
катастрофические,
разрушающие
хозяйственные постройки, дороги, мосты, смывающие огороды и посевы.
Главным критерием многолетних колебаний сезонного стока во времени
и в пространстве является ритмичность, под ней обычно подразумевают
нестрогую повторяемость во времени группировок маловодных или
многоводных фаз водности (Максимов, 1977). Природная ритмичность и ее
фазы оказывают значительное влияние на функционирование различных
отраслей хозяйства. Чаще всего авторы исследуют один из аспектов
ритмичности, либо временной либо пространственный.
Целью нашей диссертационной работы является изучение многолетних
колебаний сезонного стока рек на территории Челябинской области в
пространственно-временном аспекте.
Объектом исследования являются реки Челябинской области.
Предметом исследования является изучение основных сезонных
характеристик речного стока – модулей и расходов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи:
1. Исследовать степень гидрологической изученности сезонного стока рек
Челябинской области и в соответствии с ней выбрать исходные
данные.
2. Произвести статистическую обработку данных:
а). Восстановить пропуски в рядах наблюдений.
б). Проверить ряды на однородность.
в). Выбрать репрезентативный ряд.
3. Проанализировать закономерности многолетних колебаний сезонного
стока рек в зависимости от сезонного количества осадков и
установить их связь с формами атмосферной циркуляции.
4. Выявить ведущие ритмы многолетних колебаний сезонного стока рек.
3
5. Установить степень синхронности колебаний сезонного стока рек,
исследуемой территории.
6. На основе анализа результатов исследований ритмичности и
синхронности произвести районирование изучаемой территории по
характеру многолетних колебаний сезонного стока рек Челябинской
области.
Научная новизна работы:
1. Выявлены закономерности многолетних колебаний сезонного стока рек
Челябинской области и подтверждена их связь с атмосферной
циркуляцией.
2. На основании полученных результатов произведено районирование по
характеру многолетних сезонных колебаний стока рек исследуемой
территории для целей оптимизации хозяйства и решения инженерногидрологических задач.
3. Создан электронный банк обработанных данных о сезонном стоке рек
Челябинской области.
Исходные материалы
Исходными материалами для настоящей работы послужили официальные
данные, опубликованные в гидрологических ежегодниках, материалы
Челябинского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
за период с 1936 по 2003 годы по 21 гидрологическому посту и материалы
наблюдений за атмосферными осадками по 16 метеостанциям (рис 1).
Исследуемые гидрологические ряды наблюдений содержали пропуски по
отдельным гидрологическим постам. Количество восстановленных данных на
отдельных створах рек не превышало 20% от общей длины ряда, что является
приемлемым условием для дальнейших исследований (В.А. Румянцев, 2000).
В работе также использованы фондовые материалы Свердловского ЦГМС-р:
карты барической топографии АТ500, схемы синоптических процессов за 1936 –
2001 годы и данные наблюдений Института Арктики и Антарктики, Главной
геофизической обсерватории (ГГО) – каталог макросиноптических процессов
по классификации Г.Я. Вангенгейма с 1936 по 1995гг.
Период с 1936 – 2003 гг. проверен на однородность и принят за
репрезентативный для расчетов и обобщений. В качестве дополнительного,
использовался ряд с наибольшим количеством совместных наблюдений с 1968
– 2003гг. Проверка рядов на однородность проводилась с использованием
критерия распределения Стьюдента. Относительная среднеквадратичная
ошибка среднего многолетнего значения ряда, не превышала 10%, что
допускается правилами для дальнейших гидрологических расчетов (СП 33–
101–2003), 2004. На всех реках начало весеннего половодья и зимней межени,
тесно связано с водностью года: весеннее половодье в маловодные годы
начинается позже, а зимняя межень раньше. Наступление указанных сезонов в
многоводные и средние по водности годы по времени близко (Стеженская,
1971). Учитывая, что границы гидрологических сезонов едины для всех лет с
округлением до месяца (СП 33–101–2003, 2004), а также то, что определение
4
ЧЕЛЯБИНСК
2
1
3
- метеорологические посты;
1
- горно-лесная зона;
- гидрологические посты;
2
- лесостепная зона;
- гидрометеорологические станции
3
- степная зона
Рис. 1. Гидрологические и метеорологические посты на территории
Челябинской области, использованные автором для исследований
5
границ сезонов носит условный и дифференцированный характер (Андреянов,
1960, Чеботарев, 1962) и площадь водосборов исследуемых рек небольшая (в
среднем 4000 км2), для исследования приняты границы сезонов ранее
обозначенные В.Д. Быковым, (1963) и М.А. Андреевой, (1991). При проведении
исследований приняты следующие сроки гидрологических сезонов: зимний
период – с ноября по март, весенний – апрель-май период, летне-осенний – с
июня по октябрь включительно.
Данные границы гидрологических сезонов используются Челябинским
центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
Методы исследований
Для обработки исходных данных и комплексного исследования
многолетних колебаний сезонного стока рек использовались алгоритм,
методика и информационная система-технология «Природа», разработанная
Н.С. Рассказовой. В работе использовались также возможности электронных
таблиц Excel 2000, которые применялись для
вычислений параметров
репрезентативного периода, при определении водности лет и при построении
разностных интегральных кривых и скользящих средних и т.д.
Восстановление пропусков в рядах наблюдений за расходами воды и
атмосферными осадками осуществлялось
регрессионным
методом.
Восстановление пропусков естественных величин сезонного стока
осуществлялось при помощи ИС-технологии «Природа» (Н.С. Рассказова,
2000, 2003). Для определения точности оценки параметров исследуемых рядов
произведен расчет предельной допустимой ошибки. Ее вычисления
производились с использованием критерия распределения Стьюдента. Для
доказательства достоверности результатов, полученных по репрезентативному
периоду, высчитывалась относительная среднеквадратичная ошибка среднего
многолетнего значения ряда. Водность года определялась по эмпирической
ежегодной вероятности превышения гидрологических характеристик.
При помощи корреляционного анализа выявлялась взаимосвязь между
гидрометеорологическими показателями. Для оценки достоверности
коэффициента корреляции рассчитывалась его среднеквадратичная ошибка.
При выявлении фаз водности сезонного стока, при анализе количества
выпадения сезонных атмосферных осадков на территории области и т.д. в
качестве основного метода исследований многолетних колебаний применялся
метод разностных интегральных кривых. При выявлении закономерностей
распределения осадков анализировались карты барической топографии АТ500 и
схемы синоптических процессов. Ведущие ритмы многолетних колебаний
сезонного стока выявлялись с помощью Фурье-анализа, метода разностных
интегральных кривых и скользящих средних. Районирование исследуемой
территории с учетом особенностей многолетних колебаний сезонного стока
производилось на основе результатов кластерного анализа. Надежность
полученной связи между объектами в кластерах проверялась величиной
коэффициентов ранговой корреляции Спирмэна. Для подтверждения
обоснованности выделенных гидрологических районов применялся метод
повторной выборки.
6
Апробация работы
Основные положения работы обсуждены на научно-исследовательских
конференциях Челябинского государственного педагогического университета
(Челябинск, 2001 – 2005), на двух региональных научно-практических
конференциях: «Проблемы географии Урала и сопредельных территории»
(Челябинск, 2004, 2006), областной научно-практической конференции
«Проблемы охраны водных объектов Челябинской области» (Челябинск, 2007),
международной научно-практической конференции «Проблемы водохранилищ
и их водосборов» (Пермь, 2007) и международной заочной конференции:
«Проблемы рационального природопользования» (Египет, Хургада, 2007).
Всего по данной теме опубликовано девять работ, в том числе одна статья в
журнале «Экология и промышленность России», входящим в перечень ВАК.
Практическая значимость результатов работы
Созданная и обработанная автором электронная база данных может
служить основой для приведения коротких рядов к норме по створам-аналогам,
а также использоваться для дальнейших исследований не только сезонного, но
и внутригодового распределения стока рек.
Особенности ритмических многолетних колебаний сезонного стока,
выявленные автором, могут использоваться при решении различных
хозяйственных задач: при составлении кадастровых карт с целью
экономической и кадастровой оценки территории на водосборной площади
бассейнов; при проведении расчетов многолетнего регулирования сезонного
стока и выборе оптимальных параметров гидроузлов при проектировании
гидротехнических сооружений; при проектировании водохранилищ, где учет
ритмичности позволяет снизить их объем и уменьшить затраты при
строительстве; при размещении хозяйственных объектов. Игнорирование
сведений о ритмичности многолетних колебаний сезонного стока рек, может
привести к затопляемости территории и причинению ущерба и т.д.
Отдельные результаты работы, полученные автором, используются
Челябинским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей
среды для мониторинга рек области: база данных сезонных и внутригодовых
среднемесячных расходов и модулей стока с восстановленными пропусками в
рядах наблюдений, коэффициенты вариации. Схемы гидрологического
районирования территории Челябинской области по характеру многолетних
колебаний сезонного стока, внедрены в Уральском институте оценки и
маркетинга «АКСВЕЛЛ». Предложенные схемы используются при составлении
исходных данных с целью кадастровой оценки земельных участков на
водосборной площади бассейнов, при оценке стоимости земельных территорий,
с целью определения их кадастровой стоимости, налоговых и арендных ставок
(Акты внедрения прилагаются).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка
литературы (196 наименований) и 6 приложений. Ее содержание изложено на
173 страницах машинописного текста, в том числе 35 таблиц и 39 рисунков.
Общий объем работы составляет 218 страниц.
7
Автор выражает глубокую благодарность и признательность доктору
географических наук, профессору Марии Андреевне Андреевой , доктору
географических наук, профессору Надежде Степановне Рассказовой, за
руководство и помощь при выполнении данного исследования. Также, автор
считает своим долгом выразить глубокую признательность сотрудникам
кафедры гидрологии и охраны водных ресурсов Пермского государственного
университета, за ряд ценных замечаний в ходе выполнения работы.
За предоставленные материалы автор благодарит заведующего
гидрологическим отделом Челябинского центра по гидрометеорологии и
мониторингу окружающей среды Владимира Ивановича Афонина.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
На защиту вынесено три положения, которые рассматриваются ниже:
Положение 1. Структура многолетних колебаний сезонного стока
рек Челябинской области характеризуется внутривековыми ритмами
продолжительностью: 2 – 4, 6 – 8, 11 – 14, 17 – 18, 22 – 23 лет.
Многолетний характер сезонного стока подвержен колебаниям и
определяется всей совокупностью природных условий. Его исследованию
посвящены работы: Б.Д. Зайкова (1933, 1944, 1946), В.Г. Андреянова (1953,
1957, 1960, 1966), В.Д. Быкова (1963, 1967, 1968, 1972, 1974, 1978), Т.П.
Девятковой (1966, 1968, 1969, 1970), В.А. Стряпчего (1973, 1979), Е.Б.
Соболевой (1981), М.А. Андреевой (1983, 1991), А.М. Гареева (1989) и др.
Подавляющее большинство исследователей считают, что ритмичность в
природных процессах и явлениях – это неотъемлемая закономерность
географической оболочки Земли. Причиной, вызывающей в ней ритмические
колебания являются ритмы космоса. Космические ритмы порождают на Земле
колебания себе подобные, а производные ритмы, являющиеся их
интерференцией – случайные колебания. Ритмические колебания обнаружены
практически во всех природных явлениях и обусловлены воздействием
глобальных факторов земного и внеземного происхождения. Приливные силы
Луны и Солнца действуют на поверхность Мирового океана, заставляя
ритмически пульсировать океанические течения. Пульсация последних,
порождает изменения в общем переносе тепла и влаги на Земле. В итоге
возникают сложные ритмические колебания климата и вод суши на Земле
(Саруханян, Максимов, Смирнов 1970, Максимов, 1972, 1977, 1995, Рассказова,
2003 и др.).
Основным показателем многолетних колебаний стока во времени и в
пространстве является их ритмичность. Для выявления ритмов сезонного стока
рек исследуемой территории в качестве основного, применялся математический
метод «Фурье – анализ» реализованный в ИС-технологии «Природа». Были
вычислены длительность ритмов, их процентные значимости и амплитуды
колебаний гармонических составляющих, подтверждающих достоверность
существования ритмов колебаний. Ведущие ритмы в сезонном стоке рек
Челябинской области показаны на примере весеннего стока и представлены
табл. 1. (фрагмент).
8
Бассейн
Таблица 1
Ведущие ритмы весеннего стока рек Челябинской области за различные периоды наблюдений (фрагмент)
Продолжительность (в годах) и значимость ритмов колебания от общей
Период
дисперсии Dобщ.% (в числителе) и амплитуды колебаний А (в знаменателе)
Σ
наблюдения
Река-пост
Dобщ
1
2
3
4
5
6
7
(%)
и кол-во лет
D, %
D, %
D, %
D, %
D, %
D, %
D, %
год
год
год
год
год
год
год
р. Юрюзань –
Вязовая
р. Урал –
Верхнеуральск
р. Урал –
Кизильское
р. Гумбейка –
Наваринский
Кама
р. Ай – Веселовка
Урал
9
р. Увелька –
Красносельское
р. Карталы-Аят –
Карталы
р. Уфа –
Нязепетровск
Тобол
р. Уй – Степное
1936-2003
(68)
1968-2003
(36)
1968-2003
(36)
1968-2003
(36)
1968-2003
(36)
1936-2003
(68)
1936-2003
(68)
1936-2003
(68)
1968-2003
(36)
13,6
18,0
18,0
18,0
18,0
4,0
13,6
13,6
2,1
Ам
Ам
Ам
Ам
Ам
Ам
11
9
6
5
5
5
0,46
21
0,65
19
0,61
16
0,56
17
0,58
12
0,48
12
0,50
11
0,48
23
0,67
7,6
3,3
2,1
9,0
4,0
6,2
11,3
7,6
7,2
0,43
13
0,52
15
0,55
16
0,56
15
0,55
11
0,46
11
0,47
11
0,47
15
0,55
11,3
7,2
7,2
2,0
9,0
22,7
22,7
11,3
4,0
118
0,36
12
0,50
8
0,41
10
0,44
11
0,46
8
0,40
7
0,37
6
0,35
9
0,42
22,6
2,1
12,0
7,2
3,3
9,7
7,6
5,7
18,0
0,32
12
0,48
6
0,33
8
0,41
8
0,41
8
0,40
5
0,31
6
0,34
8
0,41
9,7
9,0
5,1
2,3
12,0
3,2
6,2
4,9
6,0
0,32
10
0,44
6
0,35
8
0,40
7
0,38
6
0,33
5
0,33
6
0,35
7
0,38
5,6
3,0
4,5
4,0
7,2
3,8
4,0
22,7
19,0
0,33
7
0,38
6
0,36
5
0,31
5
0,31
5
0,32
5
0,31
5
0,30
5
0,32
Ам
5,2
2,8
4,0
3,3
2,1
3,1
9,7
6,2
3,3
5
0,33
3
0,26
6
0,35
5
0,33
5
0,32
5
0,31
4
0,28
5
0,30
5
0,31
46
78
66
68
68
55
49
50
72
Количество ритмов или гармонических составляющих, при разложении
ряда наблюдений в ряд Фурье равно половине его длины ряда. Поэтому из
значительного количества гармонических составляющих выявлены ритмы,
вносящие наибольший вклад в общую дисперсию признака, составляющую
100% (Dобщ =100%). Количество ведущих ритмов отбиралось таким образом,
чтобы их суммарный вклад составлял от 40 до 80 %. В представленной табл.1,
для каждого гидрологического поста на реке приводятся наиболее значимые
ритмы, из расчета, что их сумма должна быть не менее 30 %.
Продолжительность ритмов выражена в годах. Длительность ритмов
получается дробной, т. е. как бы "расползается" между двумя смежными
вариациями. Это свидетельствует о том, что ритмы непостоянны во времени. В
числителе – указана значимость каждого ритма, в процентах от общей
дисперсии признака, в знаменателе – амплитуды их колебаний,
подтверждающая достоверность существования ритмов. Автором на основе
анализа показателей ритмов (значимости, амплитуд) выбраны ведущие ритмы.
Для подтверждения результатов использовались дополнительные методы:
разностных интегральных кривых и скользящего осреднения, которые
подтвердили существование ритмов многолетних колебаний сезонного стока
рек. Выявленные ритмы, в качестве примера, приведены на рис. 2.
Σ (К-1)/Cv
8,00
6,00
4,00
2,00
2002
1999
1996
1993
1990
1987
1984
1981
1978
1975
1972
1969
1966
1963
1960
1957
1954
1951
1948
1945
1942
1939
1936
0,00
-2,00
-4,00
22года
-6,00
7 лет
11лет 4года
Рис. 2. Нормированные разностные интегральные кривые модуля весеннего
стока р. Урал – Кизильское
10
Анализ полученных результатов показал, что ритмы, выявленные в
многолетних колебаниях сезонного стока, проявляются по-разному по
территории Челябинской области. Сила их проявления не одинакова и
изменяется от истока к устью, о чем свидетельствует характеристика ритмов:
продолжительность, повторяемость и их амплитуда. При этом, ведущими
являются вариации с продолжительностью: 2 – 4, 6 – 8, 11 – 14, 17 – 18, 22 – 23
года. При этом указанные ритмы свойственны всем сезонам года. Реальность их
существования в природе подтверждена многими учеными: Э.И. Саруханяном,
И.В. Максимовым, Н.П. Смирновым, 1970, И П. Дружининым, 1991, Н.С.
Рассказовой, 1992, 2003 и др.
Положение 2. Ведущие ритмы, выявленные в многолетних колебаниях
сезонного
стока
рек
Челябинской
области,
характеризуются
определенными закономерностями.
Для выявления закономерностей многолетних колебаний сезонного стока,
реки в пределах Челябинской области группировались по трем бассейнам. В
результате анализа удалось для каждого бассейна выявить ритмы,
преобладающие в многолетних колебаниях сезонного стока рек (табл. 2).
Таблица 2
Основные ритмы многолетних колебаний сезонного стока рек (в годах)
Бассейн
Кама
Тобол
Урал
Сезон
2-3*
7-8
13-14
18
Весенний период
3-4
18*
7-8
13-14
18*
Летне-осенний
период
7-8*
17-18
22-23
6-7
17-18*
22-23
6-7
17-18
22-23*
Зимний период
6-7
13-14
17-18*
6-7
13-14*
17-18
3-4
6-7*
11-14
* – ритмы, обладающие наибольшей значимостью (ведущие)
1. Анализ табл. 2 показывает, что структура сезонных многолетних
колебаний величин стока характеризуется следующими закономерностями в
продолжительности ритмов сезонного стока в трех бассейнах рек –
Камского, Тобольского, Уральского:
а) В весенний период в сезонном стоке рек всех трех бассейнов
наблюдается ритм продолжительностью 18 лет. При этом в бассейне Камы и
Тобола он является ведущим, что подтверждает исследования многолетних
11
колебаний годового стока, выполненных Н.С. Рассказовой (2003). В
весенний период ритмы многолетних колебаний стока рек Камского и
Тобольского бассейнов более продолжительны в отличие от рек Уральского
бассейна, где наблюдается тенденция к уменьшению их длительности.
б) В сезонном стоке летне-осеннего периода, наряду с повсеместным
распространением 17-18-летней вариации, наблюдается устойчивый 22-23летний ритм (ритм смены полярности солнечных пятен). Для рек бассейна
Урала ритм продолжительностью 22-23 года является ведущим. В этот сезон
для рек бассейнов Урала и Тобола характерно наличие более
продолжительных ритмов по отношению к рекам Камского бассейна.
в) Для зимнего сезона характерно наличие устойчивого 11-14-летнего
солнечно обусловленного ритма, наряду с 17-18 и 6-7 летними ритмами. В
этот период для рек области (Камский и Тобольский бассейны) характерно
наличие более устойчивых ритмов, по сравнению с реками бассейна Урала.
Таким образом, основные ритмы, проявляемые на территории области не
однозначны. Длительность ритмов в основном увеличивается с севера на юг и с
запада на восток. Причины таких различий в ритмических колебаниях связаны
с особенностями проявления атмосферной циркуляции и другими
геофизическими
факторами,
которые
отражаются
на
колебаниях
гидрометеорологических процессов и явлений.
Как установлено ранее А.С. Шкляевым (1964) и К.Е. Орловой (1968),
неоднородность ритмических колебаний сезонного стока связана с
особенностями
проявления
атмосферной
циркуляции
и
другими
геофизическими факторами. Атмосферная циркуляция и особенности ее
проявления на данной территории являются факторами, определяющими
гидрометеорологический режим области. В связи с этим возникла
необходимость более подробного исследования связи атмосферной циркуляции
с количественными характеристиками водного режима и их распределением на
территории Челябинской области. Проведенные исследования не привели
автора к новым результатам и уточнениям, но подтвердили результаты
предыдущих исследователей.
Положение 3. На территории Челябинской области установлено
существование трех районов и пяти подрайонов с синхронными
колебаниями сезонного стока рек.
С целью установления закономерностей многолетних колебаний
сезонного стока рек, автором произведено районирование по признаку
синхронности по 17 гидрологическим постам наблюдения, равномерно
расположенных по территории Челябинской области (табл. 3).
Основным методом исследования являлась версия кластерного анализа.
Ее суть заключается в выделении кластеров на основе многомерной матрицы с
последующим выбором оптимального уровня сходства и числа кластеров.
Версия характеризуется достаточно простым представлением результатов в
виде дендрограммы (или дерева ветвления), показывающих какие группы рек
(или кластеры) образуются на каждом уровне корреляции (или сходства).
12
Таблица 3
Посты на реках Челябинской области, данные по которым использованы
при построении дендрограмм
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
№
п/п
10
11
12
13
14
15
16
17
Река – пост
р. Юрюзань – Вязовая
р. Юрюзань – Екатериновка
р. Сим – Миньяр
р. Уфа – Нязепетровск
р. Ай – Златоуст
р. Ай – Веселовка
р. Миасс – Костыли
р. Уй – Степное
р. Уй – Плодопитомник
Река – пост
р. Синара – В. Ключевское
р. Увелька – Карсинский
р. Увелька – Красносельское
р. Карталыаят – Карталы
р. Теча – Муслюмово
р. Урал – Верхнеуральск
р. Урал – Кизильское
р. Гумбейка – Наваринский
Исследование синхронности многолетних колебаний сезонного стока
проводилось за наибольший период совместных наблюдений – с 1968 – 2003
годы. В качестве дополнительного, использовался период с 1968 – 1998 гг., при
помощи которого проверялась обоснованность кластерного решения в серии
наборов данных.
В процессе кластеризации данных определялся оптимальный уровень
сходства согласно критерию Дорофеюка – Лумельского. За каждый
исследуемый сезон результаты представлялись в виде дендрограмм двух видов
расчетной (табл. 4) и графической (рис. 3). В первом случае дендрограмма
имеет вид таблицы и представляет собой последовательности объединяемых в
кластеры номеров объектов, заложенных в виде временных рядов, на каждом
уровне сходства – R (от -0,1 до +1). В графической таблице слева приводится
таблица численных значений различных критериев (J1 – J2 или Dj ) – качества
кластеризации объектов на этих же уровнях сходства. По их максимуму
выбирается оптимальный вариант разбиения на кластеры, а следовательно, и
наиболее вероятное положение границ районов. Для подтверждения
вероятности попадания объектов (рек) в ту или иную группу рассчитывался
ранговый критерий корреляции Спирмэна и критические точки распределения
Стьюдента, определяющие величину вероятности связи двух рядов. В
гидрологии связь считается надежной при вероятности не менее 95 %
(Румянцев, 2000). Образцы расчетной и графической дендрограмм многолетних
колебаний сезонного стока за весенний период с 1968 – 2003 гг. приведены на
рис. 3 и табл. 4.
Совместный анализ сезонных дендрограмм за периоды 1968 – 1998 гг. и
1968 – 2003 гг., внутрирайонных коэффициентов корреляции Спирмэна и
вероятностей кластерных связей позволил установить районы с синхронными
многолетними колебаниями стока рек за каждый сезон года. Их сопоставление
13
1
2
5
6
3
4
8
15
11
12
9
16
17
13
7
10
14
-0,20
1
0,20
2
5
0,40
6,00
3
0,50
4
8
0,60
15
11
0,70
12
9
0,80
16
17
0,90
13
1,00
7
10
14
(№ постов на реках соответствуют табл. 3)
Рис. 3. Дендрограмма синхронности колебаний весеннего стока
рек Челябинской области за 1968 – 2003 гг. (образец)
Таблица 4
Расчетная дендрограмма весеннего стока рек Челябинской области
за 1968 – 2003 гг. (образец)
№ Уровень
J1-J2*
0
1,00
-0,520
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
-1,000 115 2163 17
1
0,90
-0,062
3 4 5-6 7 8 9 10 11-12 13 14 15
-0,065 1-2
16-17
2
0,80
0,197
0,169
1-2-5-6 3 4 7 8-15 9-16-17 10-14 11-12
13
3
0,70
0,241
0,205
1-2-5-6 3 4 7 8-15-11-12 9-16-17-13 10-14
4
0,60
0,318
0,262
1-2-5-6-3-4 7 8-15-11-12 9-16-17-13 10-14
5
0,50
0,339
0,300
1-2-5-6-3-4 7 8-15-11-12-9-16-17-13 10-14
6
0,40
0,352
0,308
1-2-5-6-3-4 7-10-14 8-15-11-12-9-16-17-13
8
0,20
0,391
0,442
1-2-5-6-3-4-8-15-11-12-9-16-17-13 7-10-14
12
Кластеры
Dj *
-0,20
0,520 1,000 1-2-5-6-3-4-8-15-11-12-9-16-17-13-7-10-14
* - критерии Дорофеюка – Лумельского
14
с районами, выявленными по результатам исследования ритмов в многолетних
колебаниях сезонного стока, позволило установить существование трех
районов и пяти подрайонов с синхронными колебаниями сезонного стока рек.
Полученное положение границ гидрологических районов примерно совпадает с
границами природных зон исследуемой территории, что свидетельствует о
зональности сезонного стока. Схема гидрологического районирования
территории Челябинской области по характеру многолетних колебаний
весеннего стока рек, в качестве примера, представлена на рис. 4. Краткая
характеристика гидрологических районов приведена в табл. 5.
Районы и
подрайоны
зона
№
Природная
Таблица 5
Характеристика гидрологических районов Челябинской области
Основные
Преобладающие ритмы
(в годах)
протекающие реки
весна
Предуральский
ГорноI горно-лесной
лесная
район
II
Зауральский
лесостепной
район
Сим,
2 – 4,
Юрюзань,
18
Ай, Уфа
Синара,
Лесо- Теча, Миасс, 6 – 7,
степная
Уй,
17 – 18
Увелька
Южный
III
Степная
степной район
Урал,
Гумбейка,
Карталы-Аят
2 – 4,
6–7
летоосень
зима
7 – 8,
22 – 23
6 – 7,
17 – 18
6 – 7,
17 – 18
6 – 7,
13 – 14
17 – 18,
22 – 23
6 – 7,
13 – 14
Исследования автором многолетних колебаний сезонного стока рек
позволили уточнить результаты, полученные ранее другими исследователями.
Сопоставление полученной схемы районирования с районированием по
различным признакам других авторов (А.С. Шкляев, 1965, М.А. Андреева, 1973
и др.), показало, что положения границ районов по результатам исследований
многолетних колебаний сезонного стока не противоречат, а дополняют
результаты, предложенные предыдущими исследователями.
Например, автором уточнено положение границы между Зауральским
лесостепным районом и Южным степным районом. Полученное положение
границы не противоречит исследованиям К.Е. Орловой (1968), а подтверждает
смещение границ гидрологических районов в разные сезоны года.
Таким образом, установлено, что выявленные гидрологические районы
обособляются не только по ритмам многолетних колебаний сезонного стока, но
и по синхронности колебаний, одинаково локализованных на определенной
15
IIб
Iб
IIа
I
ЧЕЛЯБИНСК
2–4
18
6–7
17–18
Iа
II
III
2–4
6–7
границы районов
границы подрайонов
- метеорологические посты
2–4
–- ведущие ритмы
18
- гидрологические
постырайон: Iа – Западный горноI – Предуральский
горно-лесной
лесной
подрайон, Iб – Северный
горно-лесной подрайон;
- гидрометеорологические
станции
II – Зауральский лесостепной район: IIа – Центральный
Рис 1. Действующие
гидрологические
и метеорологические
посты на
лесостепной
подрайон, IIб
– Северный лесостепной
подрайон;
территории Челябинской области.
III – Южный степной район
- метеорологические посты
Рис. 4. Схема гидрологического районирования территории Челябинской
- гидрологические посты
области по характеру многолетних колебаний весеннего стока рек
за период 1968 – 2003гг.
1620
территории. Это показывает на тесную взаимосвязь сезонного стока, как по
территории, так и во времени.
Заключение
Диссертационное исследование посвящено выявлению закономерностей
многолетних ритмических колебаний сезонного стока рек Челябинской
области. В связи с прогнозируемым истощением водных ресурсов, на
территории недостаточно обеспеченной водой, особенно остро стоит проблема
их комплексного и рационального использования. Проектирование и
эксплуатация различных гидротехнических сооружений и мелиоративных
систем, дорожных работ, а также проведение других мероприятий, связанных с
использованием и охраной ресурсов поверхностных вод, требует всестороннего
учета сезонных колебаний речного стока.
Основные результаты выполненных исследований сводятся к
следующему:
1. Структура
многолетних колебаний сезонных величин стока
рек
Челябинской области характеризуется набором ведущих внутривековых
ритмов продолжительностью: 2 – 4, 6 – 8, 11 – 14, 17 – 18, 22 – 23 года,
локализованных преимущественно в пределах районов с синхронными
колебаниями сезонного стока.
2. Ведущие ритмы многолетних колебаний сезонного стока рек
характеризуются определенными закономерностями, знание которых
позволяет использовать их в целях оптимизации хозяйства.
3. Ритмы, обладающие наибольшей значимостью в разные сезоны года,
характеризуются различной продолжительностью в трех бассейнах рек –
Камского, Тобольского, Уральского:
а) В весенний период в сезонном стоке рек всех трех бассейнов
наблюдается ритм продолжительностью 18 лет. При этом в бассейне
Камы и Тобола он является ведущим, что подтверждает исследования
многолетних колебаний годового стока, выполненных Н.С. Рассказовой
(2003). В весенний период ритмы многолетних колебаний стока рек
Камского и Тобольского бассейнов более продолжительны в отличие от
рек Уральского бассейна, где наблюдается тенденция к уменьшению их
длительности.
б) В сезонном стоке летне-осеннего периода наряду с повсеместным
распространением 17-18-летней вариации, наблюдается устойчивый 2223-летний ритм (ритм смены полярности солнечных пятен). Для рек
бассейна Урала ритм продолжительностью 22-23 года является ведущим.
В этот сезон для рек бассейнов Урала и Тобола характерно наличие более
продолжительных ритмов по отношению к рекам Камского бассейна.
в) Для зимнего сезона характерно наличие устойчивого 11-14-летнего
солнечно обусловленного ритма, наряду с 17-18 и 6-7 летними ритмами.
В этот период для рек области (Камский и Тобольский бассейны)
характерно наличие более устойчивых ритмов, по сравнению с реками
бассейна Урала.
17
4. Автором подтверждено, что атмосферные осадки, через увлажнение
территории, оказывают решающее влияние на сезонный сток, которое в
свою очередь, определяется синоптическими условиями циркуляции
атмосферы.
5. На территории области выделено три района с синхронными колебаниями
сезонного стока рек.
а) Предуральский горно-лесной район (р. Ай, Юрюзань), где обособляется
два подрайона: Западный горно-лесной подрайон (р. Сим), Северный
горно-лесной подрайон (р.Уфа).
б) Зауральский лесостепной район (р. Уй, Увелька) характеризуется
выделением двух подрайонов: Центральный лесостепной подрайон (р.
Миасс) и Северный лесостепной подрайон (р. Синара, Теча).
в) Южный степной район (р. Урал, Гумбейка), где в зимний период
выделяется Юго-восточный степной подрайон (р. Карталы-Аят).
В связи с интенсивным развитием промышленности наблюдается
существенное преобразование гидрологического режима рек под влиянием
хозяйственной деятельности, поэтому дальнейшие исследования сезонного
стока должны быть направлены на его изучение в условиях антропогенного
воздействия. Непременным условием должно быть накопление более полной и
достоверной гидрологической информации.
Автор надеется, что результаты работы найдут дальнейшее применение
для решения различных инженерных задач.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Бубин М.Н. Многолетние колебания весеннего стока рек Челябинской
области / М.Н. Бубин // Материалы конференции по итогам научноисследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2001 год.
– Челябинск : ЧГПУ, 2002. – С.123 – 125.
2. Бубин М.Н. Многолетние колебания летних паводков рек Челябинской
области / М.Н. Бубин // Материалы конференции по итогам научноисследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2002 год.
– Челябинск : ЧГПУ, 2003. – С.221 – 224.
3. Бубин М.Н. Многолетние колебания внутригодового стока реки Ай /
М.Н. Бубин // Материалы региональной научно – практической
конференции «Проблемы географии Урала и сопредельных
территорий». – Челябинск, 2004. – С.69 – 72.
4. Бубин М.Н. Многолетние колебания стока рек Челябинской области в
период зимней межени / М.Н. Бубин // Материалы конференции по
итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей
ЧГПУ за 2003 год. – Челябинск : ЧГПУ, 2004. – С.425 – 430.
5. Бубин М.Н. Ритмика внутригодового стока рек Челябинской области /
М.Н. Бубин // Материалы II региональной научно – практической
18
конференции «Проблемы географии Урала
территорий». – Челябинск, 2006. – С.53 – 56.
и
сопредельных
6. Бубин М.Н. Многолетние колебания весеннего стока рек Челябинской
области / М.Н. Бубин, Н.С. Рассказова // Материалы конференции по
итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей
ЧГПУ за 2005 год. – Челябинск : ЧГПУ, 2006. – С.260 – 264.
7. Бубин М.Н. Ритмичность сезонного стока рек Челябинской области и ее
влияние на хозяйственную деятельность / М.Н. Бубин // Успехи
современного естествознания. М. : Академия естествознания, 2007. –
№ 2. – С.65 – 68.
8. Бубин М.Н. Районирование территории Челябинской области по
синхронности многолетних колебаний весеннего стока рек области /
М.Н. Бубин // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов.
Труды международной научно-практической конференции (28 мая – 1
июня 2007г., г. Пермь). Перм. ун-т. – Пермь, 2007. – Т. III. – С.71 – 76.
9. Бубин М.Н. Влияние ритмичности колебаний сезонного стока рек на
экологическое равновесие в промышленно развитых регионах (на
примере Челябинской области) / М.Н. Бубин // Экология и
промышленность России. – 2007. – № 10. – С.45 – 47.
19
Содержание:
Введение
1.
3
Состояние изученности многолетних колебаний
сезонного стока рек
10
1.1 Краткая характеристика природных условий
Челябинской области
10
1.2 Обзор исследований сезонного стока рек
32
1.3 Характеристика исходных данных
41
1.4 Методы исследования сезонных колебаний стока рек
48
1.5 Выводы
56
2.
Гидрография и водный режим рек Челябинской области
58
2.1 Речная сеть, закономерности ее строения и распределения
58
2.2 Характер питания рек и его влияние на сезонный сток
68
2.3 Сезонный режим осадков и его влияние на сток рек
81
2.5 Выводы
91
3.
Многолетние колебания сезонного стока рек
94
3.1 Исследование ритмичности сезонного стока рек
Челябинской области
94
3.2 Связь сезонного стока с синоптическими условиями
при разных формах атмосферной циркуляции
3.4 Выводы
4.
117
135
Районирование территории по результатам изучения
многолетних колебаний сезонного стока
138
4.1 Выводы
169
Заключение
174
Приложение
192
Акты внедрения
217
Подписано в печать 19.09. 2007г. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 1,16
Тираж 120 экз. Заказ № 565
Типография Пермского государственного университета.
614990 г. Пермь, ул. Букирева,15
20