Річний стік річок західної частини Українського Полісся в умовах антропогенного впливу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ГІДРОМЕТЕОРОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ

УДК 556.161.”45”.18

Річний СТІК РІЧОК ЗАХІДНОЇ ЧАСТИНИ УКРАЇНСЬКОГО ПОЛІССЯ В УМОВАХ АНТРОПОГЕННОго ВПЛИВУ

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Фан Ван Тінь

Одеса - 2001



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському гідрометеорологічному інституті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат географічних наук, доцент Лобода Наталія Степанівна, Одеський гідрометеорологічний інститут, доцент кафедри гідрології суші

Офіційні опоненти доктор географічних наук, професор Іваненко Олександр Григорович, Одеський гідрометеорологічний інститут, завідувач кафедри гідроекології та водних досліджень

кандидат географічних наук, доцент Новосад Ярослав Олексійович, Рівненський державний технічний університет, доцент кафедри гідрології та гідрогеології

Провідна установа Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, кафедра гідрології та гідрохімії

Захист відбудеться “4” жовтня 2001р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському гідрометеорологічному інституті за адресою: 65016, м.Одеса, вул. Львівська 15, ОГМІ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського гідрометеорологічного інституту за адресою: м.Одеса, вул. Львівська 15, ОГМІ.

Автореферат розісланий “ 30 “ серпня 2001р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Лобода Н.С.



АНОТАЦІЇ

Фан Ван Тінь. Річний стік річок західної частини Українського Полісся в умовах антропогенного впливу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. - Спеціальність 11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія. - Одеський гідрометеорологічний інститут, Одеса, 2001.

Дисертація присвячена проблемі розрахунків характеристик природного стоку в сучасних умовах та зміні глобального клімату для територій, підлеглих водогосподарчим перетворенням на водозборах. Установлені особливості просторово-часового розподілу річного стоку, виявлені ряди даних, суттєво порушених водогосподарчою діяльністю. На основі рівняння водно-теплового балансу отримані норми кліматичного стоку, обгрунтовано можливість застосування норм кліматичного стоку до оцінки природних водних ресурсів досліджуваної території. Встановлені фактори підстилаючої поверхні, які обумовлюють різницю між кліматичним та природним стоком. Для розрахунків статистичних параметрів, що визначаються за даними спостережень з малим ступенем вірогідності, проведене їх статистичне районування. За розробленою методикою оцінки норм природного стоку з використанням метеорологічних даних виконаний прогноз можливого стану водних ресурсів відповідно певним альтернативним сценаріям змін глобального клімату.

Ключові слова: побутовий стік, кліматичний стік, природний стік, зміни глобального клімату. природний водний сток антропогенний



Фан Ван Тинь. Годовой сток западной части Украинского Полесья в условиях антропогенного влияния. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. - Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. - Одесский гидрометеорологический институт, Одесса,2001.

Диссертация посвящена проблеме расчета характеристик естественного стока в современных условиях и при изменении глобального климата для территорий, сток которых нарушен водохозяйственными преобразованиями.

Дана статистическая оценка параметров годового стока по наблюденным величинам. На основе методов статистического анализа выявлены ряды, сток которых существенно изменен водохозяйственными преобразованиями.

Впервые для исследуемой территории выполнено районирование по синхронности колебаний годового стока c использованием методов многомерного статистического анализа - - модификации факторного анализа и метода разложения полей годового стока по естественным ортогональным функциям. Установлено, что оба метода дают идентичные результаты, согласно которым исследуемая территория может быть разделена на два района с синхронными колебаниями годового стока - западный (1) и восточный (2). Граница районов (водораздел между реками Стырь - Горынь) соответствует положению нулевой изолинии весовых коэффициентов второй компоненты разложения полей годового стока. Проявление асинхронности в рядах годового стока обусловлено физико-географическими процессами синоптического масштаба. Район 2 разделен в дальнейшем на два подрайона, граница раздела между которыми соответствует границе степь - лесостепь в физическом плане и положению нулевой изолинии весовых коэффициентов третьей компоненты разложения полей годового стока в статистическом. Последняя содержит в себе информацию о физических процессах мезомасштаба. На основе выполненного районирования выделены реки-аналоги и произведено восстановление естественного стока некоторых рек.

Исследованы факторы формирования годового стока рассматриваемой территории при помощи метода множественной регрессии с выделением оптимальных предикторов на основе частных коэффициентов корреляции. При выборе потенциальных предикторов использованы результаты генетического подхода к расчетам годового стока, предложенного А.Н. Бефани. Установлено, что определяющими факторами формирования годового стока являются норма инфильтрации осадков в водоносные горизонты, которая определяет степень увлажненности территории и потенциальные ресурсы грунтовых вод, площадь водосбора, которая определяет степень дренирования рекой водоносных горизонтов., а также залесенность, которая при близком залегании грунтовых вод способствует интенсивному переводу поверхностного стока в грунтовый. Ошибка расчета характеристик стока по регресионным моделям превышает допустимую.

Впервые для рассматриваемой территории на базе метода совместного анализа рядов годового стока выполнено обоснование возможности осреднения статистических параметров, определяемых по наблюденным данным с недостаточной степенью достоверности. Для практического применения предложены порайонные значения таких параметров, как коэффициенты вариации, автокорреляции, асимметрии. Границы статистически однородных районов соответствуют границам гидрогеологических районов. Точность определения статистических параметров по осредненным данным выше, чем при использовании регресионной модели.

Впервые для западной части Украинского Полесья при помощи метода водно-теплового баланса выполнена оценка и сделано пространственное обобщение (в виде карт изолиний) теплоэнергетических ресурсов климата, представленных нормой годового максимально возможного испарения, ресурсов увлажнения, количественно характеризуемых нормой годовых осадков, и естественных водных ресурсов (в виде нормы годового климатического стока). Обоснование возможности применения нормы климатического стока к оценке естественных водных ресурсов территории выполнено на основе сравнения норм естественного стока, восстановленных по уравнению водохозяйственного баланса, и норм климатического стока. Относительное отклонение расчетных и исходных величин для водосборов с площадью больше “второй критической” составляет . Установлено, что водосборы Полесской низменности с площадью меньше “второй критической” находятся в области отрицательных поправок к норме климатического стока. Для рек Полесской низменности разработана методика перехода от норм климатического стока к естественному. Малые и средние реки Волыно-Подольской возвышенности находятся в области нулевых поправок к норме климатического стока. Относительное отклонение расчетных и исходных значений для всех водосборов (без дифференциации по площадям) западной части Украинского Полесья составляет .

Впервые для рек западной части Украинского Полесья выполнена оценка водных ресурсов в условиях возможных изменений климата, представленных тремя альтернативными сценариями, разработанными 2-ой рабочей группой на Второй Всемирной Климатической конференции (1990). Согласно сценариям 1 и 3, водные ресурсы исследуемой территории будут уменьшаться, а в соответствии со сценарием 2 - останутся неизменными. Таким образом, прогноз возможных изменений водных ресурсов заставляет пересмотреть планирование водохозяйственных преобразований на водосборах, и, прежде всего, целесообразность проведения осушения болот.

Ключевые слова: бытовой сток, климатический сток, естественный сток, изменения глобального климата.



Fan Van Chinh. Annual runoff of Western part of Ukranian Polissya under life conditions influence. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 11.00.07- hydrology of land,water resources, hydrochemistry. - The Odesa hydrometeorological institute, Odesa,2001.

Dissertation is dedicated to the problem of calculation of description of natural runoff under today conditions and change of global climate for the territories that were influenced by water management transformations at water intakes.

There were established the peculiarities of annual river runoff distribution in data, that were considerably violated by water management activity. On the basis of the еquation of water and heat balance there were received the norms of climatic runoff, it was grounded the possibility of use of norms of climatic runoff as to the estimation of natural water resources of the territory. The factors of earthly surface that define the difference between climatic and natural runoff were found. For the calculation of statistic parameters, that were calculated according to the data of observations with small level of reliability it was made statistic regioning.

According to the developed method of estimation of the norms of natural runoff on the basis of meteorological data it was made a forecast for possible state of water resources according to the certain alternate scripts of changes in global climate.

Key words: lifeconditioned runoff, climatic runoff, natural runoff, global changes of a climate.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми обумовлена необхідністю оцінки і прогнозу можливих змін водних ресурсів західної частини Українського Полісся в умовах антропогенного впливу, включаючи й зміни клімату, з метою раціонального та ефективного використання запасів води в народному господарстві України. Основою такого роду оцінок і прогнозів є природні (непорушені господарською діяльністю) водні ресурси території. Традиційним підходом в гідрології при вирішенні даної проблеми є приведення побутового (спостереженого) стоку до природного шляхом урахування за допомогою методу водогосподарчого балансу усього комплексу антропогенних факторів, що впливають на стік. Однак, на більшій частині розглянутої території відомості про прибуткові й видаткові складові водогосподарчого балансу практично відсутні. Крім того, водогосподарчий баланс розглядає процес стоку поза зв'язком із кліматичними умовами формування стоку, що не дозволяє надалі враховувати вплив змін клімату на стік. У зв'язку з цим першорядною стає задача розробки методики оцінки водних ресурсів на основі моделей типу "клімат - стік", яка спирається на використання у розрахунках стоку метеорологічних характеристик.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи зв'язана з Постановою Верховної Ради України №123/97 від 27.02.1997 р. "Про національну програму екологічного оздоровлення басейну Дніпра та поліпшення якості питної води" і є складовою тематичного плану науково-дослідної роботи кафедри гідрології суші ОГМІ "Максимальний та річний стік річок України" (1998 - 2002рр.), затвердженої на засіданні науково-технічної ради ОГМІ (протокол №4 від 23.12.1997 р.)

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методики оцінки природних водних ресурсів західної частини Українського Полісся на основі даних спостережень за річним стоком річок досліджуваного регіону, а також на основі використання метеорологічних характеристик для виконання розрахунків і прогнозів характеристик річного стоку за умов водогосподарчих перетворень та можливих змін глобального клімату.

Відповідно з поставленою метою сформульовані такі задачі наукового дослідження:

- установити закономірності просторово - часового розподілу характеристик річного стоку;

- установити розміри змін річного стоку в результаті водогосподарчих перетворень на водозборах;

- виявити основні фактори формування річного стоку;

- розробити методику оцінки норм природного річного стоку , що дозволяє враховувати причинно-наслідкові зв'язки в системі "клімат - водні ресурси";

- на основі розробленої методики установити можливі зміни водних ресурсів при зміні клімату за даними певних кліматичних сценаріїв.

Об'єкт дослідження - водні ресурси західної частини Українського Полісся.

Предмет дослідження - характеристики річного стоку річок західної частини Українського Полісся в природних й порушених господарською діяльністю умовах його формування, а також при можливих змінах клімату.

Методи дослідження:

статистичний аналіз вихідних даних; багатомірний статистичний аналіз; генетичний підхід до розрахунків річного стоку А.М. Бефані (1957,1967); сумісний аналіз даних, запропонований С.М. Крицким і М.Ф. Менкелем (1981); множинної регресії; метод водно-теплового балансу в модифікації В.С. Мезенцева (1969,1976).

Наукова новизна одержаних результатів визначається як розробленою методикою оцінки природного стоку річок західної частини Українського Полісся, так і областю їхнього застосування. У роботі вперше для досліджуваної території:

- установлені закономірності просторово-часового розподілу річного стоку на основі багатомірного статистичного аналізу;

- виконане районування досліджуваної території за синхронністю коливань річного стоку;

- установлені ефективні предиктори, що є кількісними показниками домінуючих у районі дослідження факторів формування річного стоку;

- надано оцінку теплоенергетичних ресурсів клімату та ресурсів зволоження території;

- на основі рівняння водно-теплового балансу (з використанням метеорологічних даних) встановлено норму кліматичного річного стоку річок в природних умовах його формування;

- обгрунтовано можливість застосування норм кліматичного стоку до оцінки природних водних ресурсів;

- виконано теоретичне обґрунтування можливості осереднення у межах статистично однорідних районів статистичних параметрів річного стоку (коефіцієнтів варіації, асиметрії, автокореляції) та наведені їх порайонні значення;

- запропоновано методику визначення характеристик природного річного стоку;

- надано оцінку можливих змін водних ресурсів за певними альтернативними сценаріями змін клімату.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена в дисертації модель розрахунку характеристик природного річного стоку може бути використана при створенні оптимальних схем розміщення і розвитку продуктивних сил країни в зв'язку з водноресурсним потенціалом, для регламентування водогосподарчої діяльності, усунення дисбалансу між розвитком суспільного виробництва і станом водних екосистем. Окремі результати роботи можуть бути використані при вирішенні широкого класу задач гідрологічних розрахунків і гідротехнічного проектування, сприяючи підвищенню їхньої якості й ефективності. Такими є результати районування території за синхронністю коливань річного стоку, а також осереднення окремих статистичних параметрів у межах виділених районів. Розроблений комплекс програмно-математичного забезпечення для розрахунку характеристик природного річного стоку дозволяє в рамках комп'ютерного експерименту оцінювати стан водних ресурсів регіону в залежності від заданих метеорологічних параметрів для нових (сценарних) кліматичних умов. Отримані в роботі дані кількісно підтверджують перспективність використання детермінованих регіональних моделей типу "клімат - стік" для оцінки водних ресурсів майбутнього.

Особистий внесок здобувача полягає у детальному дослідженні й узагальненні даних по річному стоку річок західної частини Українського Полісся. Розробка детермінованої математичної моделі "клімат -стік" виконана в співавторстві з Є.Д. Гопченком та Н.С. Лободою, а здобувачу Фан Ван Тіню належить реалізація цієї моделі для досліджуваної території.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи представлялися й обговорювалися на наукових конференціях молодих учених (ОГМІ, 2000, 2001рр.) та на VІІІ з'їзді Українського географічного товариства "Україна та глобальні процеси: географічний вимір" ( Луцьк, 30 травня -1червня 2000 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 5 наукових публікаціях, у тому числі, в 4 статтях у ведучих наукових журналах, рекомендованих ВАК України та в 1 доповіді (збірка наукових праць VІІІ-го з'їзду Українського географічного товариства).

Автор вважає своїм приємним обов'язком виразити щиру вдячність завідувачеві кафедрою гідрології суші ОГМІ, д.геогр.н., проф. Гопченку Є.Д. за повсякденну увагу, підтримку і наукові консультації.



Основний зміст роботи

У вступі розкривається стан наукової проблеми, обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюються мета та задачі дослідження, наводиться наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі надається коротка фізико-географічна характеристика території західної частини Українського Полісся, де особлива увага приділяється умовам формування річного стоку. Розглянуті питання кліматичних умов формування річного стоку, ролі факторів, що визначають вплив підстиляючої поверхні на річний стік. Особлива увага приділяється підземному живленню річок та внеску підземної складової до сумарного стоку. Відзначено, що велика різноманітність природних умов формування стоку доповнюється факторами антропогенного впливу, а саме, осушуванням заболочених земель, русловиправними заходами, перекидом стоку, забором води з підземних водоносних горизонтів та подальшому її скиданню у поверхневі водотоки. Таким чином, стік більшості річок західної частини Українського Полісся слід розглядати як побутовий, тобто порушений водогосподарчою діяльністю.

У другому розділі розглянуто просторово-часові особливості коливань річного стоку у межах західної частини Українського Полісся. Проаналізовано циклічність коливань річного стоку та атмосферних опадів, виділений розрахунковий період (з 1951 по 1980 рр.), що містить у собі однакове число маловодних та багатоводних років. Показано, що поява багатоводної фази стоку, яка тривала з 1966 по 1980 рр., обумовлена, наперед за все, кліматичними умовами, на які накладається вплив антропогенної діяльності. Вперше для західної частини Українського Полісся за допомогою методів багатомірного статистичного аналізу (факторного та методу головних компонент) здійснено районування території за синхронністю коливань річного стоку. При цьому використано 29 рядів річного стоку з періодом сумісних спостережень з 1955 по 1986 роки. Обидва методи показали, що перші три фактори, або перші три компоненти, описують понад 80% загальної дисперсії вихідних рядів річного стоку й, відповідно, дозволяють отримати основну інформацію про фізичні особливості коливань річного стоку. Районування за - модифікацією факторного аналізу здійснено на підставі графічних побудувань, в яких використовуються результати представлення взаємної кореляційної матриці у вагових навантаженнях кожного ряду на виявлений гіпотетичний фактор. За результатами факторного аналізу виділені два угрупування, що утворюють два територіальних райони (західний 1 та східний 2) з синхронними коливаннями стоку. Лінія розмежування проходить через вододіл річок Стир - Горинь. У межах району 2 виділено два підрайони. Доцільність прийняття до розрахунків таких угрупувань підтверджується наступним: середній коефіцієнт кореляції між річним стоком усіх розглянутих водозборів дорівнює 0,53, що вказує на синфазність коливань стоку, для району 1 - , для району 2 - , а для 2а - та для 2б - , що вказує на синхронність коливань стоку. До недоліків методу - модифікації факторного аналізу можна віднести деяку суб'єктивність при виділенні районів та підрайонів, невизначеність границь між районами та підрайонами. Через це до аналізу був залучений метод головних компонент (розкладання полів випадкових величин за природними ортогональними функціями), який дозволяє проаналізувати структуру матриць річного стоку. Перша головна компонента описує загальної дисперсії полів річного стоку. Вона відбиває вплив найбільш великомасштабних атмосферних процесів, тому її вагові коефіцієнти змінюються в просторі незначно. Другий член розкладання по природних ортогональних функціях описує 14% дисперсії полів річного стоку. Просторовий розподіл ізоліній близький до меридіонального. Друга базисна функція змінює знак, що звичайно інтерпретується як протифазний вплив другого по значимості та масштабу геофізичного процесу на формування багаторічних коливань річного стоку. Ізолінія () поділяє територію на дві частини: західну і східну, й може розглядатися як границя районів із синхронними коливаннями стоку. Якщо орієнтуватися на знак базисної функції як на правило класифікації, то можна побачити, що склад водозборів західного (1) і східного (2) районів цілком відповідає результатам районування при застосуванні факторного аналізу. Ізолінії вагових коефіцієнтів третьої за своїм внеском в сумарну дисперсію полів річного стоку компоненти (з вкладом, що дорівнює 7%) мають розподіл близький до широтного. Автор дослідив зв'язки вагових навантажень на третю компоненту з кількісними показниками, фактори формування річного стоку за допомогою методу лінійної множинної регресії . Установлено, що значення величин залежать від висотного положення центрів ваги водозборів. У південній частині регіону, розташованій нижче нульової ізолінії , знаходяться усі притоки лівобережного Дністра, верхів'я річок Західний Буг, Стир, Горинь та Случ. Відповідно до природного районування, вони належать до лісостепової зони Західно - Української провінції, у той час як північна частина території розташована у лісній зони. Таким чином, розподіл третьої базисної функції відображає вплив ландшафтно-генетичних особливостей на формування річного стоку, а особливо рельєфу місцевості, який визначає орографічні опади. Саме вплив третього за своїм масштабом геофізичного процесу й обумовлює формування підрайонів 2а і 2б при використанні -модифікації факторного аналізу. Результати районування, отримані шляхом застосування факторного аналізу і методу головних компонент, є подібними і доповнюють один одного й можуть бути використані у гідрологічних розрахунках для вибору річок - аналогів та відновлення відсутньої гідрологічної інформації.

У третьому розділі наведено скорочений огляд методів оцінки ступеня порушень стоку внаслідок антропогенного впливу та методів його відновлення (приведення до природного стану) при наявності даних про стік річок в природних умовах. Встановлено, що початок суттєвих порушень річного стоку спостерігається з середини 60-х років і практично співпадає з багатоводною фазою коливань стоку, що значно утруднює оцінку змін стоку в результаті антропогенного впливу. Виділено ряди, на яких саме водогосподарчі перетворення привели до порушення їх статистичної однорідності та викликали появи тренду у зміні річного стоку з часом. За даними водозборів-аналогів, стік яких можна розглядати як умовно природний, виконано подовження чи відновлення деяких рядів річного стоку. Встановлено, що антропогенні навантаження приводять до підвищення коефіцієнтів варіації та асиметрії стокових рядів у порівнянні з їх природними значеннями. Щодо норми річного стоку, то її зміни для більшості рядів річного стоку знаходяться у межах до 10%.

З метою визначення головних природних факторів, які обумовлюють характеристики річного стоку, було застосовано модель множинної лінійної регресії з вибором оптимальних предикторів за методом просіювання на основі визначення частинних коефіцієнтів кореляції. При побудові регресійних моделей для розрахунку норм річного стоку та коефіцієнтів варіації, як потенційні предиктори були розглянуті такі морфометричні характеристики водозборів: логарифми водозборних площ (lgF ), умовні координати центрів ваги водозборів ( ), середня висота водозбору (), залісеність (), заболоченість ( ), а також норма інфільтрації опадів у підземні водоносні горизонти ( ) й норма ґрунтового стоку (). Останні визначалися за генетичним методом, запропонованим А.М. Бефані (1967) та були оцінені для території західної частини Українського Полісся - Я.О. Новосадом (1983). При побудові моделі не враховувалися дані по водозборах зі статистично неоднорідними й невідновленими рядами стоку, а також дані по закарстованих водозборах з добре вираженими зонами розвантаження (р.Західний Буг - м.Сасів) чи живлення карсту ( р.Холоївка - м.Бірськ). Регресійні рівняння були отримані для трьох районів, що відповідають гідрогеологічному районуванню: Волино-Подільського артезианського басейну, провінції Українського кристаличного щита та північно-західної частини Волино-Подільського артезианського басейну. Основним предиктором є норма інфільтрації опадів у водоносні горизонти , яка відображає не лише кліматичні особливості формування річного стоку, але й гідрогеологічні. Для північно-західної частини Волино-Подільського артезианського басейну до числа основних предикторів (поряд з нормою інфільтрації) віднесено площу водозбору , яка є посередньою характеристикою умов дренування руслом річки водоносних пластів. В гідрогеологічній області Українського кристаличного щита як додатковий предиктор виділено залісеність, яка забезпечує інтенсивне переведення поверхневого стоку у ґрунтовий стік з боліт й сприяє збільшенню стоку як за період межені, так і за рік в цілому. Установлено, що багаторічна мінливість річного стоку також залежить від величин та , причому, чим більше норма інфільтрації та площа водозбору , тим менший коефіцієнт варіації річного стоку. Для гідрогеологічної області Українського кристаличного щита як головний предиктор може бути використана також норма річного стоку - інтегральний показник зволоженості території. Слід зазначити, що отримані рівняння лише відбивають основні тенденції просторової зміни норм річного стоку та його багаторічної мінливості і не можуть бути використані для оцінки характеристик річного стоку через те, що в багатьох випадках помилка розрахунку буде перевищувати припустиму. Причина неадекватності регресійних моделей спостереженим даним криється у винятковій складності умов формування стоку в західній частині Українського Полісся. Навіть при довгих рядах спостережень оцінки окремих параметрів визначаються з великою помилкою, тобто є статистично незначущими. До числа таких параметрів відносяться ,насамперед, коефіцієнти автокореляції й асиметрії , а також розрахункове співвідношення . Для підвищення надійності оцінок таких статистичних параметрів рекомендується виконувати їх просторове узагальнення. За допомогою методу, запропонованого С.М. Крицким і М.Ф. Менкелем (1981), можна обґрунтувати характер цього узагальнення: картування чи районування параметру. Суть методу зводиться до визначення складових загальної просторової дисперсії будь - якого статистичного параметра - географічної і випадкової. Коли виконується умова

параметр, що розглядається, може бути осереднений у межах виділених районів. Якість об'єднання тим вища, чим менший внесок географічної складової у загальну просторову дисперсію параметру. Географічна складова є ,власне кажучи, оцінкою статистичної неоднорідності вихідного матеріалу. Критерієм якості об'єднання є відносне середнє квадратичне відхилення осередненої оцінки статистичного параметру, яке має бути меншим за припустиме. Встановлено, що осереднена оцінка співвідношення для західної частини Українського Полісся дорівнює , а для верхоріччя р.Західний Буг - , причому доля випадкової складової в загальній дисперсії в обох випадках становить 100%. Коефіцієнт автокореляції річного стоку визначається, головним чином, природним регулюванням стоку і зменшується по мірі переходу від закарстованих водозборів Волино-Подільського артезіанського басейну з високим внеском підземного живлення () у норму річного стоку водозборів Українського кристаличного щита, де внесок підземного живлення знижується до 16 % (табл.1). Найменших значень величина коефіцієнту автокореляціїї досягає у північно-західній частині Волино-Подільського артезианського басейну, де роль підземного живлення зменшується через слабкий ерозійний вріз русел і становить 11%. Встановлено також, що застосування осереднених за методом сумісного аналізу значень коефіцієнту варіації більш ефективне, ніж розрахованих за рівняннями регресійних моделей, що пояснюється складною взаємодією різних факторів формування стоку. Виділено три статистично однорідних райони (табл.2), що відповідають гідрогеологічному районуванню. Для останнього району, де відносна похибка визначення осередненого параметру досить значна, а географічна складова просторової дисперсії параметру становить , за результатами сумісного аналізу проведено уточнення індивідуальних оцінок коефіцієнта варіації по конкретних водозборах.

Таблиця 1. - Результати районування коефіцієнта автокореляції річного стоку річок західної частини Українського Полісся

Район	Середнє значення коефіцієнту автокореляції	Частка випадкової складової в просторовій дисперсії параметру, %	Середня квадратична похибка
Західна частина Українського Полісся	0,28	100	0,039
Північно-західна частина Волино-Подільского артезіанського басейну	0,21	100	0,090
Волино-Подільский артезианський басейн	0,35	100	0,034

Таблиця 2. - Результати районування коефіцієнта варіації річного стоку річок західної частини Українського Полісся

№	Район	Середнє значення Параметру	Частка випадкової складової у просторовій дисперсії параметру,%	Відносна середня квадратична похибка,	Частка підземного живлення в нормі річного стоку, %
1	Провінція Українського кристалічного щита	0,49	100	4,44	16,0
2	Волино-Подільский артезіанський басейн	0,31	71,1	7,65	38,0
3	північно-західна частина району 2	0,58	66,5	10,9	11,0



В розділі 4 надається огляд існуючих підходів, щодо оцінки стоку за балансовими рівняннями, в яких використовуються метеорологічні дані, та обгрунтовується вибір базового методу для наступних розрахунків. Відмічається, що структура водного балансу ділянки суші тісно зв'язана з його тепловим балансом, тобто з надходженням і перетворенням поверхнею і діяльним шаром ґрунту тепла сонячної радіації. Ця обставина обумовила можливість розглядати задачу визначення елементів водного балансу разом із тепловим балансом земної поверхні. Найбільш докладно схема підходу до спільного вивчення рівнянь водного і теплового балансів представлена в роботах В.С. Мезенцева. Рішення рівняння водного балансу досягається за допомогою використання апроксимуючих функцій кількісних характеристик водних і теплоенергетичних ресурсів, а також фізико-географічних умов формування сумарного стоку і випаровування. Сутність підходу В.С. Мезенцева до розгляду методу водно-теплового балансу полягає в тому, що він розділив прибуткову та видаткову складові теплового балансу підстилаючої поверхні. При цьому прибуткові величини рівняння теплового балансу розглядаються як граничні ресурси енергії, які забезпечують процес випаровування у визначених кліматичних умовах і називаються "теплоенергетичними ресурсами клімату"

де - приховане тепло випаровування; - шар води, що міг би випаруватися з поверхні суші, якби на процес випаровування були витрачені усі теплоенергетичні ресурси клімату, і називається теплоенергетичним еквівалентом; - позитивна частина радіаційного балансу; - позитивна складова турбулентного теплообміну; - зміна запасів тепла в діяльному шарі грунту . Запропонована В.С. Мезенцевим (1969) емпірична формула для розрахунку річної величини має вигляд



де - величина річного радіаційного балансу.

Таким чином, теплоенергетичний еквівалент - це величина, що за своїм фізичним змістом близька до величини - випаровуваності або максимально можливого випаровування, яка визначалася багатьма авторами як верхня межа випаровування але інтерпретувалася по-різному: "випар зі зволоженої поверхні" (М.І. Будико); "випар з водяної поверхні при тім же комплексі метеорологічних умов, що і над сушею" (Н.А. Багров), " випар для полів, покритих рослинністю, коли вологість ґрунту близька до найменшої польової вологоємності" (А.Р. Константинов). В.С.Мезенцеву вдалося надати однозначний зміст поняттю “випаровуванність”. Перевага запропонованого ним методу полягає в тому, що він дав чітке фізичне обґрунтування всім компонентам водно - теплового балансу.

Після математичних перетворень часткове рівняння зв'язку між складовими водного і теплового балансів представлене В.С. Мезенцевим у вигляді

де - сумарний стік (мм); - сума атмосферних опадів за розрахунковий проміжок часу, виправлена на недооблік опадів приладами (мм); - зміна вологозапасів у розрахунковому шарі грунту за розрахунковий проміжок часу (мм); - параметр, що враховує особливості формування стоку на водозборі (для рівнинних територій ). Для багаторічного періоду, коли ,



де - середньобагаторічні величини (норми) річного стоку, опадів і теплоенергетичного еквіваленту.

Стік, розрахований за рівнянням (5), названий кліматичним, оскільки він визначається тільки кліматичними факторами - ресурсами зволоження та теплоенергетичними ресурсами , і надалі буде позначатися як .

Таким чином, поставлена в роботі задача досліджень зводиться до розробки методики оцінки водних ресурсів західної частини Українського Полісся за метеорологічними даними й перевірки адекватності отриманої моделі натурним даним.

У п'ятому розділі викладаються основні етапи розробки методики для визначення характеристик природного річного стоку території західної частини Українського Полісся. Основою методики є модель “клімат - стік”, розроблена в Одеському гідрометеорологічному інституті професором Є.Д. Гопченком та доцентом Н.С. Лободою, на підставі рівняння водно-теплового балансу у модифікації В.С. Мезенцева (1969).

За співвідношенням ресурсів вологи та тепла

виділені зони надлишкової () та достатьої () зволоженості. Висновок про те, що досліджувана територія цілком знаходиться в зоні надлишкового і достатнього зволоження дозволяє прийняти до розрахунків норм річного стоку рівняння (4,5), допускаючи при цьому, що розрахунковий шар дорівнює глибині залягання ґрунтових вод.

Розраховані за метеорологічними даними норми кліматичного стоку відбивають особливості просторово - часового розподілу кліматичних факторів, які не підлягають впливу водогосподарчих перетворень на водозборах. Отже, норму кліматичного стоку, визначену за рівнянням (5), можна вважати нормою зонального природного стоку.

До оцінки природного річного стоку західної частини Українського Полісся були залучені дані по 68 метеорологічних станціях, які розташовані на території від лівобережжя Дністра до Прип'яті та від західних границь України до Дніпра, включаючи верхів'я Південного Бугу. Вихідними даними при оцінці ресурсів зволоженості служили середні багаторічні дані про місячні і річні суми опадів, наведені у виданнях "Справочника по климату СССР ", тобто використані матеріали минулих років, коли впливу глобального потепління на дані наземних метеорологічних станцій ще не відмічалося. До вихідних даних було введено щомісячну додаткову поправку на недооблік опадів, яка враховує утрати на випаровування з опадомірного відра. В основу визначення теплоенергетичних ресурсів покладено рівняня (2). Для розрахункового періоду тривалістю в один рік, визначення норм теплоенергетичного еквіваленту за матеріалами спостережень на актинометричних станціях не викликає проблем, однак кількість цих станцій ( менша 20) занадто мала для докладного опису просторово - часового розподілу теплоенергетичних ресурсів клімату. За дослідженнями Є. Д. Гопченка та Н.С. Лободи (1984), для розрахунків теплоенергетичних ресурсів клімату можна використати досить тісний лінійний зв'язок (коефіцієнт кореляції r>0,9) величин з характеристиками температурного режиму, які в значній мірі обумовлені надходженням сонячної радіації до земної поверхні.

Вперше для території західної частини Українського Полісся виконано просторове узагальнення у вигляді карт ізоліній теплоенергетичних ресурсів , ресурсів зволоження , а також водних ресурсів . Порівняння норм кліматичного і норм спостереженого стоку для річок з непорушеним водогосподарчими перетвореннями режимом, а також порівняння норм кліматичного і норм природного стоку, відновленого за рівнянням водогосподарчого балансу, показало, що для водозборів із площею більше “другої критичної” (за термінологією А.М. Бефані), норма кліматичного річного стоку може прийматися рівною зональній величині природного стоку з точністю . Але при використанні даних по малих та середніх річках встановлено, що середнє відносне відхилення вихідних та розрахованих норм природного стоку становить10,9% , досягаючи на окремих водозборах Поліської низовини - 30%. Справа у тому, що норми кліматичного стоку відображають, головним чином, вплив великомасштабних синоптичних процесів над територією України, вилучаючи при цьому не тільки водогосподарчі перетворення на водозборах, але й усі фактори підстилаючої поверхні, визначаюча роль яких підвищується із зменшенням площі водозбору. Шляхом зіставлення норм природного стоку , відновлених за методом водогосподарчого балансу, і норм кліматичного стоку , знятих з карти ізоліній по центрах ваги водозборів, можна одержати коефіцієнти переходу від норм кліматичного стоку до природного

де - коефіцієнт переходу; - норма природного стоку з водозбору; - норма кліматичного стоку з водозбору.

Для установлених за методом множинної регресії коефіцієнтів переходу були розроблені емпіричні рівняння, які відображають зв'язки з кількісними показниками факторів підстилаючої поверхні, що дозволяє надалі оцінювати ці коефіцієнти для будь-яких річок досліджуваного регіону. Основними причинами, що викликають розбіжність між нормами природного та кліматичного стоку є гідрогеологічні особливості (просторовий розподіл запасів підземних вод, наявність карсту) та площа водозбору , яка в посередній формі відображає повноту дренування руслом річки грунтових вод. Запаси грунтових вод можна характеризувати нормою інфільтрації опадів у водоносні горизонти. Розрахункова залежність коефіцієнтів переходу від норм кліматичного до природного стоку річок Поліської низовини представлена такими співвідношеннями

за умови, коли

,

де - коефіцієнт переходу; - площа водозбору; - норма інфільтрації.

Для річок Волино-Подільської височини незалежно від площі водозбору, виключаючи водозбори з добре вираженою зоною розвантаження чи живлення карсту, наприклад водозбір р.Західний Буг - м.Сасів. Перевірочні розрахунки показали, що відносне відхилення вихідних і розрахованих за рівнянням водно-теплового балансу норм природного стоку з введенням в дію поправочних коефіцієнтів за (8) складає , що відповідає вимогам до розрахунків норм річного стоку.

Карта ізоліній норм річного кліматичного стоку і порайонні залежності коефіцієнтів переходу від кліматичного стоку до природного, а також просторові узагальнення коефіцієнтів варіації, асиметрії, автокореляції складають основу методики оцінки природних водних ресурсів території, приклад якої наведений у дисертації.

Завдяки використанню в розрахунках кліматичного стоку матеріалів кліматичних довідників по метеорологічних характеристиках минулих років, вплив глобального потепління, що проявився вже наприкінці 80-х років, не відбивається на результатах оцінки норм кліматичного стоку. Таким чином, виконані просторові узагальнення кліматичного стоку можуть бути використані як основа й при оцінці впливу змін глобального клімату на водні ресурси. Надійних прогнозів глобальних, а тим більше регіональних змін клімату у даний час не існує, тому для кількісної оцінки наслідків глобального потепління, як правило, використовуються кліматичні сценарії. Оцінка змін водних ресурсів західної частини Українського Полісся виконувалася відповідно до результатів прогнозу змін кліматичних характеристик (опадів і температур повітря) за трьома альтернативними сценаріями, рекомендованими на Другій Всесвітній Кліматичній конференції (Женева, 1990). Виправлення і поправочні коефіцієнти, наведені у цих сценаріях, дозволяють відкоригувати складові рівняння (5) відповідно до нових кліматичних умов.

Згідно з отриманими результатами розрахунків теплоенергетичні ресурси клімату західної частини Українського Полісся зростуть. При розвитку глобальних змін клімату у відповідності зі сценаріями 2 і 3, збільшення норм максимально можливого випаровування в межах усієї розглянутої території буде практично однаковим і складе близько 12% від вихідної величини. Норми річних опадів за прогнозомпо сценарію 1 будуть зменшуватися, а для сценаріїв 2 і 3 - збільшуватися. З точки зору збереження водних ресурсів території, найбільш несприятливий прогноз відповідає сценарію 1, у якому зменшення норм річних опадів супроводжується збільшенням максимально можливого випару. Зниження норм річного стоку, згідно з даними розрахунку, на півдні розглянутої території досягне 24%, а на півночі - 8%. У сценарії 2 можливе збільшення норм річних опадів компенсується підвищенням максимально можливого випаровування, що в остаточному підсумку забезпечить стабільність водних ресурсів. За сценарієм 3 зниження (до 28%) норм річного кліматичного стоку найбільш виражене в тих областях, де вихідні величини стоку були найбільшими (південний захід досліджуваної території).



ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і здійснено нове вирішення наукової задачі, що полягає в оцінці характеристик річного стоку річок західної частини Українського Полісся в природних умовах, при наявності водогосподарчих перетворень та в умовах можливих змін глобального клімату.

Головні наукові і практичні результати роботи.

1. На підставі статистичної обробки вихідної інформації за побутовим річним стоком річок західної частини Українського Полісся оцінені статистичні параметри річного стоку, виявлені ряди стоку, що суттєво порушені антропогенною діяльністю. Найбільш істотним фактором антропогенного впливу є скидання дренажних вод з осушуваних земель у поверхневі водотоки, що приводить до збільшення річного стоку.

2. Уперше для регіону досліджень виконано районування території за синхронністю коливань річного стоку на основі - модифікації факторного аналізу. Виділено два райони з синхронними коливаннями стоку, границя між якими проходить по вододілу Стир - Горинь. Район 2, в свою чергу, розділений на два підрайони. До підрайону 2а віднесено лівобережні притоки Дністра, починаючи від р.Серет і до р.Ушиця, верхів'я річок Горинь та Південний Буг; до підрайону 2б - притоки Прип'яті, починаючи від р.Случ і закінчуючи правобережними притоками Дніпра (рр.Уж - Ірпінь).

3. Уперше для західної частини Українського Полісся установлені особливості просторово-часового розподілу річного стоку за допомогою розкладання його полів по природних ортогональних функціях. Різниця між особливостями коливань річного стоку районів 1 та 2 обумовлена атмосферними процесами синоптичного масштабу, які характеризуються другою компонентою. Формування підрайонів 2а і 2б обумовлено фізичними процесами мезомасштабу, які представлені третьою компонентою розкладання (сумарний внесок перших трьох компонент у загальну дисперсію полів річного стоку складає 82%). Третя складова розкладання містить у собі інформацію про ландшафтно - генетичні ознаки досліджуваного регіону (вагові навантаження на третю компоненту є функцією середньої висоти водозборів). Отримані результати рекомендуються для практичного застосування при виборі річок - аналогів підчас виконання гідрологічних розрахунків.

4. На базі методу множинної регресії і "просівання" потенційних предикторів установлені статистично значимі кількісні показники умов формування стоку на водозборах західної частини Українського Полісся - зональна норма інфільтрації опадів у водоносні пласти, площа водозбору і залісеність. Отримані рівняння лінійної множинної регресії дозволили установити основні тенденції просторової зміни норм річного стоку та його багаторічної мінливості, але вони не можуть бути безпосередньо використані при розрахунках характеристик річного стоку тому, що отримані за даними побутового стоку. Помилка розрахунку характеристик стоку по регресійних моделях перевищує припустиму.

5. Уперше для розглянутої території за методом сумісного аналізу рядів річного стоку виконане обґрунтування можливості осереднення статистичних параметрів, розрахованих за даними спостережень з малим ступенем вірогідності. Для практичного застосування запропоновані порайонні осереднені значення таких параметрів як коефіцієнти варіації, автокореляції, асиметрії. Границі статистично однорідних районів відповідають границям гідрогеологічних районів, а осереднені значення параметрів зв'язані з середньою нормою підземного живлення річок. Точність визначення статистичних параметрів за осередненими даними вища, ніж при використанні регресійних моделей.

6. Уперше для західної частини Українського Полісся за допомогою рівняння водно-теплового балансу виконані оцінки і просторове узагальнення (у вигляді карт ізоліній) теплоенергетичних ресурсів клімату, представлених нормою річного максимально можливого випаровування; ресурсів зволоження, які кількісно характеризуються нормою річних опадів; природних водних ресурсів (у виді норм річного кліматичного стоку).

7. Виконано обґрунтування можливості застосування норм кліматичного стоку до оцінки природних водних ресурсів західної частини Українського Полісся. Норма кліматичного стоку, розрахована за рівнянням водно-теплового балансу з використанням метеорологічних характеристик, є відображенням просторового розподілу кліматичних факторів й не враховує впливу особливостей підстиляючої поверхні, у тому числі й антропогенних. Порівняння норм кліматичного і спостереженого стоку для річок з непорушеним водогосподарчими перетвореннями режимом, а також порівняння норм кліматичного стоку з природним, відновленим за рівнянням водогосподарчого балансу, показало, що для водозборів із площею більше “другої критичної”, норма кліматичного стоку може прийматися рівною зональній величині природного стоку з точністю .

8. Розроблено методику переходу від норм кліматичного стоку до природного для малих та середніх річок Поліської низовини у вигляді емпіричних залежностей цих коефіцієнтів від кількісних показників факторів підстилаючої поверхні, до яких віднесено площі водозборів та норми інфільтрації. Установлено, що річки Поліської низовини знаходяться в області від'ємних виправлень до норми кліматичного стоку, а річки, витік яких знаходиться у межах Волино-Подільської височини - в області нульових виправлень, за винятком зон розвантаження або живлення карсту. Середнє відносне відхилення розрахункових значень природного стоку від фактичних з урахуванням даних по малих та середніх річках знаходиться в межах , що дозволяє рекомендувати запропоновану методику для практичного застосування.

9. Розроблено регіональну методику оцінки характеристик природного річного стоку, основу якої складають: карта ізоліній норм річного кліматичного стоку; залежності для визначення коефіцієнтів переходу від норм кліматичного стоку до природного (для малих та середніх річок); осереднені у межах виділених районів статистичні параметри річного стоку. Практичне значення цієї методики полягає в можливості оцінити статистичні характеристикиприродного річного стоку будь-якої річки досліджуваної території.

10. Уперше для річок західної частини Українського Полісся на основі водно-теплового балансу виконано оцінку водних ресурсів в умовах можливих змін клімату, які представлені трьома альтернативними прогнозними сценаріями, розробленими 2-ою робочою групою на Другій Всесвітній Кліматичній конференції. Встановлено, що можливе глобальне потепління при розвитку кліматичних змін за сценаріями 1 та 3 приведе до зменшення водних ресурсів західної частини Українського Полісся. Таким чином, прогноз можливих змін водних ресурсів змушує переглянути планування водогосподарчих перетворень на водозборах, і ,насамперед, доцільність проведення осушення боліт.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Лобода Н.С. , Фан Ван Тинь Исследования синхронности колебаний годового стока Украинского Полесья при помощи методов многомерного статистического анализа // Межвед. научн. сб. Украины. - Метеорология, климатология и гидрология - Одесса. - 1999. - Вып. 36. - С.190- 204.

Фан Ван Тинь, Гопченко Е.Д., Лобода Н.С. Климатические и водные ресурсы Украинского Полесья // Межвед. научн. сб. Украины. - Метеорология, климатология и гидрология - Одесса. - 1999. - Вып. 39. - С. 254 -267.

Фан Ван Тинь. Групповые оценки статистических параметров годового стока рек западной части Украинского Полесья // Міжвід. научн. зб. Украины. - Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - Одесса. - 2000. - Вип. 40. - С. 150 -159.

Фан Ван Тинь, Гопченко Е.Д., Лобода Н.С. Водные ресурсы западной части Украинского Полесья в условиях изменений глобального климата // Міжвід. наук. зб. України. - Метеорологія, климатологія та гідрологія - Одеса. - 2000. - Вип. 41. - С. 92 - 101.

Гопченко Є., Лобода Н., Фан Ван Тінь. Просторово- часові узагальнення річного стоку України у зв'язку з кліматичними умовами // Україна та глобальні процеси: географічний вимір: Зб. наук. праць. -т.2.-Луцьк: ”Вежа”, 2000. - С.196 -198.

Размещено на Allbest.ru