Річний стік річок Кримського півострова в умовах антропогенних перетворень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний екологічний університет

УДК 556.165

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

Річний стік річок Кримського півострова в умовах антропогенних перетворень

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Отченаш Наталія Дмитрівна

Одеса 2011

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Водні ресурси Криму є однією з його головних скарбниць, і до будівництва Північно-Кримського каналу були основним джерелом вирішення екологічних та соціальних проблем (продовольство, здоров'я, енергія), які в спільній концепції стійкого розвитку регіону є пріоритетними серед проблем антикризового характеру. У схему першочергового вирішення цих проблем концептуально вписується проблема раціонального використання водних ресурсів Криму.

В цілому потреби Криму складають близько 2 млрд. кубометрів води. З них близько 85% надходить з р. Дніпро по Північно-Кримському каналу, а останні 15% - внутрішні ресурси (місцеві поверхневі джерела, тобто річки і озера - близько 6%, підземні води - близько 8% і 1% - морська вода). При цьому 81% водних ресурсів використовуються в сільському господарстві, а на долю житлово-комунального господарства припадає всього 15% використаної води, і лише 4% - на потреби промисловості.

Після введення в дію Північно-Кримського каналу більшість річок передгір'я перетворилися на колектори зрошувальних систем.

Різноманітність чинників формування стоку, як природного, так і антропогенного походження, ускладнює аналіз вихідної інформації. Кількісні характеристики водних ресурсів території, оцінені за наявними спостереженими даними, містять у собі результати перетворень, викликаних водогосподарськими заходами, у зв'язку з чим отримали назву характеристик «побутового стоку». До основних чинників антропогенного впливу у Криму можна віднести: зарегулювання стоку штучними водоймами, забір води для водоспоживання її населенням, використання води, що надходить з Північно-Кримського каналу.

Актуальність теми дисертаційної роботи полягає в оцінці водних ресурсів річок Криму для забезпечення водою потреб господарства. Головною характеристикою водних ресурсів території є річний стік річок.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дослідження за участю автора проводився в рамках:

- держбюджетної теми кафедри гідрології суші Одеського державного екологічного університету «Водні ресурси річок України» (№ДР 0103U005145), яка виконувалась у період 2002-2007 рр.;

- держбюджетної теми кафедри гідрології суші Одеського державного екологічного університету «Оцінка та передбачення наслідків антропогенного впливу на водні ресурси річок України» (№ДР 0108U005027), яка виконується з 2008 р.

Мета і задачі дослідження. Головна мета дослідження полягає у визначенні стану водних ресурсів річок Криму в умовах антропогенного впливу на основі математичного моделювання.

Для досягнення мети дослідження необхідно було вирішити такі задачі:

– обґрунтувати вибір математичної моделі;

– обґрунтувати спосіб визначення вхідних параметрів моделі;

– реалізувати модель та провести на її основі імітаційне моделювання;

– розробити «функції відгуку» водозборів на антропогенний вплив;

– оцінити наслідки антропогенного впливу.

Об'єкт дослідження - водні ресурси річок Криму.

Предмет дослідження - оцінка змін водних ресурсів Кримського півострова під впливом антропогенної діяльності.

Методи дослідження - імітаційне моделювання побутового стоку на основі стохастичної та нейромережевої моделей. На вході в модель використані статистичні параметри річного природного стоку, отримані за моделлю «клімат-стік» (Гопченко Є.Д., Лобода Н.С.) та результати просторових узагальнень стоку (Лобода Н.С, Нгуєн Ле Мінь).

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше для території Кримського півострова розроблено:

– імітаційну стохастичну модель річного побутового стоку при використанні води річок для забезпечення водою населення;

– реалізовано нейромережеве моделювання для оцінки наслідків водоспоживання та створення штучних водойм;

– оцінено наслідки глобального потепління в умовах водоспоживання води населенням у степовій частині Криму.

Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості оцінки характеристик річного стоку річок Кримського півострова в залежності від кліматичних умов та рівня водогосподарського користування (кількість населення, величини площ водної поверхні штучних водойм, величини площ зрошування).

Висновки та пропозиції дисертаційної роботи використані у науково-дослідних темах «Водні ресурси річок України» (№ДР 0103U005145) і «Оцінка та передбачення наслідків антропогенного впливу на водні ресурси річок України» (№ДР 0108U005027), які виконувались за участю автора.

Особистий внесок здобувача полягає у подальшій теоретичній розробці та реалізації для Кримського півострова математичних моделей побутового стоку (Лобода Н.С., 2005) на основі базису характеристик природного кліматичного стоку, визначеного за моделлю «клімат-стік» (Гопченко Є.Д., Лобода Н.С., 1998). Основні результати, представлені в дисертації, належать особисто автору. Публікації, в яких вони висвітлюються, написані в співавторстві з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи представлялись на міжнародній конференції молодих вчених «Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины» (м. Севастополь, 2007 р.); міжнародному семінарі «Генетические и вероятностные методы в гидрологии: проблемы развития и взаимосвязи», присвяченому 100-річчю з дня народження доктора технічних наук, професора Бефані А.М. (м. Одеса, 2009 р.); науковій конференції молодих вчених і талановитих студентів «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность» (м. Москва, 2007 р.); II Всеукраїнській молодіжній науковій конференції «Вода - источник жизни на земле» (м. Луганськ, 2008 р.), науковій конференції молодих вчених (ОДЕКУ, 2007, 2008, 2009 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 11 наукових працях, в тому числі в 4 статтях у провідних наукових виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Повний обсяг роботи становить 167 стор., містить 21 рисунок та 10 таблиць, 2 додатки на 16 сторінках, 101 найменування використаних джерел.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, її зв'язок з науковими програмами, темами, сформульовані мета і задачі дослідження, наводяться новизна, практичне значення та апробація одержаних результатів, особистий внесок дисертанта та відомості про його наукові праці.

У першому розділі надається коротка фізико-географічна характеристика Кримського півострова. Значна увага приділена опису різноманітності кліматичних умов у зв'язку з особливостями рельєфу та факторів підстильної поверхні. Підкреслено, що просторовий розподіл кліматичних характеристик клімату у межах Гірського Криму підлягає закону вертикальної зональності.

За характеристиками температурного режиму у «Ресурсах поверхностных вод» у Криму виділено три райони: степова частина з континентальним кліматом, Чорноморське узбережжя та гірський район.

По кількості опадів у «Ресурсах поверхностных вод» виділено чотири райони: північно-західне узбережжя, рівнинно-степова частина Криму, передгірська та гірська частини.

Залісеність та рослинність є інтразональними факторами, які змінюються, головним чином, в залежності від співвідношення припливу тепла та вологи.

Головним азональним фактором, який суттєво впливає на формування водних ресурсів, є карст. Наявність карсту забезпечує перерозподіл приходної частини водного балансу (насамперед, опадів) між водозборами. У зоні живлення карстових вод стік річок може бути менше зонального, який обумовлений кліматичними факторами, а в зоні розвантаження, навпаки, перевищувати зональний річний стік.

Таким чином, такий азональний фактор як карст порушує зональні особливості розподілу водних ресурсів річок.

Дослідження поверхневої та підземної складових річного стоку річок Гірського Криму виконувалось на основі аналізу гідрографів стоку річок за багатоводні, маловодні та середні по водності роки. Шляхом співставлення складових поверхневого та підземного стоку в роки різної водності встановлено, що карст річок Криму не виконує внутрішньорічне регулювання стоку, тобто розподіл стоку різних річок не змінюється в залежності від наявності чи відсутності карсту.

У другому розділі розглядається роль кліматичних факторів та факторів підстильної поверхні у формуванні водних ресурсів Кримського півострова. За основу досліджень прийнята модель «клімат-стік», розроблена в ОДЕКУ для території України під керівництвом професорів Гопченка Є.Д. та Лободи Н.С. Модель побудована за методом водно-теплового балансу (В.С. Мезенцев, 1969 р.) та була адаптована для території Гірського Криму Нгуєн Ле Мінем (2003 р.). Згідно із моделлю «клімат-стік» для території Кримського півострова оцінені та узагальнені у просторі у виді карт ізоліній такі складові рівняння водно-теплового балансу як норми річних опадів та максимально можливе випаровування. Норми річних опадів розглядаються як середні багаторічні характеристики ресурсів зволоження території; норми максимально можливого випаровування - як теплові ресурси території, що забезпечують процес випаровування з поверхні суші.

Оскільки ці характеристики мають значний градієнт у гірській зоні, Нгуєн Ле Мінем були розроблені регіональні залежності змін норм опадів та максимально можливого випаровування з висотою місцевості. Для Гірського Криму за характером висотного розподілу норми річних опадів виділено два райони: Західний та Східний, границя між якими проходить по вододілу р. Салгір, що увійшла до Східного району.

При аналізі розподілу максимально можливого випаровування з висотою місцевості виділене у окремий район південно-західне узбережжя Гірського Криму. На іншій території зберігається загальна залежність теплоенергетичних ресурсів клімату від висоти місцевості (Лобода Н.С., Нгуєн Ле Мінь, 2003 р.).

За отриманими закономірностями розподілу кліматичних факторів (норми річних опадів та теплоенергетичного еквіваленту) були визначені норми річного «кліматичного» стоку, тобто стоку, розрахованого за рівнянням водно-теплового балансу. Вхідними даними для розрахунків є середні висоти водозборів, за якими на основі порайонних залежностей та розраховувались норми річного стоку .

Слід зазначити, що отриманий розподіл норм кліматичного стоку з висотою місцевості відображає закономірності розподілу кліматичних факторів без урахування впливу факторів підстильної поверхні.

Таким чином, норми кліматичного стоку річок, визначені за допомогою карти ізоліній для Степового Криму, або за регіональними залежностями для Гірського Криму, є характеристиками зонального розподілу водних ресурсів Кримського півострова у природних, тобто непорушених водогосподарською діяльністю умовах.

Оцінка сумарного впливу підстильної поверхні на формування річного стоку була виконана шляхом співставленням норм кліматичного та природного стоку. Встановлені коефіцієнти впливу підстильної поверхні можна розглядати, перш за все, як характеристику впливу карсту.

Підземні (тріщинно-карстові) води у Гірському Криму виходять на поверхню у вигляді джерел, які живлять поверхневі водотоки. У Гірському Криму налічують 2605 джерел із загальним дебітом 10350 м³/с або 326 млн. м³ за рік («Устойчивый Крым. Водные ресурсы» під ред. Тимченко З.В., м. Сімферополь, 2003). Середні багаторічні величини дебіту джерел є показниками впливу карсту на формування річного стоку для водозборів, розташованих в області живлення річки. За матеріалами про дебіт джерел, наведених у роботі Тимченко З.В. (2002 р.), та розрахованими коефіцієнтами впливу карсту встановлена емпірична регіональна залежність для оцінки впливу карстових утворень на норму річного стоку, яка описується залежністю:

, (1)

де - дебіт джерел, м³/с; - висота водозбору, км; - площа водозбору, км; - коефіцієнт множинної кореляції.

Залежність відображає зростання стоку у річці в залежності від зростання дебіту джерела: чим більше дебіт джерела, тим більший вплив карсту. Джерела розташовані переважно у витоках річок. Тому із зростанням площі водозбору вплив зони розвантаження карсту буде зменшуватися. Слід зазначити, що рівняння (1) отримано на основі методу лінійної множинної регресії з покроковим вибором предикторів з використанням даних по річках, де вплив зони розвантаження карсту встановлений в результаті багаторічних гідрологічних та гідрогеологічних досліджень.

У третьому розділі надається опис математичних моделей стоку за якими передбачається планування та управління водними ресурсами. При цьому виділяється два головних класи: оптимізаційні та імітаційні. Оптимізаційні математичні моделі дозволяють отримати найвигідніші для роботи об'єкту характеристики (модель роботи багатоцільового водосховища, Гарвардська водна програма), імітаційні - відтворити поведінку водогосподарської системи, використовуючи комплекс варіантів вхідних даних, взаємодія між якими враховується в моделі. Класифікація математичних моделей за фактором випадковості передбачає їх поділ на детерміністичні та стохастичні.

Стохастична природа процесів, що обумовлюють формування річного стоку, відкриває можливості до ймовірнісного опису річного стоку. Водоспоживання у багатьох випадках також має стохастичний характер. Ця обставина дозволила представити рівняння водогосподарського балансу у стохастичному виді: річний природний стік генерується за моделлю трипараметричного гама-розподілу із використанням лінійної кореляції між забезпеченостями суміжних років, ураховується стохастична природа складових водогосподарських балансів, зв'язаних із коливаннями клімату (норми зрошування, додаткове випаровування з поверхні штучних водойм, норми водоспоживання). Значення водних ресурсів у момент часу t можна розглядати як результат змін початкових водних ресурсів під впливом водогосподарської діяльності та змін глобального клімату (Лобода Н.С., 2005 р.):

, (2)

де - початковий стан водних ресурсів; - оператор перетворення стоку у межах водозбору; - зовнішній вплив на формування річного стоку, який представляє собою зміни клімату.

У природно-технічних системах складова характеризує початковий стан гідрологічної системи в непорушених господарською діяльністю умовах, а оператор враховує зміни стоку в результаті водогосподарських перетворень на водозборах.

У загальному випадку оператором перетворення може бути складова рівняння водогосподарського балансу , яка показує зміни водності річки у роки різної забезпеченості в залежності від характеристик водогосподарської діяльності, які не є випадковими величинами і не пов'язані з водністю:

, (3)

де - характеризує ту частину складової водогосподарського балансу, яка залежить від кліматичних умов та має стохастичну природу (наприклад, втрати на випаровування з водної поверхні, дефіцит споживання води рослинами та інш.); - характеризує невипадкові складові водогосподарських балансів.

Використання стохастичної моделі виду (3) дозволяє програвати безліч водогосподарських ситуацій на водозборах у заданих кліматичних умовах.

У четвертому розділі розглядаються стохастичні моделі річного побутового стоку, розроблені Лободою Н.С. (2005). Основою моделювання є рівняння (3). - річний стік заданої забезпеченості P в природних (непорушених водогосподарською діяльністю) умовах. Стохастичне моделювання природного річного стоку полягало у генеруванні рядів річного природного стоку згідно із його статистичними параметрами (, Cv, Cs, Cs/Cv та r(1)). Для визначення статистичних параметрів річного природного стоку були використані просторові узагальнення норм кліматичного стоку у вигляді карти ізоліній (Гопченко Є.Д., Лобода Н.С., 2005 р.); регіональних залежностей норм кліматичного стоку від висоти місцевості (Лобода Н.С., Нгуєн Ле Мінь, 2003 р.) та районування статистичних параметрів на основі методу сумісного аналізу даних (Лобода Н.С., 2005 р.).

Генерування рядів природного стоку відбувалося за стохастичною моделлю простого ланцюга Маркова. Нами був використаний вид стохастичної моделі, що спирається на наявність кореляції між суміжними значеннями забезпеченостей з подальшим переходом до величин стоку, що підпорядковується трипараметричному гама-розподілу (Раткович Д.І., Болгов М.В., Інститут водних проблем РАН, Росія, м. Москва).

Величина розраховується за допомогою водогосподарських балансів водозборів. У стохастичній моделі побутового річного стоку при наявності на водозборі штучних водойм базовим є рівняння водогосподарського балансу виду, яке ураховує втрати на додаткове випаровування з водної поверхні штучних водойм:

. (4)

де - кліматична складова водогосподарського балансу, має ймовірнісну природу, як і річний стік ; - антропогенна (невипадкова) складова водогосподарського балансу.

Результатом імітаційного моделювання стали функції відгуку характеристик річного стоку на збільшення відносної площі водної поверхні штучних водойм в залежності від загальної водності водозбору, яка представлена величиною :

; (5)

; (6)

; (7)

(8)

(9)

(10)

де - коефіцієнт кореляції, отриманий після логарифмування змінних.

Для гірських водозборів можна також використовувати залежність, де кліматичні умови відображаються співвідношенням ресурсів тепла та вологи (Лобода Н.С., Нгуєн Ле Мінь, 2005):

(11)

За розробленими функціями були розраховані статистичні параметри річного стоку гірських та передгірських водозборів. Установлено, що по мірі зростання площі водної поверхні штучних водойм норма стоку зменшується, а коефіцієнти варіації та асиметрії збільшуються.

Для стохастичної моделі річного побутового стоку при наявності втрат на забезпечення водою населення рівняння водогосподарського балансу у ймовірнісному вигляді представляється як:

, (12)

де , - побутовий і природний стік із заданою забезпеченістю, ; Р - величина забезпеченості; - норма водоспоживання, л/(люд/добу); - кількість населення, люд.; - площа водозбору, км²; - коефіцієнт розмірності (=3,16).

У цьому рівнянні стохастичну природу має величина , яка зростає по мірі переходу від зони достатнього зволоження до недостатнього та має забезпеченість 100-Р. У той же час кількість населення є невипадковою складовою водогосподарських балансів. Таким чином, оператор водогосподарського перетворення представляє собою другу складову рівняння (3), до якої входить випадкова величина та невипадкові складові та .

На першому етапі досліджень моделювання виконувалось для окремих міст Кримського півострова. Норми водоспоживання визначалися окремо для багатоводних, середніх за водністю та маловодних років.

В результаті імітаційного числового моделювання були отримані залежності середніх багаторічних величин стоку та коефіцієнтів варіації від кількості населення для найважливіших міст Криму (Сімферополь, Севастополь, Ялта).

Установлено, що середні багаторічні величини стоку зменшуються із ростом населення міст, а коефіцієнт багаторічної мінливості зростає.

Для рівнинних областей імітаційні експерименти виконувались окремо у межах зміни норм кліматичного річного стоку від 140 мм до 10 мм, та зміни середніх багаторічних норм водоспоживання від 304 л/(люд/добу) в Українському Поліссі до 426 л/(люд/добу). Імітаційні експерименти проводились для різних площ водозборів (100 - 50000 км²) та різної кількості населення (1000-1,5 млн. чол.). Результати імітаційного моделювання були узагальнені на основі методу множинної лінійної регресії з покроковим вибором предикторів та отримано рівняння виду:

, (13)

яке дозволяє визначати середню багаторічну величину річного стоку при заборі води на потреби населення.

При вилученні води з метою зрошування за рахунок місцевого стоку імітаційна стохастична модель має вигляд:

. (14)

При наявності зворотних (скидних) вод зі зрошуваних масивів

, (15)

де - побутовий та природний стік зі заданою забезпеченістю, мм; - сумарна площа зрошуваних масивів, які виражені в долях від загальної площі водозбору; - коефіцієнт зворотних вод, які утворилися за рахунок втрат стоку при його перекиданні по каналам зрошувальної системи; - коефіцієнт корисної дії зрошувальної системи; - зрошувальна норма-нетто з вірогідністю перевищення 100-Р.

Складовою частиною (14) та (15) є зрошувальна норма-нетто, яка була визначена Лободою Н.С. для різних кліматичних умов.

Характер побудованих по змодельованим рядам кривих , та визначається вихідними кліматичними умовами і масштабом водогосподарських перетворень. Зі збільшенням відносних площ fЗР, відведених під зрошування, відбувається зниження коефіцієнтів Сv і Сs. З переходом в більш посушливі райони природні водні ресурси зменшуються, і їх реакція на один і той же рівень антропогенної дії стає більш інтенсивним.

У той же час чим більше оптимальне зволоження ґрунту, необхідного для проростання сільськогосподарських культур, тим більшу кількість води необхідно вилучити з місцевого стоку з метою зрошення, і тим більший об'єм скиду вод по дренажно-колекторній мережі. Таким чином, наявність скиду колекторно-дренажних вод з поверхні призводить до збільшення середньої багаторічної величини річного стоку та зменшення коефіцієнтів варіації та асиметрії.

Функції відгуку водних ресурсів на водогосподарські перетворення представляються у виді аналітичних або графічних залежностей статистичних параметрів річного стоку від масштабів водогосподарських перетворень. Для практичного застосування використовується коефіцієнт антропогенного впливу КА:

, (14)

де - значення параметру річного стоку в умовах водогосподарських перетворень; - значення відповідного параметру у природних умовах.

Коефіцієнти антропогенного впливу можуть бути використані для оптимізаційного моделювання роботи водогосподарських систем з метою виявлення найбільш сприятливих умов їхньої роботи, або, навпаки, для визначення граничних масштабів водогосподарських перетворень. Так, КУ=0,9 указує на границю появи статистично значущих змін водних ресурсів, КУ=0,5 є показником руйнування водних ресурсів, а при значенні 0,3 - показником безповоротних змін, при яких відновлення водних ресурсів стає неможливим.

Установлено, що корінне руйнування природних водних ресурсів Степового Криму може статися при відносній площі , зайнятої штучними водоймами, що дорівнює 4,5%. При цьому слід зазначити, що для більшості річок даного регіону величина менше 1%. Для річок північно-західних схилів Гірського Криму втрати на додаткове випаровування з водної поверхні штучних водойм незначні і знаходяться в межах точності розрахунку норм річного стоку. Отримані результати узгоджуються з висновками про неістотний вплив додаткового випаровування з водної поверхні, зробленими в роботах Тимченко З.В. Для більшої частини річок північно-східних схилів коефіцієнт антропогенного впливу більший за точність розрахунків норм річного стоку. Для території Гірського Криму невідновлювані зміни водних ресурсів будуть спостерігатися за умови, якщо площа штучних водоймищ становитиме не менше п'яти відсотків від загальної площі водозбору.

Можливість забезпечення водою населення за рахунок місцевих водних ресурсів визначається як її кількістю, так і розмірами водозборів.

Так, річки Салгір та Малий Салгір можуть забезпечити водою населення, кількість якого не перевищує 230 тис. чол., в той час як населення м. Сімферополь складає понад 363,6 тис. чол. Для р. Чорна невідновлювані зміни будуть спостерігатися при забезпеченні 300 тис. чол. водою, а в м. Севастополь проживає близько 340 тис. жителів. Для м. Ялта з чисельністю населення понад 144 тис. водних ресурсів р. Учан-Су та Дерекойка також недостатньо. Їх водності вистачить лише для 140 тис. чол. Тому було побудовано ряд водосховищ для вирішення проблеми водопостачання міст Криму. Для м. Сімферополь вода надходить з Аянського, Сімферопільського, Партизанського та Міжгірного водосховищ; для м. Севастополя - з Чорнорічинського та Міжгірного водосховищ. Для м. Ялта вода надходить через тонельд довжиною в 7,5 км в з Щасливенського та Загірського водосховищ.

Коефіцієнт антропогенного впливу при зрошуванні сільськогосподарських масивів за рахунок стоку річок-донорів можуть був розрахований за наступним регресійним рівнянням [Лобода Н.С., Шахман І.О., 2010]

(15)

де - коефіцієнти впливу зрошування за рахунок річки-донора на статистичний параметр А; - коефіцієнти рівнянь множинної регресії.

В умовах зрошення за рахунок річки-донору встановлено, що невідновлювані зміни водних ресурсів будуть спостерігатися при поливі сільськогосподарських масивів, на яких вирощуються вологолюбиві рослини, такі як рис, що мають рівень оптимального зволоження близький до 1.

Як показали результати стохастичного моделювання, забір води з місцевих водних ресурсів на потреби населення призводять до руйнування водних ресурсів. Тому при сумісному врахуванні впливу факторів господарської діяльності він не брався до уваги. Розрахунок виконувався на основі наступного виразу:

(16)

річний стік антропогенний перетворення

де , , - коефіцієнти, що кількісно враховують антропогенний вплив на статистичні параметри річного стоку; - значення параметру побутового стоку при заданих показниках антропогенного впливу; - значення того чи іншого статистичного параметру річного стоку в природних умовах.

Сумарний вплив антропогенної діяльності був виконаний на прикладі р. Самарлі (степова частина Криму), р. Зуя (передгірська територія), р. Салгір (Гірський Крим). Сумарний вплив антропогенної діяльності для р. Самарлі вказує, що середня багаторічна величина стоку зменшується на 10%, а коефіцієнт асиметрії збільшується на 10%. У теперішній час р. Самарлі використовується як колектор ГК-46. Для р. Зуя спостерігається зниження річного стоку на 12%, а на р. Салгір відбувається збільшення норми річного стоку на 8%, що забезпечується за рахунок зворотних вод.

У п'ятому розділі виконана реалізація нейромережевої моделі для визначення впливу водогосподарської діяльності на річний стік. За допомогою нейронної мережі можна вирішити наступний ряд задач: класифікація та кластеризація образів, апроксимація функцій, прогноз, оптимізація, управління та пам'ять, що адресується.

Нейромережеве моделювання слід застосовувати у тих випадках, коли невідомий точний вид зв'язків між входами та виходами, який установлюється в процесі навчання. Для застосування нейронної мережі потрібно сформувати навчальні вибірки. При цьому виділяють два головних класи даних: один використовується для навчання, а інший - для тестування мережі. Апробація моделі виконується на вибірках, що не включалися в процес навчання.

Для здійснення нейромережевого моделювання використовувався алгоритм зворотного поширення похибки, що міститься у пакеті Neural Network, Matlab.

На вхід в мережу подається перший вхідний зразок. Для нього спочатку розраховується сумарний вхід з певними ваговими коефіцієнтами:

, (17)

де - вхідний зразок; - матриця вагових коефіцієнтів, яка відображає зв'язок між процесорами.

Комбінований сигнал перетворюється функцією, яка називається функцією активності . Найчастіше використовується сигмоїдальна функція виду

. (18)

Перетворений кожним елементом вхідний сигнал передається іншим елементам, або в наступний шар. Цей процес повторюється для всіх шарів нейронної мережі. Якщо різниця між реальним та цільовим виходом мережі більше допустимої, то для кожного шару розраховується помилка та корегуються вагові коефіцієнти, починаючи від останнього (вихідного) шару. Цей процес виконується на основі алгоритму зворотного поширення похибки. Правило корекції похибки називається правилом Відроу-Хоффа. Похибка розраховується як:

, (19)

де - цільовий вихід нейронної мережі.

Величина для корегування вагових коефіцієнтів визначається формулою

, (20)

де - норма навчання; - похибка на виході j-го шару; j - наступний шар.

В роботі нейромережеве моделювання використовувалось для оцінки впливу додаткового випаровування з водної поверхні штучних водойм та в умовах забору води з місцевих водних ресурсів для потреб житлово-комунального господарства. Так як для роботи з нейронною мережею необхідні вхідні та вихідні дані, то як вихідні при навчанні використовувались результати стохастичного моделювання. При моделюванні стану водних об'єктів в умовах додаткового випаровування з поверхні штучних водойм використовувався наступний набір даних: норма кліматичного стоку, співвідношення ресурсів тепла та вологи, відносна площа штучних водойм; на виході - вибірки у вигляді коефіцієнтів антропогенного впливу. Необхідно відмітити, що моделювання для рівнинної та передгірської частин Кримського півострова проходили окремо від гірської частини.

При моделюванні стану водних об'єктів при наявності на водозборі забору води з місцевих водних ресурсів для цілей забезпечення населення водою використовувався наступний набір даних: кількість населення, площа водозбору, норма кліматичного стоку, середня висота водозбору, норма водокористування.

Навчання нейромережі виконувалось по даним про споживання води населенням на річках Салгір, Малий Салгір, Дерекойка та Учан-Су. Під час процесу навчання похибка розрахунку становила 0,01-0,02. Тестування нейромережевої моделі відбувалося на даних р. Улу-Узень - м. Алушта. Середнє відносне відхилення розрахункових (за нейромережевою моделлю) та фактичних даних становить 6,44%.

У шостому розділі розглядається оцінка водних ресурсів в умовах змін глобального клімату.

У сучасності розроблені і реалізуються два незалежних підходи до прогнозування клімату майбутнього.

Перший підхід, теоретичний, полягає в моделюванні клімату за допомогою відповідних моделей загальної циркуляції атмосфери. Другий підхід, емпіричний, заснований на аналізі кліматичних умов минулого.

Нами була використана детерміновано-стохастична модель річкового водозбору в системі «клімат -- водні ресурси», яка розроблена на базі методу водно-теплового балансу і стохастичної моделі побутового стоку. Розв'язання задачі досягається шляхом урахування у моделі змін кліматичних факторів - опадів та температур.

Визначення середніх багаторічних величин річного стоку у нових кліматичних умовах відбувалося на основі рівняння водно-теплового балансу за багаторічний період, кліматичні складові якого коректувалися згідно з даними сценаріїв таким чином

, (22)

де - норма річного стоку в змінених кліматичних умовах, розрахованого за метеорологічними даними, мм; - норма максимально можливого випаровування, яка визначається температурою повітря, мм; - вхідна норма сумарних річних опадів, мм; - зміна сумарних опадів за сценаріями, мм; - зміна температур повітря, яка визначає величину максимально можливого випаровування, 0С; n - інтегральний показник, який відображає умови формування стоку на водозборі й приймається рівним 3.

У дисертаційній роботі на вході в модель використані кліматичні сценарії GISS, GFDL, CCCM та UKMO для умов миттєвого подвоєння забруднювальних газів в атмосфері та сценаріїв нестаціонарної моделі GFDL. Використані вхідні дані наведені у вигляді змін кліматичних показників по природнокліматичних зонах (Північний та Південний Степ), які у найбільшій мірі підлягають антропогенному впливу. Розрахунок за наведеними моделями проводився в умовах споживання води населенням для різних площ водозборів (1000- 3000 км²) та різної кількості населення (5 тис.-1 млн. чол.), отриманих в результаті стохастичного моделювання. Аналізуючи отримані результати, можна відзначити, що річки з площею водозбору до 1000 км² спроможні забезпечити населений пункт з чисельністю не більше 50 тис. чол. - для північного Степу, та 5 тис. чол. - для Південного Степу. Для водогосподарських систем з площею 2000-3000 км² цей показник (кількість населення) дещо зростає. Так, для Північного Степу він становить 100 тис. чол., а для Південного - 50 тис.

Висновки

У дисертації надається вирішення задачі розрахунків характеристик річного стоку Кримського півострова в умовах водогосподарських перетворень та змін глобального клімату.

В результаті виконаної роботи можна зробити такі висновки:

1. Просторово-часові узагальнення характеристик річного стоку річок Криму виконані на основі моделі «клімат-стік» і використані у подальшому як базис імітаційного моделювання річного побутового стоку. Згідно із даними моделі «клімат-стік» територія рівнинного Криму представлена картою ізоліній норм річного стоку, а для Гірського Криму запропоновані регіональні залежності кліматичних факторів та річного кліматичного стоку від висоти місцевості.

2. Перехід від кліматичного до природного стоку для території Гірського Криму здійснюється з урахуванням впливу карсту. Карст розглядається як основний природний чинник впливу підстильної поверхні для досліджуваної території. В роботі отримано рівняння коефіцієнта впливу карсту на основі методу лінійної множинної регресії з покроковим вибором предикторів.

3. Зроблена оцінка поверхневої та підземної складових річного стоку річок Гірського Криму. Дослідження виконувалось на основі аналізу гідрографів стоку річок за багатоводні, маловодні та середні за водності роки. Шляхом співставлення складових поверхневого та підземного стоку в роки різної водності встановлено, що карст річок Криму не виконує внутрішньорічне регулювання стоку.

4. Виконано оцінку впливу додаткового випаровування з поверхні штучних водойм на характеристики річного стоку Кримського півострова на основі імітаційного стохастичного моделювання побутового стоку для Передгірської та Гірської частин. Встановлено, що невідновлювані зміни водних ресурсів будуть спостерігатися за умови, що площа штучних водойм перевищує 5%. Найбільші наслідки додаткового випаровування з поверхні штучних водойм спостерігаються на території Степового Криму. Так, поява статистично значущих змін тут буде відбуватися за умови, що площа штучних водойм становитиме 1% від загальної площі водозбору. В даний час ця величина наближається до критичного значення, при якому зміни водних ресурсів становитимуть 10%.

5. Розроблена стохастична модель побутового річного стоку при наявності водоспоживання води населенням та отримано функції відгуку водозбору на забір води з метою забезпечення населення. Головними чинниками впливу даного антропогенного фактору є кількість населення та площа водозбору. Отримані функції відгуку дозволили зробити висновок, що водних ресурсів річок Гірського Криму недостатньо для забезпечення водою населення. Так, наприклад, водність р. Малий Салгір знижується до нульового значення при забезпеченні водою міста чисельністю в 5000 чол., в той час як в м.Сімферополь налічується близько 364 тис. чол. Для збільшення об'єму забору води на потреби населення створено ряд регулюючих водосховищ: Сімферопольське, Щасливинське, Загірське, Аянське, Партизанське та Міжгірне.

6. Виконано оцінку впливу зрошування на характеристики річного стоку Кримського півострова. На основі імітаційної стохастичної моделі річного побутового стоку виконано оцінку впливу зрошування за рахунок місцевих водних ресурсів та за рахунок річки-донора (Дніпра), води якого перекидаються з півночі на південь Північно-Кримським каналом. На прикладах показано, що річний стік малих водотоків Степового Криму не здатний забезпечити наповнення штучних водойм, що створювалися у минулі роки на базі місцевих водних ресурсів. Рішення проблеми водозабезпечення можливе лише при заповненні штучних водойм водами р. Дніпро (Північно-Кримський канал).

7. Запропоновано застосовувати нейромережеві моделі для розробки моделей побутового стоку водних ресурсів на такі водогосподарські заходи як додаткове випаровування з водної поверхні штучних водоймищ та водоспоживання води населенням. Перевага нейромережевого моделювання полягає в оперативному отриманні функцій відгуку після навчання мережі. Апробація моделей виконана шляхом порівняння результатів нейромережевого та стохастичного моделювань. Відносна середня квадратична похибка складає 4,66 %.

8. Виконана оцінка стану водних ресурсів Кримського півострова в умовах глобального потепління на основі стохастичної моделі природного та побутового стоку (водоспоживання води населенням). Водоспоживання води населенням є значущим фактором антропогенного впливу, оскільки при глобальному потеплінні необхідна кількість води, яка може забезпечити водою населенні пункти, значно зростає. Показано, що передбачувані за сценаріями зміни клімату погіршують водну ситуацію на Кримському півострові.

9. Результати дисертаційної роботи мають значення для розрахунків та прогнозів характеристик річного стоку Степового та Гірського Криму при проектуванні, експлуатації та оптимізації роботи гідрологічних, водогосподарських та гідротехнічних об'єктів. А також можуть бути використані у навчальному процесі бакалаврської та магістерської підготовки з гідрологічних, гідротехнічних, гідромеліоративних та природоохоронних спеціальностей; при дослідженнях характеристик стоку підрозділів гідрометеорологічної служби, водного господарства, охорони навколишнього середовища.

Список опублікованих наукових праць за темою дисертації

1. Лобода Н.С. Моделирование рядов бытового стока при наличии водопотребления за счет местных водных ресурсов / Н.С. Лобода, Н.Д. Довженко // Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2006. - Вип. 3. - С. 151-159.

2. Лобода Н.С. Моделирование бытового стока при наличии водопотребления за счет местных водных ресурсов с применением нейронных сетей / Н.С. Лобода, Н.Д. Довженко // Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2008. - Вип. 5. - С. 142-149.

3. Лобода Н.С. Оценка подземного стока рек Горного Крыма на основе гидрометрических данных / Н.С. Лобода, О.И. Шаменкова, Н.Д. Довженко // Український гідрометеорологічний журнал. - 2008. - Вип. 3. - С. 148-145.

4. Лобода Н.С. Вплив водоспоживання води населенням на стан водних ресурсів України в умовах змін глобального клімату / Н.С. Лобода, Н.Д. Отченаш // Вісник Одеського державного екологічного університету. - 2009. - Вип. 7. - С. 170-175.

5. Довженко Н.Д. Отклик водных ресурсов Крымского полуострова на водопотребление населения / Н.Д. Довженко // Матеріали VII наукової конференції молодих вчених. - Одеса, 2007. - С. 26.

6. Довженко Н.Д. Моделирование рядов бытового стока при наличии водоиспользования за счет местных водных ресурсов / Н.Д. Довженко // Международная конференция «Современные проблемы рационального природопользования в прибрежных морских акваториях Украины». - Севастополь, 2007. - С. 95-96.

7. Довженко Н.Д. Стохастическое моделирование бытового стока в условиях водохозяйственных преобразований / Н.Д. Довженко // Научная конференция молодых ученых и талантливых студентов «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность». - М., 2007. - С. 113-116.

8. Довженко Н.Д. Принципи застосування нейромереж до моделювання побутового стоку / Н.Д. Довженко // Матеріали VIII наукової конференції молодих вчених. - Одеса, 2008. - С. 39.

9. Довженко Н.Д. Применение нейронных сетей для моделирования бытового стока р. Салгир - г. Симферополь в условиях водопотребления за счет местных водных ресурсов / Н.Д. Довженко, Н.С. Лобода // II Всеукраинская молодежная научная конференция «Вода - источник жизни на Земле». - Луганск, 2008. - С. 51-53.

10. Отченаш Н.Д. Перспективи водоспоживання при зміні клімату Кримського степу / Отченаш Н.Д. // Матеріали IX наукової конференції молодих вчених. - Одеса, 2009. - С. 39.

11. Довженко Н.Д. Математическое моделирование бытового годового стока рек Крымского полуострова/ Н.Д. Довженко, Н.С. Лобода // Матеріали міжнародного семінару «Генетические и вероятностные методы в гидрологии: проблемы развития и взаимосвязи». - Одеса, 2009. - С. 55.

Анотація

Отченаш Н.Д. Річний стік річок Кримського півострова в умовах антропогенних перетворень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук.- Спеціальність 11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія. - Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2011.

Актуальність теми обумовлена необхідністю визначення стану водних ресурсів річок Кримського півострова в умовах водогосподарських перетворень та змін глобального клімату. У роботі наведене вирішення задачі розрахунків характеристик річного стоку досліджуваної території в умовах створення штучних водойм, забору води для споживання її населенням та зрошування за рахунок місцевих водних ресурсів і води Північно-Кримського каналу. Теоретична значущість роботи полягає в подальшому розвитку моделювання річного побутового стоку на базі моделі «клімат-стік»,яка розроблена в ОДЕКУ. Практична значущість роботи складається з розроблення методик визначення характеристик річного побутового стоку при різних масштабах антропогенної діяльності. Новизна роботи полягає у розробці стохастичної та нейромережевої моделей річного побутового стоку в умовах водогосподарських перетворень та змін глобального клімату. Входом у імітаційні моделі є параметри природного річного стоку, визначені за моделлю «клімат-стік» на основі метеорологічних даних. Як основний природний фактор впливу підстильної поверхні у Гірському Криму розглядається карст. Виходом моделей є статистичні параметри побутового стоку при заданих кліматичних умовах та масштабах водогосподарської діяльності, які для практичного використання представлені у виді функцій антропогенного впливу.

Отримані результати рекомендовані при розробці стратегії управління водними ресурсами.

Ключові слова: річний стік, кліматичні умови, водогосподарські перетворення, глобальне потепління, функції відгуку.

Аннотация

Отченаш Н.Д. Годовой сток рек Крымского полуострова в условиях антропогенных преобразований. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. - Специальность 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. - Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2011.

В диссертационной работе приводится решение задачи расчета характеристик годового стока рек Крыма в условиях водохозяйственных преобразований и изменений глобального климата с использованием стохастического и нейросетевого моделирования. В качестве входа в имитационные модели использовались параметры естественного годового стока, рассчитанные на основе метеорологических данных. Теоретической основой методики является модель «климат-сток», разработанная Е.Д. Гопченко и Н.С. Лободой (ОГЭКУ). Согласно с данными этой модели равнинная часть Крыма представлена картой изолиний норм годового стока, а для Горного Крыма предложены региональные зависимости климатических факторов и годового климатического стока от высоты местности (Нгуен Ле Минь).

Карст рассматривается как основной естественный фактор влияния подстилающей поверхности в Горном Крыму. Путем сопоставления поверхностной и подземной составляющих установлено, что карст рек Крыма не выполняет внутригодовое регулирование стока. Исследования поверхностной и подземной составляющих годового стока рек Горного Крыма производились на основе анализа гидрографов стока для девяти водосборов за маловодные, многоводные и средние по водности годы. Для перехода от климатического к естественному стоку в горной части территории применяется коэффициент влияния карста, который определяется зависимостью .

Генерирование рядов естественного стока выполнялось по стохастической модели простой цепи Маркова, опирающейся на наличие корреляции между обеспеченностями смежных членов ряда с дальнейшим переходом к величинам стока, которые подчиняются трипараметрическому гамма-распределению (М.В. Болгов, Д.Я. Раткович). Посредством использования уравнений водохозяйственных балансов, представленных в вероятностной форме, осуществляется переход от естественного к бытовому стоку. При каждом статистическом испытании неслучайные составляющие водохозяйственных балансов остаются постоянными.

Результаты имитационных экспериментов представляются в виде «функций отклика» статистических параметров годового стока на водохозяйственные преобразования. На основе результатов имитационного стохастического моделирования автором была выполнена оценка влияния дополнительного испарения с водной поверхности искусственных водоемов, забора воды с целью обеспечения населения, орошения за счет реки-донора.

Результаты исследований позволили установить, что в условиях дополнительного испарения с искусственных водоемов коренное разрушение (уменьшение нормы годового стока на 70 %) водных ресурсов Степного Крыма может произойти при условии, что относительная площадь, занятая искусственными водоемами составляет 4,5 %. Для территории Горного Крыма этот показатель увеличивается и составляет не менее 5 %.

Стохастическое моделирование в условиях забора воды для обеспечения населения выполнялось в два этапа. На первом этапе исследований моделирование выполнялось для отдельных городов Крыма (Симферополь, Севастополь, Ялта). Обнаружено, что стока местных рек недостаточно для водообеспечения указанных городов. Например, водность р. Малый Салгир приближается к нулевому значению при обеспечении водой города, численностью в 5000 чел., в то время как население г. Симферополь составляет 364 тыс. чел. На втором этапе моделирование проводилось для равнинной территории. Автором была получена аналитическая функция влияния забора воды для целей обеспечения населения, которая позволяет оценить среднее многолетнее значение годового стока.

В условиях орошения за счет реки-донора установлено, что годовой сток рек Степного Крыма не способен обеспечить наполнение искусственных водоемов, которые создавались в прошлые годы на базе местных водных ресурсов. Решение проблемы водоснабжения возможно только при заполнении искусственных водоемов водами реки Днепр (Северо-Крымский канал). Коренное разрушение водных ресурсов будет наблюдаться при поливе сельскохозяйственных массивов, на которых выращиваются влаголюбивое растения, такие как рис, имеющих уровень оптимального увлажнения = 1.

В работе предложено нейросетевое моделирование для определения оценки характеристик годового стока при таких водохозяйственных преобразованиях как дополнительное испарение с водной поверхности искусственных водоемов и обеспечение водой население. Показано, что после обучения нейросетевой модели по данным, полученным на основе модели «климат-сток», она позволяет выполнять оценку характеристик бытового годового стока с точностью 6-7%.

Структура модели «климат-сток» позволяет учитывать изменения водных ресурсов в условиях глобального изменения климата. На основе сценариев глобального потепления ВМО выполнена оценка возможного состояния водных ресурсов Крымского полуострова в условиях забора воды для целей обеспечения населенных пунктов. Показано, что возможные изменения климата ухудшают достаточно тяжелую и в наше время водную ситуацию на исследуемой территории.

Практическое значение работы состоит в разработке стохастической модели годового бытового стока в условиях потребления воды населением; внедрении нейросетевого моделирования для расчета бытового стока; оценке влияния антропогенных факторов на состояние поверхностных водных ресурсов Крымского полуострова.

Ключевые слова: годовой сток, климатические условия, водохозяйственные преобразования, глобальное потепление, функции отклика.

Summary

Otchenash N.D. The Annual runoff of the Crimean peninsula's rivers in the conditions of anthropogenic transformations. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree of geographic sciences by speciality 11.00.07 - land hydrology, water resources, hydrochemistry. - The Odessa State Environmental University, Odessa, 2011.

Actuality of theme is conditioned by the necessity of determination the state of Crimean peninsula rivers water resources in the conditions of waterworks transformations and global climate changes. The decision of calculations task of the probed territory annual runoff descriptions in the conditions of artificial waters creation, water output for a human consumption and irrigation due to local water resources and water of the North Crimean channel is obtained in the work. Theoretical meaningfulness of the work consists in subsequent development of annual domestic runoff modeling on the base of «climate-runoff» model, which is developed in OSEU. Practical meaningfulness of the work consists of development the determination methods of annual domestic runoff descriptions at the different scales of anthropogenic activity. The novelty of the work consists in development of stochastic and neural networks models of annual domestic runoff in the conditions of waterworks transformations and global climate changes. Input in simulation models are parameters of natural annual runoff determined on the «climate-runoff» model on the basis of meteorological information. Karst is considered as a basic natural factor of underlying surface influence in Mountain Crimea. The output of models are statistical parameters of domestic runoff at the set climatic terms and scales of waterworks activity, which for the practical use are presented in the type of anthropogenic influence functions.

Keywords: annual runoff, climatic terms, waterworks transformations, global warming, response functions.

Размещено на Allbest.ru