Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ЕКОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

Річний стік річок кримського півострова

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Нгуєн Ле Мінь

Одеса - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор географічних наук, доцент

Лобода Наталія Степанівна,

Одеський державний екологічний університет,

професор кафедри гідрології суші

Офіційні опоненти :

доктор географічних наук, професор

Елісеєва Евгенія Володимирівна,

Одеський національний університет імені І.І.Мечнікова, професор кафедри фізичної географії та природокористування

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми дисертації обумовлена необхідністю розробки і вдосконалення методик оцінки характеристик природних водних ресурсів Кримського півострова в умовах недостатньості даних спостережень та істотної трансформації водного режиму антропогенним впливом з метою раціонального і ефективного їх використання та прийняття управлінчеських рішень. сток клімат водогосподарський ресурс

Рівнинний або Степовий Крим характеризується нестачею даних спостережень за стоком нечисленних водотоків, більшість з яких на теперішній час входить до складу меліоративних систем, утворених на базі Північно-Кримського каналу, і виконує роль дренажних колекторів. Річки Гірського Криму здебільшого відносяться до малих із значним впливом факторів підстильної поверхні. З природних чинників підстильної поверхні Гірського Криму найбільше значення має карст, який перерозподіляє водні ресурси в просторі, порушуючи природний їх розподіл, обумовлений кліматичними факторами. До сьогодення не надано кількісних оцінок впливу карсту на стік. Окрім того, стік річок Гірського Криму перетворюєься водногосподарськими заходами, серед яких до числа основних віднесено створення штучних водойм. Різноманіття чинників формування стоку, як природного, так і антропогенного походження утрудняє аналіз вихідної інформації, через що для території Гірського Криму не отримані надійні залежності норм річного стоку від висоти місцевості, які є традиційними для гірських районів і приводяться в СНіП 2.01.14.83. Певні труднощі виникають при розробках методик передбачення стану водних ресурсів Кримського півострова у майбутньому, оскільки традиційним підходом в гідрології суші при відновленні рядів природного стоку є приведення побутового (спостереженого) стоку до природного шляхом урахування всього комплексу чинників, які трансформують величини стоку (метод водногосподарського балансу). Проте, на більшій частині розглядуваної території, відомості про прибуткові і витратні складові водногосподарського балансу, у більшості випадків, відсутні. Відновлення рядів природного стоку за даними річок-аналогів, на яких збереглись природні умови формування стоку, часто неможливе внаслідок відсутності даних про природний стік: початок спостережень співпадає з початком інтенсивних водногосподарських перетворень. Крім того, тенденції, що намітилися, до змін глобального клімату можуть здійснити істотний вплив на стан водних ресурсів. Виходячи з вищесказаного, можна зробити висновок про необхідність застосування математичних моделей типу “клімат - стік”, які дозволяють виконувати оцінку природних водних ресурсів на базі метеорологічної інформації з подальшим переходом до кількісної оцінки ролі чинників підстильної поверхні. Природний річний стік розглядається як базис для подальшої оцінки впливу водогосподарських перетворень на стан водних ресурсів. Задача розробки моделей “клімат - підстильна поверхня - природний стік - водогосподарські перетворення - побутовий стік”, яка вирішується в дисертації, є актуальною для всіх регіонів з недостатністю даних спостережень та суттєвим впливом водногосподарських заходів, у тому числі і для такої країни як В'єтнам.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Сучасний світ зіткнувся з проблемою обмеженості і виснаження водних ресурсів, руйнування екосистем, збільшення чисельності населення планети, зниження рівня грунтових вод, і т.і. Ці обставини примушують людство стати на шлях стійкого розвитку. Концепція стійкого розвитку була підписана в Ріо-де-Жанейро ще в 1992 році. Фундамент цієї концепції базується на матеріалах Конференцій ООН по проблемах навколишнього середовища. На Всесвітньому самміті по стійкому розвитку планети Земля (Йоханнесбург, 2002) водним ресурсам відведена одна з центральних ролей у області розвитку всіх держав. Поліпшення водної політики означає прогрес у всіх трьох видах стійкого розвитку: соціальної, економічної, екологічної. Існуючі проблеми водопостачання у більшій мірі пов'язані з прорахунками в управлінні водними ресурсами, ніж з фактичною нестачею води. Тема дисертаційної роботи відповідає напряму державної національної політики у області підвищення якості та ефективності управління водними ресурсами і є складовою тематичного плану науково-дослідної роботи кафедри гідрології суші Одеського екологічного університету “Водні ресурси України” (№ДР 0103U005145).

Мета і задачі дослідження полягають в розробці методик оцінки водних ресурсів Кримського півострова на основі комплексного підходу, який розглядає стік як результат взаємодії стокоформуючих факторів в послідовності “клімат - підстильна поверхня - природний стік - водногосподарські перетворення - побутовий стік”, які мають сприяти підвищенню якості розрахунків і передбачення характеристик річного стоку в умовах водногосподарських перетворень. Для досягнення поставленої мети в умовах Криму необхідне вирішення наступних задач:

встановити просторово - часові закономірності розподілу характеристик річного стоку на основі даних спостережень гідрологічної мережі;

встановити просторово-часові закономірності розподілу річного стоку, обумовлені кліматичними чинниками;

дати кількісну оцінку впливу карсту на формування водних ресурсів Гірського Криму, використовуючи як базис кліматичну складову річного стоку;

встановити внесок окремих видів водногосподарських перетворень у зміни водних ресурсів;

розробити методику оцінки характеристик річного стоку річок Криму.

Об'єкт дослідження - формування водних ресурсів Кримського півострова в послідовності: клімат - підстильна поверхня - природний стік - водногосподарські перетворення - побутовий стік.

Предмет дослідження - характеристики річного стоку річок Кримського півострова в природних і порушених господарською діяльністю умовах його формування.

Методи дослідження: - первинний та багатовимірний статистичний аналіз вихідних даних; сумісний аналіз характеристик стоку з виділенням статистично однорідних угрупувань (С.М. Крицкий, М.Ф. Менкель,1981); метод водно-теплового балансу (В.С. Мезенцев, 1969); Є.Д. Гопченко, Н.С.Лобода, 1986, 1998, 2001); стохастичне моделювання рядів річного стоку (Д.Я. Раткович, 1995); детерміновано-стохастична модель побутового стоку (Н.С. Лобода, 2004).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в вирішенні задач теоретичного обгрунтування і практичної реалізації методів оцінки водних ресурсів Кримського півострова в природних і порушених господарською діяльністю умовах. Одержані наступні результати:

- вперше виконані просторово-часові узагальнення характеристик річного стоку річок Кримського півострова на базі методів багатовимірного статистичного аналізу, за якими виконано районування території по синхронністі коливань стоку та районування статистичних параметрів, що визначаються за даними спостережень з малим ступенем достовірності;

- вперше у водних ресурсах Кримського півострова виділена зональна складова (норма кліматичного стоку), що відображає роль основних кліматичних чинників у формуванні стоку;

- вперше виконано районування Гірського Криму по характеру зміни норм річного кліматичного стоку з висотою місцевості, яке спирається на районування розподілу основних кліматичних чинників - норм опадів і максимально можливого випаровування;

- вперше для території Гірського Криму на базі карти норм кліматичного стоку і порайонних зв'язків норм кліматичного стоку з висотою одержані кількісні оцінки впливу карсту на водні ресурси;

- вперше на базі імітаційної детерміновано-стохастичної моделі річного стоку в умовах водогосподарських перетворень виконана оцінка ролі додаткового випаровування з водної поверхні штучних водойм і розроблена методика, що дозволяє оцінювати подальші зміни водних ресурсів залежно від заданих масштабів водогосподарських перетворень і кліматичних умов.

Практичне значення одержаних результатів. Вперше надане теоретичне обгрунтування характеру просторового розподілу річного стоку річок Кримського півострова, обумовлене впливом кліматичних факторів, що дозволило надалі встановити кількісні оцінки основного чинника підстильної поверхні - карсту. Одержані в дисертації дані про норми кліматичного стоку, розраховані на основі водно-теплового балансу, можуть бути використані як базис при оцінці природних водних ресурсів території, а також при кількісній оцінці впливу чинників підстильної поверхні, включаючи водногосподарські перетворення. Окремі результати роботи можуть бути використані при вирішенні широкого класу теоретичних і практичних задач гідрологічних розрахунків. Такими є результати районування території по синхронності коливань річного стоку; районування статистичних параметрів, що визначаються за даними спостережень з малою мірою достовірності, - коефіцієнтів автокореляції річного стоку і відношення ; установлення характеристик внутрішньорядної зв'язності та інваріантності (фрактальних розмірностей) у рядах річного стоку. Розроблений комплекс програмно-математичного забезпечення для розрахунку водних ресурсів Криму в природних умовах його формування і за наявності на водозборах штучних водойм, який дозволяє в рамках комп'ютерного експерименту оцінювати стан водних ресурсів регіону в залежності від заданих метеорологічних умов і ступеня водногосподарських перетворень. Результати роботи відкривають перспективи при вирішенні задач управління водними ресурсами Кримського півострова в умовах змін глобального клімату.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень, представлених в роботі, належать особисто автору. Більшість публікацій написана в співавторстві з науковим керівником, якому належать ідеї виконаних розробок, а здобувачу - їх теоретична і практична реалізація для території Кримського півострова.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи представлялися і обговорювалися на міжнародній конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовіща - 2002”, науковій конференції молодих учених (ОДЕКУ, 2004 р.), міжнародній конференції “Fractal in hydrosciences” (Швейцарія, 2003 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи наведені в 6 наукових публікаціях, зокрема, в 3 статтях у провідних наукових журналах, рекомендованих ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Повний об'єм дисертаційної роботи складає 198 сторінок. У дисертаційну роботу входять 17 рисунків і 10 таблиць, вона складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (146 найменувань), додатків на 45 сторінках.

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 скорочена фізико-географічна характеристика території Кримського півострова, де особлива увага приділяється умовам формування річного стоку у рівнинній (степовій) та гірській частинах Криму. Розглянуті питання особливостей кліматичних умов формування річного стоку, ролі факторів підстильної поверхні, серед яких найбільш впливовим є перерозподіл стоку за рахунок розвантаження чи живлення карстових вод на водозборах. Відзначено, що велика різноманітність природних умов формування стоку доповнюється факторами антропогенного впливу, а саме, створенням штучних водойм, перекидом стоку по каналах та тоннелях, зрошенням земель Рівнинного Криму дніпровськими водами, які надходять на територію по магістралі Північно-Кримського каналу. За гідрологічним районуванням на території Кримського півострова виділяються рівнинна область дуже низької водності та гірська область підвищеної водності. Рівнинний Крим недостатньо вивчений з гідрологічної точки зору. У Гірському Криму через складну взаємодію кліматичних факторів і факторів підстильної поверхні географічні узагальнення стоку дуже утруднені.

У другому розділі розглянуто просторово-часові особливості розподілу річного стоку Кримського півострова на базі даних спостережень із застосуванням методів первинного та багатовимірного статистичного аналізу. За допомогою критеріїв статистичної однорідності та відомостей про термін і масштаби водногосподарських перетворень виявлені ряди річного стоку з суттєво порушеним водногосподарською діяльністю режимом. У коливаннях більшості таких рядів виділяється добре виражений монотонний тренд. З подальшого розгляду такі ряди вилучалися.

Проаналізовано циклічність коливань річного стоку та атмосферних опадів. Співставлення різніцевих інтегральних кривих річного стоку та опадів показало, що коливання водності річок відповідають коливанням опадів. Виділений розрахунковий період (з 1950 по 1980 рр.), який містить у собі однакове число маловодних та багатоводних років.

Вперше для території Кримського півострова за допомогою Q-модіфікації факторного аналізу здійснено районування території за синхронністю коливань річного стоку. При цьому використано 9 рядів річного стоку з періодом сумісних спостережень, що дорівнює 55 рокам (1934-1988рр.), та 23 ряди з періодом суміжних спостережень з 1965 по 1980 рр. У обох випадках перші два фактори описують понад 80% загальної дисперсії вихідних даних 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 матриці кореляцій у вагових навантаженнях кожного ряду на виявлений гіпотетичний фактор. За результатами факторного аналізу виділені два угрупування, що утворюють два територіальних райони (Західний та Східний) з синхронними коливаннями стоку. Лінія розмежування проходить через вододіл річок Кача - Салгір. Доцільність прийняття до розрахунків таких угрупувань підтверджується наступним: середній коефіцієнт кореляції між річним стоком усіх розглянутих водозборів дорівнює 0,50, що вказує на синфазність коливань стоку, для Західного району - , для Східного - . Результати районування були використані при приведенні коротких рядів до довгого періоду за методом аналогії.

За отриманими результатами розрахунків статистичних параметрів річного стоку були розроблені залежності середньобагаторічних величин річного стоку від висоти місцевості. Виділено 5 видів залежностей середньобагаторічних величин річного стоку від середньої висоти водозборів. Залежність I включає водозбори, на яких відбувається інтенсивне розвантаження карстових вод, що формуються в районі Ай-Петрінських Яйл: рр. Чорна, Учан-Су, Гува, Улу-Узень, Байдарка. Залежність II також відноситься до водозборів, де розвантаження карстових вод переважає над втратами стоку в областях живлення карсту: рр.Манаготра і Біюк Узенбаш, при злитті яких утворюється р. Бельбек; верхів'я р. Альма; рр.Ангара і Краснопещерна (Кизіл-Коба), які утворюють р. Салгір, та р. Біюк-Карасу. Залежність III описує просторовий розподіл середньобагаторічних величин річного стоку по висоті на водозборі р. Кача, а також в середній і нижній течії річок Бельбек і Альма. Залежність IV, одержана за даними про річний стік річок південно-західних схилів Гірського Криму, практично зливається з II, що дозволяє віднести цю частину Гірського Криму до області розвантаження карсту. Середньобагаторічні величини річного стоку річок Салгір, нижче за злиття рр. Ангара і Краснопещерна, а також річки Бештерек, Бурульча, Зуя, Кучук - Карасу, Су - Індол та річки південно-східних схилів (на схід від р. Арпат) утворюють залежність V. Одержані закономірності розподілу стоку з висотою дозволяють уточнити районування, приведені в літературних джерелах, але не дозволяють диференціювати ступінь впливу карсту і водогосподарських перетворень на стік, оскільки в розрахунках використаний побутовий, тобто порушений господарською діяльністю стік річок.

Встановлені залежності зміни коефіцієнтів варіації річного стоку від середньобагаторічних величин річного стоку, які виступають у ролі інтегральної характеристики водності річок. За видом цих залежностей виділені багатоводні закарстованні річки північно-західних і південно-західних схилів Гірського Криму і більш маловодні річки північно-східних і південно-східних схилів із слабковираженним впливом карсту.

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 розрахунків оцінок цих 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. Суть методу зводиться до визначення складових загальної просторової дисперсії будь - якого статистичного параметра - географічної і випадкової. Коли виконується умова , приймається рішення про осереднення розглядуваного параметру у межах прийнятого територіального угрупування, тобто параметр, який 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 статистичного параметру, яке має бути меншим за допустиме. Установлено, що відношення може бути осередненим у межах всього Гірського Криму, оскільки при виділенні різних угрупувань випадкова складова повної дисперсії цього співвідношення дорівнює 100%. При районуванні коефіцієнта автокореляції виділено три райони - південні схили Кримських Гір, північно-західні схили та північно-східні. Найбільше значення осередненого коефіцієнту автокореляції відмічається на річках південних схилів - , найменьше - на річках північно-східних схилів , при цьому у обох випадках . Для північно-західних схилів - при . При виділенні у окремій підрайон 2а водозборів з наявністю інтенсивного розвантаження карстових вод, отримуємо, що для району 2а дорівнює 0,02 з , а район південних схилів може бути об'єднаний з районом північно-західних схилів.

Досліджено структуру часових рядів стоку методами автокореляційного та фрактального аналізу. Установлено, що більшість рядів річного стоку закарстованих водозборів характеризується наявністю дальніх внутрирядних зв'язків, які описуються автокореляційною функцією , де - крок у часі. Встановлений зв'язок виду між показниками ступеня , який характеризує залежність , та фрактальними розмірностями . Фрактальні розмірності рядів річного стоку дорівнюють 0,7-0,9 для рядів з “дальніми” внутрішньорядними зв'язками і близькі до для рядів річного стоку, де такі зв'язки відсутні. Висновки Хурста (Hurst, 1965) про існування деякого універсального масштабного показника в коливаннях річного стоку річок, який може бути принятим рівним , у принципі підтверджуються, однак для окремих річок значення фрактальної розмірності можуть суттєво змінюватись, що в значній мірі обумовлено наявністю чи відсутністю внутрирядних кореляційних зв'язків.

У третьому розділі реалізується модель “клімат - стік” (Гопченко Є.Д., Лобода Н.С., 2001; Лобода Н.С., 2002) для умов Кримського півострова. Надається огляд існуючих підходів щодо оцінки природного 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 підстильною 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. Вирішення 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 (1969) до розгляду методу водно-теплового балансу полягає в тому, що він розділив прибуткову та видаткову складові теплового балансу підстильної 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" (В.С. Мезенцев, 1969). 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.

Результуюче рівняння водно-теплового балансу за багаторічний період у модіфікації В.С. Мезенцева має вигляд

, (1)

де - середньобагаторічні величини (норми) річного стоку, опадів і теплоенергетичного еквіваленту; - параметр, що враховує особливості формування стоку на водозборі; для рівнинних і напівгірських територій, а також низьких і середніх гір його значення рекомендується приймати рівним 3,0.

Стік, розрахований за рівнянням водно-теплового балансу отримав назву “кліматичного”, оскільки обумовлений тільки кліматичними чинниками формування стоку.

Теоретичне обгрунтування можливості застосування рівняння водно-теплового балансу до оцінки природних водних ресурсів рівнинних і гірських (Карпатські гори) територій України виконано Є.Д. Гопченком і Н.С. Лободою (1998, 2001, 2003). Узагальнення ресурсів зволоженості, теплоенергетичних ресурсів клімату та норм кліматичного стоку дозволили установити, що кліматична норма стоку може бути ототожненою з нормою природного (непорушеного водогосподарською діяльністю) стоку на водозборах з незначним впливом чинників підстильної поверхні. Фактично, норма кліматичного стоку - це зональна складова річного стоку, з якої вилучено вплив природних і антропогенних чинників формування стоку.

До оцінки природного річного стоку Кримського півострова за рівнянням водно-теплового балансу було залучено понад 100 метеорологічних станцій і постів. Вихідними даними при оцінці ресурсів зволоженності служили середні багаторічні дані про місячні і річні суми опадів, наведені у виданнях "Справочника по климату СССР ". Тобто були використані матеріали минулих років, коли впливу глобального потепління на дані наземних метеорологічних станцій ще не відмічалося. До вихідних даних про опади було введено щомісячну додаткову поправку на недооблік опадів, яка враховує втрати на випаровування з опадомірного відра. В основу визначення теплоенергетичних ресурсів Кримського півострова покладено емпіричне рівняння, побудоване на базі даних актинометричних станцій, яке дозволяє розраховувати норми теплоенергетичного еквіваленту в залежності від сум середніх місячних температур повітря за період травень - вересень (Є.Д. Гопченко, Н.С. Лобода, 1986).

В результаті досліджень автором виконані розрахунки та просторово-часові узагальнення у вигляді карт ізоліній норм річних опадів, максимально можливого випаровування та кліматичного стоку. Проте, застосування карт ізоліній для гірських районів утруднюється через різке збільшення градієнта розглядуваних величини із зростанням висоти місцевості. Більш доцільною визнана розробка регіональних залежностей норм кліматичного стоку від висоти місцевості, що враховують підпорядкування кліматичних чинників , а разом з ними і величини , закону вертикальної поясності.

За характером розподілу теплоенергетичного еквівалента з висотою місцевості на досліджуваній території виділено два райони - більш теплі у порівнянні з іншими територіями південно - західні схили, захищені від північних вітрів горами, і решту частини Гірського Криму.

Що стосується норм річних опадів, виправлених на недооблік опадомірними приладами, то при їх районуванні також виділено два райони, але границі цих районів відрізняються від отриманих для величини . Як і при районуванні за синхронністю коливань стоку, і райони можна назвати Західним і Східним. Розподіл норм річних опадів з висотою місцевості для південно-західного узбережжя відповідає загальній закономірності розподілу опадів для всієї західної частини Гірського Криму.

Надалі розроблені на основі метеорологічних даних (понад 30 гірських метеорологічних станцій) залежності були використані для розрахунку норм кліматичного стоку за рівнянням водно-теплового балансу (1). Внаслідок неспівпадіння за територіями залежностей для норм кліматичного стоку отримано три види залежностей, а отже і три райони, які відображають розподіл норм кліматичного стоку з висотою: 1. - північно-західні схили; 2 - південно-західні схили до м. Алушта; 3 - північно- східні і південно - східні схили Кримських гір.

За отриманими залежностями, представленими в аналітичному виді, можуть бути визначені норми кліматичного стоку невивчених з гідрологічної точки зору водозборів. Окрім того, на базі норм кліматичного стоку, який відображає внесок тільки кліматичних факторів, може бути виконана кількісна оцінка впливу карсту. Порівняння розрахованих за регіональними залежностями норм кліматичного стоку і природного, дозволило виділити області розвантаження і живлення карсту. Враховуючи, що більшість розглянутих водозборів відноситься до малих і разом з карстом в їх межах діють і інші чинники підстильної поверхні, до закарстованих були віднесені тільки ті водозбори, для яких норма природного стоку відрізнялася від кліматичного більш, ніж на 20%. Крім того, бралася до уваги інформація про наявність на водозборах зон розвантаження або живлення карсту, приведена в різних літературних джерелах.

Для кількісної оцінки впливу карсту на річний стік річок Гірського Криму запропоновано використовувати співвідношення виду

, (2)

де - норма кліматичного стоку, розрахована за розробленими регіональними рівняннями з використанням у якості аргументу середньої висоти водозбору ; - норма природного, тобто непорушеного господарською діяльністю стоку; - коефіцієнт переходу від норм кліматичного стоку до природного, що відображає вплив чинників підстильної поверхні, серед яких карст є основним.

Для річок з мало вираженим впливом карсту середнє відносне відхилення розрахункових і фактичних значень природного стоку знаходиться в межах 10%.

Аналізуючи коефіцієнти переходу , отримані для річок північно-західних і північно-східних схилів Гірського Криму з суттєвим внеском у формування стоку карстових вод, можна зробити висновок, що в зоні розвантаження карстових вод знаходяться верхня течія річок Чорної (), Байдарки (), Бельбек (), Альми(), Біюк - Карасу (). Як правило, вплив карсту, добре виражений на малих площах водозборів, при збільшенні площі нівелюється. Наприклад, в гирлі р. Чорної коєфіцієнт наближається до 1. Басейн р. Качі разом з притоками Марта і Стиля здебільшого знаходиться у області поглинання поверхневого стоку. Проте, за рахунок чергування ділянок дренування підземного стоку і ділянок поглинання поверхневого стоку значення коефіцієнта по довжині річки то збільшуються, то зменшуються.

Більшість річок південно-західних схилів знаходиться у області розвантаження карсту, де коефіцієнти змінюються від 4,0 до 1,0. Водозбір р.Авунда - пгт Гурзуф хірактеризується коєфіцієнтом , оскільки знаходиться в області живлення карсту. Верхня і середня течія рр. Малий Салгир і Біюк-Карасу також відносяться до зони розвантаження карстових вод. Витоком річки Біюк-Карасу є наймогутніше в Криму карстове джерело Карасу Баши, розташоване біля підніжжя північних схилів Карабі-Яйли. Коефіцієнт впливу карстових вод змінюється від 2,03 біля м. Белогорськ до 1,28 біля гирла.

У четвертому розділі надається реалізація детермінованно-стохастичної моделі побутового стоку (Лобода Н.С., 2004) для Кримського півострова. Розглянутий один з найважливіших чинників антропогенних перетворень - штучні водойми. У загальному об'ємі втрат річного стоку при створенні на водозборах штучних водойм основне місце займають втрати на додаткове випаровування з водної поверхні , яке в практиці проектування називається розрахунковим. В основі детермінованно-стохастичного моделювання побутового стоку лежить рівняння виду

; де , (3)

де - величини побутового та природного стоку забезпеченості P; - сумарна площа водної поверхні штучних водойм, виражена у долях від загальної площі водозбору ; -безрозмірний коефіцієнт, представлений в вигляді функції водності .

На основі балансового співвідношення (3) проводились чисельні експерименти, базисом яких були сгенеровані послідовності (довжиною 4000) величин природного річного стоку заданої забезпеченості . Генерування рядів природного стоку відбувалось як моделювання послідовностей випадкових величин, зв'язаних кореляцією марківського типу. У якості вхідних параметрів використовувались норми кліматичного стоку та порайонні значення таких статистичних параметрів річного стоку, як та . В результаті стохастичного моделювання отримані “функції відгуку” водозборів на створення штучних водойм, які мають вигляд ; ; , де ; ; - коефіцієнти антропогенного впливу додаткового випаровування з водної поверхні штучних водойм на статистичні параметри річного стоку, які представляють собою відношення відповідного параметру побутового стоку до природного. Установлено, що норма стоку річок знижується їз зростанням площі водної поверхні, а коефіцієнти варіації та асиметрії збільшуються.

Для малих річок і балок Степового (Рівнинного) Криму, де , значення “функції відгуку” або функції антропогенного впливу на природні водні ресурси можуть бути представленими в табличному вигляді (табл.1).

Таблиця 1. - Коефіцієнти антропогенного впливу на норму річного стоку річок Степового Криму при наявності на водозборах штучних водойм

Аналітичний вигляд залежності , яка відображає вплив додаткового випаровування з водної поверхні на норму річного стоку, такий:

, (4)

де - норми побутового та природного стоку; - коефіцієнт, що характеризуює інтенсивність зниження норми природного стоку із зростанням відносної площі водної поверхні . Величина , у свою чергу, визначається співвідношенням ресурсів вологи и тепла

, де (5)

При , випаровування з водної поверхні практично не відрізняється від випаровування з поверхні суші.

Для річок гірських районів значення норм максимально можливого випаровування та опадів можуть бути установлені для будь-якого водозбору за середньою висотою на основі розроблених регіональних залежностей та . Рівняння (4) і (5) дозволяють виконувати чисельні експерименти, згідно з якими, при заданій середній висоті водозбору обчислюються значення відношення та коєфіцієнта. За заданими розраховуються “функції відгуку”. Графічний вигляд такої функції для північно-східних схилів Гірського Криму показаний на рис.1

Рис. 1. Функції відгуку водних ресурсів на вплив додаткового випаровування з водної поверхні штучних водойм для південно-східних і північно-східних схилів Гірського Криму - 1.;

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, яке полягає в оцінці природного та порушеного водогосподарською діяльністю річного стоку річок Кримського півострова, і базується на комплексному підході до вивчення процесу формування стоку у низьці “клімат - підстильна поверхня - природний стік - водогосподарські заходи - побутовий стік”.

Існуючі дослідження характеристик річного стоку спираються на дані спостережень, яких недостатньо для аналізу і географічних узагальнень внаслідок значного впливу факторів підстильної поверхні як природного, так і антропогенного походження.

У дисертаційній роботі вперше для території Кримського півострова вирішені наступні задачі.

Встановлено, що коливання річного стоку на досліджуваній території є синфазними. Виділено два райони з синхронними коливаннями річного стоку (західний і східний) на основі застосування Q- модифікації факторного аналізу.

Виконано просторово-часові узагальнення характеристик річного стоку, обчислених за даними спостережень. За характером розподілу норм річного стоку з висотою виділено 5 видів залежностей, поява яких обумовлена ступенем розвантажування чи живлення карстових вод на водозборах річок. Встановлені закономірності розподілу стоку з висотою уточнюють існуючі районування, але не дозволяють диференціювати ступінь впливу карсту і водогосподарських перетворень, оскільки в розрахунках використаний побутовий, тобто порушений господарською діяльністю стік річок.

Встановлені залежності коефіцієнтів варіації річного стоку від середньої багаторічної величини річного стоку, як інтегрального показника водності річок.

Виконане районування статистичних параметрів, що визначаються за даними спостережень з малим ступенем вірогідності на основі використання методу сумісного аналізу даних, розробленого С.М.Крицьким та М.Ф. Менкелем. Показано, що відношення Cs/Cv може бути усереднене в межах всієї території і прийняте рівним 2. Виявлено, що наявність на водозборах розвантаження або живлення карсту не завжди забезпечує природне багаторічне регулювання стоку. Для більшої частини річок північних і південних схилів коефіцієнт автокореляції може бути усереднений і прийнятий рівним 0,3. Проте, у верхів'ях річок північно-західних схилів коефіцієнт автокореляції рівний 0, що пояснюється гідрогеологічними особливостями і умовами розвантажування карстових вод.

Встановлена наявність дальніх внутрішньорядних зв'язків у рядах річного стоку закарстованих річок південно-західних схилів, та фрактальні розмірності річного стоку, які дорівнюють 0,7-0,9 для рядів з довготривалими внутрішньорядними зв'язками і близькі до для рядів річного стоку, де такі зв'язки відсутні.

Виконані оцінка і просторове узагальнення норм максимально можливого випаровування як характеристики теплоенергетичних ресурсів клімату. Норма максимально можливого випаровування для Степового або Рівнинного Криму складає 1000 мм. Із зростанням висоти ця величина зменшується, що пов'язано із зниженням температури повітря при зростанні висоти. На південно-західному узбережжі норми теплоенергетичного вищі, ніж в інших частинах Кримського півострова при одних і тих же самих висотах, унаслідок захищеності гірськими хребтами від припливу північних холодних повітряних мас.

Виконано просторове узагальнення річних норм опадів у вигляді карти ізоліній за даними більш, ніж 100 метеорологічних станцій і постів. Норми річних опадів в Степовому (Рівнинному) Криму і на південно-східному узбережжі складають 420-480 мм. Найбільш зволоженими є північно-західні і південно-західні схили, де норми опадів збільшуються до 1000мм і вище із зростанням висоти місцевості. Для Гірського Криму по характеру залежності норм річних опадів від висоти місцевості виділено два райони - західний і східний. Границя між районами проходить по вододілу р. Салгир.

На основі метеорологічних даних за рівнянням водно-теплового балансу розраховані та картовані норми річного стоку, названі кліматичними. Установлено, що розподіл кліматичних чинників визначає наявність трьох районів при розподілі стоку по висоті: район північно-західних схилів; район південно-західних схилів; район північно-східних і південно-східних схилів. Одержані залежності представлені в аналітичному вигляді.

На основі детерміновано-стохастичної моделі побутового стоку одержані функції впливу додаткового випаровування з водної поверхні штучних водойм. Установлено, що в таких достатньо зволожених гірських районах, як північно-західний і південно-західний втрати на додаткове випаровування невеликі і знаходяться в межах точності розрахунку норм річного стоку. Істотне зниження норм річного стоку (більше 10%) спостерігається в нижній течії р. Біюк - Карасу, а також на окремих малих річках північно-східних схилів. Малий вплив штучних водойм в районі північно-східних схилів Гірського Криму пояснюється невеликими площами, займаними водною поверхнею штучних водойм (менше 1%). Отже, з чинників підстильної поверхні за своїм внесом у формування річного стоку річок Гірського Криму найзначущім визнаний природний чинник - закарстованність водозборів.

На основі порівняння норм кліматичного і природного стоку виявлені водозбори, що знаходяться в зоні розвантаження або живлення карсту і вперше надана їх кількісна оцінка.

Розроблена карта ізоліній норм річного кліматичного стоку має велике значення для малих водотоків Степового (Рівнинного) Криму, який практично не освітлений даними спостережень. Встановлення закономірностей розподілу норм кліматичного стоку по висоті дозволяє надавати кількісну оцінку впливу карсту і враховувати її при науковому обгрунтуванні водногосподарських та екологічних проектів.

На базі детерміновано-стохастичної моделі побутового стоку встановлені “функції відгуку” водозборів на створення штучних водойм, за якими виконана оцінка змін водних ресурсів за рахунок додаткового випаровування з водної поверхні штучних водойм та отримані коефіцієнти антропогенного впливу. Показано, що найбільш суттєве зменшення водних ресурсів при наявності на водозборах штучних водойм відбувається у східній частині Кримського півострова. Розроблена методика відкриває можливості для передбачення змін водних ресурсів Криму в результаті розширення масштабів водногосподарських перетворень. Усі запропоновані методики, побудовані на базі метеорологічної інформації, можуть бути застосовані для оцінки наслідків глобального потепління на основі сценаріїв зміни глобального клімату.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Лобода Н.С., Нгуен Ле Минь. Оценка норм максимально возможного испарения для территории Крымского полуострова // Міжвід. наук. зб. України. - Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - Одеса. - 2002. - Вип. 44. - С. 181 - 186.

Лобода Н.С., Нгуен Ле Минь. Оценка норм годового стока на основе уравнения водно-теплового баланса для территории Крымского полуострова // Міжвід. наук. зб. України. - Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - Одеса. - 2003. - Вип. 47. - С. 202 -208.

Нгуен Ле Минь, Лобода Н.С. Оценка вклада карстовых вод в формирование годового стока рек Горного Крыма с использованием метеорологической информации // Міжвід. наук. зб. України. - Метеорологія, кліматологія та гідрологія. - Одеса. - 2002. - Вип. 48. - С. 425 - 434.

Нгуен Ле Минь. Оценка норм естественного годового стока рек Горного Крыма на основе уравнения водно-теплового баланса // Тези доповідей до міжнародної конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища - 2002”. - Одеса. - 2002. - С.196 -197.

Loboda N., Nguen Le Min. Multifractal analysis of annual runoff features for mountain rivers (an example of the Dniester and Crimian rivers) // Book of abstracts an international conf. Fractal in hydrosciences. - Centro Stefano Franscini, Monte Verita, Ascona (Switzerland). - 2003. - P.102.

Нгуен Ле Минь. Оценка вклада карстовых вод в формирование годового стока рек Горного Крыма с использованием метеорологической информации // Матеріали IV наукової конференції молодих вчених. Одеса. - 2004. - С.79-81.

АНОТАЦІЇ

Нгуєн Ле Мінь. Річний стік річок Кримського півострова. - Рукопис.

Дісертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. - Спеціальність 11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2005.

Дисертація присвячена проблемам розрахунку і географічного узагальнення характеристик річного стоку річок Кримського півострова в природних і порушених господарською діяльністю умовах. Для вирішення поставлених задач автором реалізований комплексний підхід, запропонований Є.Д.Гопченком і Н.С.Лободою, який передбачає використання моделей “клімат - підстильна поверхня - природний стік - водогосподарські перетворення - побутовий стік”. В основу моделі клімат-стік покладено модифіковане рівняння водно-теплового балансу. Моделювання впливу втрат на додаткове випаровування з водної поверхні штучних водоймищ виконане на базі детерміновано-стохастичної моделі побутового стоку, розробленої Н.С. Лободою. Результатами досліджень є оцінка і просторове узагальнення характеристик природного річного стоку річок Кримського півострова, виконане на базі метеорологічних даних; кількісні оцінки впливу карсту на річний стік, оцінки впливу додаткового випаровування з водної поверхні штучних водоймищ і методика розрахунку коефіцієнтів антропогенного впливу у вигляді розроблених “функцій відгуку” водозборів на створення штучних водоймищ.

Ключові слова: клімат, підстильна поверхня, річний стік, водогосподарські перетворення, коефіцієнти антропогенного впливу.

Нгуен Лe Минь. Годовой сток рек Крымского полуострова. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. - Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2005.

Диссертация посвящена проблемам расчета и географического обобщения характеристик годового стока рек Крымского полуострова в естественных и нарушенных хозяйственной деятельностью условиях. Рассмотрена Равнинная (Степная) часть исследуемой территории, где данные наблюдений за естественным и нарушенным хозяйственной деятельностью стоком практически отсутствуют, а также Горная часть, где пространственные обобщения стока затруднены вследствие сложного взаимодействия естественных и антропогенных факторов подстилающей поверхности. Географические обобщения наблюденных данных по стоку представлены в виде районирования по синхронности колебаний годового стока, выполненного на основе Q-модификации факторного анализа; районирования статистических параметров, определяемых с малой степенью достоверности на основе группового анализа исходных данных с определением случайной и географической составляющих пространственной дисперсии, а именно коэффициентов автокорреляции и соотношения ; районирования норм годового стока рек Горного Крыма по характеру их распределения с высотой местности. Исследована статистическая структура рядов с использованием методов автокорреляционного и фрактального анализа. Показана связь между характеристиками автокорреляционных функций и фрактальными размерностями.

Ключевым моментом географических обобщений, предложенных автором, является использование модели “климат - сток”, разработанной в Одесском государственном экологическом университете под руководством Е.Д.Гопченко и Н.С. Лободы. Базисом этой модели является метод водно-теплового баланса (В.С. Мезенцев, 1969) модифицированный и адаптированный для Украины. Норма годового стока, рассчитанная по уравнению водно-теплового баланса, является зональной характеристикой водных ресурсов, отражающей закономерности распределения климатических факторов - теплоэнергетических ресурсов климата и увлажнения, и называется климатической. Географические обобщения представлены в виде карт изолиний норм годового максимально возможного испарения, осадков, стока. Для Горного Крыма выполнено районирование этих характеристик с учетом закономерностей их изменения по высоте. В результате в распределении норм климатического стока выделено в Горном Крыму выделено три района. Использование метеорологической информации для расчетов стока позволило установить основные закономерности распределения годового стока, обусловленные исключительно влиянием климатических факторов. Для территории Крымского полуострова такой подход к оценке его естественных водных ресурсов применен впервые. Выделение “климатической составляющей” в пространственном распределении стока позволило дать количественную оценку такому значительному фактору подстилающей поверхности как карст. Коэффициенты влияния карста получены посредством сопоставления норм естественного и климатического стока. На основе количественной оценки влияния карста выделены водосборы, находящиеся в области разгрузки или питания карста.

Полученная карта изолиний норм годового климатического стока, зависимости этой величины от высоты местности имеют большое практическое значение при оценке естественных водных ресурсов неизученных или подверженных существенным водохозяйственным преобразованиям водосборов как Степного, так и Горного Крыма.

Территория Крымского полуострова находится под воздействием различных факторов антропогенного влияния, среди которых основное место занимает регулирование стока посредством создания искусственных водоемов. Влияние искусственных водоемов на формирование годового стока проявляется, прежде всего, в потерях стока на дополнительное испарение с водной поверхности прудов и водохранилищ. Автором выполнена реализация и дальнейшее развитие детерминированно-стохастической модели бытового стока (Лобода, 2004) применительно к территории Крымского полуострова. При этом норма климатического стока рассматривается как базис моделирования. В результате имитационно-стохастического моделирования получены “функции отклика” статистических параметров годового стока на дополнительное испарение с водной поверхности искусственных водоемов. Для рек Горного Крыма полученные связи климатических факторов и стока с высотой положены в основу методики оценки норм бытового стока горных районов в зависимости от высоты местности и заданных масштабов водохозяйственных преобразований. Показано, что наибольшее влияние потерь на дополнительное испарение с водной поверхности искусственных водоемов проявляется в пределах равнинной территории и восточной части Горного Крыма.

Ключевые слова: климат, подстилающая поверхность, годовой сток, водохозяйственные преобразования, коэффициенты антропогенного влияния.

Nguyen Le Minh. Annual runoff of Crimean peninsula's rivers. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 11.00.07 - land hydrology, water resources, hydrochemistry. - The Odessa State Environmental University, Odesa, 2005.

Manuscript is devoted to the problems of calculation and geographical generalization of descriptions of annual runoff of the Crimean peninsula of rivers under natural and watermanagement conditions. Author realizes the complex approach offered Gopchenko E.D. and Loboda N.S. for the decision the set problems, which foresees the use of models “climate - laying surface - natural runoff - water management transformation - lifeconditioned runoff”. Equation of water-thermal balance is the base of “climate-runoff” model. The modeling of influencing of losses on additional evaporation from the water surface of artificial reservorsis were madeon the base of determined-stochastic model of lifeconditioned runoff, developed by N.S. Loboda. The results of researches are estimation and spatial generalization of charactrristics of natural annual runoff of the Crimean peninsula's rivers, made on the base of meteorological information; quantitative estimations of influencing of karst on annual runoff, estimations of influencing of additional evaporation from the water surface of artificial reservoirs and method of calculation of coefficients of the antropogenic influencing as the “response functions ” of watersheds on creation of artificial reservoirs.

Key words: climate, laying surface, annual runoff, watermanagement transformations, coefficients of the antropogenic influence.

Размещено на Allbest.ru