Гідрографічна мережа та стік річок Подільської височини

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний екологічний університет

УДК 556.166+556.01:556.51/54

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

Гідрографічна мережа та стік річок подільської височини

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Бірюков Олександр Володимирович

Одеса - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:доктор географічних наук, професор Кіндюк Борис Володимирович, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, професор кафедри безпеки виробничих процесів

Офіційні опоненти:

доктор географічних наук, професор Ющенко Юрій Сергійович, Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича, завідувач кафедри гідроекології, водопостачання та водовідведення

кандидат географічних наук, доцент Шакірзанова Жаннетта Рашидівна, Одеський державний екологічний університет, доцент кафедри гідрології суші

Захист відбудеться «_1_» «жовтня» 2009 р. о 10:00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса ? 16, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м.Одеса - 16, вул.Львівська, 15, ОДЕКУ

Автореферат розісланий «_28_» «_серпня_» 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.В.Чугай

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Практично в усіх регіонах нашої країни дефіцит водних ресурсів досяг своєї критичної точки. Основний шлях вирішення цієї проблеми полягає в раціональнішому її використанні. Для цього необхідно детальне вивчення походження гідрографічної мережі і дослідження характеристик її структури, оскільки вони значною мірою впливають на показники водності річкових систем.

Інтерес до Подільської височини не є випадковим, оскільки в цьому регіоні достатньо інтенсивно відбуваються два процеси. З одного боку, під дією природних чинників має місце постійне переформовування річкових структур, з іншого, територія Поділля піддалася достатньо інтенсивній господарській діяльності, оскільки практично на багатьох річках регіону функціонують по декілька гідротехнічних споруд.

Річки Подільської височини являють собою цікаве та достатньо рідкісне явище в географічній науці. Вони течуть паралельно одна одній, мають чітко виражений меридіональний напрям, послідовно впадають в р. Дністер приблизно на рівній відстані.

Дослідження Р.Е. Хортона (1948), А.М. Бефані (1958), М.А. Ржаніцина (1960), І.Н. Гарцмана (1973), Б.В. Кіндюка (2003) показали, що між будовою і водністю гідрографічної мережі існує зв'язок, що є виразом відомого системного принципу - «структура визначає функцію». Виходячи з цього, одним з актуальних питань є дослідження закономірностей будови і функціонування річкових систем.

Іншим важливим напрямом дослідження Поділля є виявлення залежності між значеннями фонових показників будови гідрографічної мережі і характеристиками річкового стоку, зокрема середньобагаторічним, мінімальним та максимальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження теми дисертації виконувалося протягом 2005 - 2008 рр. відповідно до плану наукових досліджень кафедри прикладної екології і гідрогазодинаміки Одеського національного політехнічного університету в рамках наукового напряму «Охорона навколишнього середовища». Окремі розділи дисертаційної роботи увійшли до складу держбюджетної НДР кафедри гідрології суши Одеського державного екологічного університету “Водні ресурси річок Україні” (№ ДР 0103U005145, 1.01.2003-31.12.2007).

3.Мета і задачі дослідження. Головною метою роботи є дослідження річкової мережі Подільської височини, визначення її топологічних та фонових показників і введення цих параметрів до розрахункових схем визначення характеристик річкового стоку регіону.

дослідити походження і становлення сучасної річкової системи Подільської височини;

провести ідентифікацію річкових систем досліджуваного регіону;

виконати розрахункі топологічних і фонових показників, що відображають балансові співвідношення між морфометричною будовою річкової мережі і стоковими характеристиками річок;

встановити взаємозв'язкі між структурними характеристиками й розрахунковими показниками річкового стоку на досліджуваних річках

Об'єкт дослідження ? річки Подільської височини, площі водозборів яких здебільшого менше за 1000 км².

Предмет дослідження - структурний аналіз будови річкової мережі Подільської височини, який включає ідентифікацію і визначення топологічних і фонових параметрів річкових системи з подальшим використанням їх при визначені характеристик гідрологічного режиму річок регіону.

Методи досліджень. Методологічною основою роботи є дослідження річкових систем, виконані свого часу Р.Е. Хортоном, Н.А. Ржаніциним, І.Н. Гарцманом та Б.В. Кіндюком, статистичний аналіз часових рядів максимальних витрат і шарів стоку весняного водопілля. Використовувалися числові методи розрахунку характеристик максимального стоку весняного водопілля, розроблені на кафедрі гідрології суші ОДЕКУ, та їх просторове узагальнення.

В роботі використовувалися матеріали з типізації річок України, гідрологічні щорічники, матеріали Гідрометслужби, Мінводгоспу, Мінекоресурсів нашої країни, а також топологічні карти та космічні знімки Google Earth, Global Mapper.

Наукова новизна одержаних результатів. Найбільш істотні наукові результати дисертаційного дослідження полягають у наступному:

· розроблено сценарій походження річкової системи Подільської височини;

· виконана ідентифікація річкової системи Поділля;

· встановлені основні топологічні і фонові показники будови річкової мережі досліджуваного регіону;

· використовуючи топологічні показники за різні проміжки часу, був виконаний аналіз річкових мереж Подільської височини;

· встановлено взаємозв'язок між показниками гідрологічного режиму річок (середньобагаторічним, мінімальним та максимальним) та їх структурою ;

· обґрунтовані параметри максимального стоку весняного водопілля на базі редукційних та операторного типу формул.

Практичне значення одержаних результатів. Здійснено відновлення стародавньої системи водотоків Подільської височини, на підставі чого можна прогнозувати розвиток сучасної гідрографічної мережі.

Певні співвідношення між гідрологічними параметрами і структурою річкової системи можливо використовувати при математичному, комп'ютерному і екологічному моделюванні природних ландшафтів для конкретних водоспоживчих умов таких областей як Львівська, Тернопільська, Хмельницька та Вінницька.

Використовуючи структуру річкових систем, обґрунтовані параметри максимального стоку весняного водопілля 1%-ої ймовірності перевищення. Результати обчислень максимального стоку весняного водопілля можна використовувати для невивчених річок досліджуваної території.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто зібрані і опрацьовані матеріали гідрологічних спостережень на річках Подільської височини, виконаний розрахунок топологічних, фонових коефіцієнтів та будови річкової мережі Поділля. Здійснені узагальнення цих показників з характеристиками річкового стоку (середньобаготорічного, мінімального та максимального). Основні результати досліджень, представлених в роботі, належать особисто автору.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дослідження були представлені і обговорювалися на V, VII і VIII наукових конференціях молодих учених ОДЕКУ (м. Одеса, 2005, 2007 і 2008 рр.), ІV Міжнародній науково-практичній конференції «Ресурси природних вод Карпатського регіону» (м. Львів, 2005 р.), науковій конференції «Еколого-економічні проблеми Дністра» (м. Одеса, 2006 р.), II Міжнародній науково-практичній конференції «Навколишнє природне середовище - 2007; Актуальні проблеми екології і гідрометеорології; інтеграція освіти і науки» (м. Одеса, 2007 р.), науковій конференції молодих учених «Водні ресурси, екологія и гідрологічна безпека» (м. Москва, 2007 р.), Міжнародній науковій конференції «Ландшафтні читання, присвячені 90-літтю Г.Е. Грішанкова» (м. Сімферополь, 2008 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 наукових праць, у тому числі 11 у виданнях, рекомендованих ВАК України, 7 тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 138 найменувань і 6 додатків на 14 сторінках. Дисертація загальним обсягом 206 сторінок, 61 рисунків, 24 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі наведені загальні відомості про актуальність, мету, завдання дисертаційного дослідження, його зв'язок з науковими програмами, темами, планами, наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, їх апробацію на науково-практичних конференціях, а також публікації автора за темою дисертації.

У першому розділі «Особливості формування гідрографічної мережі Подільської височини» надається стисла характеристика гідрометеорологічних умов формування стоку на території Подільської височини.

Досліджуваний регіон формою нагадує дугу, що тягнеться уздовж річки Дністер, займаючи основну частину Волино-Подільскої плити. Орографія території незвичайна тим, що, маючи загальний помітний ухил поверхні на південь, вона має також помітний ухил на схід. Це підтверджується розподілом висот, а також планом гідрографічної мережі. Вектор ухилу поверхні I, направлений з північного заходу на південний схід, незначний, - 0.3 ‰, проте йому підпорядкований напрям перебігу головних річок Поділля - Дністра і Південного Бугу.

Згідно з фізико-географічним районуванням, територія Подільської височини поділяється на такі елементи: Росточчя, Гологори, Вороняки, Кременецькі гори, Опілля, Толтри або Медобори.

Подільська височина належить до рівнинної території зони лісостепу. У кліматичному відношенні вона є складною місцевістю. Значну роль у формуванні клімату відіграють Карпати. Перехід до теплого сезону характеризується ослабленням відрогів східних антициклонів, поступовим припиненням арктичних дій і посиленням відрогів азорського антициклону.

Аналіз умов формування весняного водопілля дозволяє відзначити, що мінімальна сума максимальних добових температур, що забезпечують появу ефективного стоку, дорівнює 4 - 8є. Фронт сніготанення рухається переважно з півдня, південного заходу і північного заходу.

У другому розділі «Дослідження процесу формування гідрографічної мережі Подільської височини» аналізуються процеси формування Подільської височини, зародження і розвиток гідрографічної мережі регіону, запропоновані сценарії формування по кожній з крупних річок Поділля.

Геоморфологічна структура Поділля в своєму розвитку пройшла декілька стадій переходу-від території, покритої морем, до рівнини, а потім до горбистої височини. Основним чинником у формуванні сучасного рельєфу Поділля стали тектонічні рухи наприкінці неогену, початку четвертинного періоду. Теперішній рельєф Подільської височини сформувався в результаті двох тектонічних циклів коливальних рухів.

У першому з них відбулося підняття північно-західного краю Подільського плато і одночасне опускання південно-східної його частини, а також осушення північно-західної частини Поділля. Ця територія набула нахил до південного сходу, в напрямі відступу Сарматського моря. Суша, що вивільнилась з-під води, успадкувала нерівності морського дна, які відіграли основну роль у формуванні первинної гідрографічної мережі (рис. 1).

Аналіз конфігурації і розподілу шляхом методу інтерполяції по території річок досліджуваного регіону дає можливість реконструювати «стародавні розірвані ланцюжки», що складаються з «кусків» сучасних водотоків. У дослідженні дані К.І. Геренчука (1950) доповнені зібраною автором інформацією, яка включає точки витоку гирла пліоцену водотоків розрахунками їх довжин (L_к) та площ водозборів (F_к). Для перевірки реальності чисельних значень площ водозборів (F_к) восьми річок пліоцену виконаний розрахунок цих величин іншим способом. У його основі лежить широко відома степенева залежність, що зв'язує площу водозборів і довжину водотоків:

, (1)

де а і b ? емпіричні параметри.

У роботі Р.А. Нежіховського (1971) для рівнин на Європейській частині колишнього СРСР є дані про величину параметрів а і b, визначених зворотним шляхом. Так, за даними цього автора, середня величина коефіцієнта а=0.58, b=1.78. Для оцінки відповідності між собою величин F_k, знятих з карти, і значень площ визначена середня похибка обчислень, яка склала ± 17,1%. Це дозволяє зробити висновок про реальність значень площ водозборів пліоценових водотоків, отриманих у даному дослідженні.

Друга фаза тектонічних рухів припала за часом на пізній пліоцен, або початок четвертинного періоду. Причиною нового підняття Подільської плити є навалювання Карпатської дуги на сусідні геологічні структури. Ці тектонічні процеси сприяли утворенню унікального природного витвору, практично паралельної гідрографічної мережі широтного напряму (рис. 1). Цей цикл тектонічних рухів не припинився й досі. За даними І.Д. Гофштейна (1979), Подільська височина піднімається від 4 до 10 мм/рік, що знаходить своє віддзеркалення у формуванні сучасної гідрографічної мережі.

Розвиток річкової системи Поділля можна подати у вигляді певної послідовності подій, зображених на схемі (рис. 2). Важливим чинником, який відіграв одну з основних ролей у формуванні сучасної річкової системи досліджуваного регіону, є останній льодовиковий період.

На основі цієї схеми нами побудовані сценарії походження усі крупних річок регіону.

Третій розділ «Річкові системи Подільської височини», присвячений детальному аналізу річкової системи та дослідженню закономірностей її будови, а також вивченню основних фонових характеристик водотоків.

Першим етапом стало дослідження рисунка гідрографічної мережі і визначення за ним тектонічних процесів. Річкова система, яка розглядається, має класичний приклад паралельної мережі водотоків (рис. 1). Так, на Поділлі притоки р. Дністер розташовуються на крилах синклінальних і антиклінальних складок з поперечними їм долинами, що зайвий раз доводить про існування тектонічних рухів, які відбуваються на її поверхні.

Другим етапом аналізу річкової системи став розгляд її як складної ієрархічної системи. Для наочності проаналізовані, на прикладі р. Збруч, методики ідентифікації, запропоновані Р.Е. Хортона (1945), Н.А. Ржаніциним (1960), Європейської схеми, Р.Л. Шревого (1967) і А.Н. Шталлером ? І.Н. Гарцманом (1973).

Результати розрахунків показали, що з п'яти даних методик тільки одна має зворотній зв'язок з довжиною річок і площею водозборів - Європейська модель.Це викликано тому, що збільшення порядку в цій схемі обернено пропорційне довжині та площі водотоків. Три інші методики (Р.Е. Хортона, А.Н. Шталлера ? І.Н. Гарцмана і Н.А. Ржаніцина) мають степеневу залежність. Схема Р.Л. Шреве має лінійну залежність - порядок збільшується прямопропорційно довжині та площі, що пояснюється послідовним додаванням усіх водотоків.

Використання методик Р.Е. Хортона й Н.А. Ржаніцина ускладнене через неоднозначність у визначенні порядку головної річки і відсутності чіткої ієрархії всередині самої схеми. Методику Р.Л. Шреве практично важко використовувати якісно при описі і порівнянні різних річок. З розглянутих методик ідентифікації водотоків найбільш досконалою, з точки зору автора, є схема, запропонована А.Н. Шталлером та І.Н. Гарцманом, яку доцільно використовувати і для бонітування річкових систем Подільської височини. Згідно цій методиці, до категорії річок третього порядку (П₃) відноситься 13 водотоків, четвертого (П₄) - 10, п'ятого (П₅) - 2, а одна з річок - Збруч є водотоком шостого рівня ієрархії (П₆).

Аналіз конфігурації річкової системи Подільської височини дозволив сформулювати три її характерні особливості. Перша з них - чергування довгих і коротких річок. Друга - бічні притоки кожної з Подільських річок мають північно-західний або південно-східний напрям і розташовані одна напроти одної. Третя особливість - різке перевищення потужності мережі лівих приток Подільських річок порівняно з їх правою частиною.

Аналізуючи зображені на топологічних картах річкові системи,
Р.Е. Хортон (1948) одним з перших вказав на наявність закономірностей в їх будові. Перша із закономірностей носить назву коефіцієнта біфуркації у₀ і визначається за співвідношенням:

, (2)

де S_k-1 і S_k ? кількість приток суміжних порядків k і k-1.

Друга закономірність визначає те положення, що співвідношення між довжинами приток річок л₀ суміжних порядків завжди залишається в середньому постійним числом та дорівнює:

, (3)

де l_k-1 і l_k - середні довжини водотоків порядків k і k-1.

Третя закономірність Р.Е. Хортона встановлює співвідношення між середнім нахилом річок I₀ суміжних порядків:

, (4)

де I_к і I_к-1 ? нахил річок суміжних порядків k і k-1.

Четверта закономірність площ ц₀, запропонована С.А. Шамом (1965), полягає в тому, що площі водозборів приток суміжних порядків також знаходяться в певному стійкому співвідношенні

, (5)

де F_k і F_k-1 - площі водозборів приток порядків k і k-1.

Дослідження Б.В. Кіндюка (2003) виявили наявність п'ятої закономірності будови гідрографічної мережі такою, що отримала назву кутів злиття річок б₀:

, (6)

де б_і і б_і-1 - середні значення кутів злиття річок суміжних порядків.

Наведені вище п'ять показників дозволяють виконати кількісну оцінку гідрографічної мережі будь-якого ступеня складності, а також порівнювати між собою різні річкові системи.

Межі зміни величин показників у₀, л₀, ц₀, I_0, б₀ по території Поділля наступні. Значення біфуркаційного коефіцієнта у₀ змінюються від 2.9 на річці Збруч до 5,1 ? на р. Смотрич, значення коефіцієнта довжин л₀ змінюється від 2.4 на р. Щерек до 4,9 ? на р. Мукша, межі вимірювання коефіцієнтів площ водозборів лежать в межах від 1.3 на р. Збруч до 3.3 ? на р .Серет. Діапазон коливань коефіцієнтів ухилів I₀ знаходиться в інтервалах від 1.2 на р. Жван до 2.9 - на р. Нічлава. Значення кутів злиття змінюються від 1.13 на р. Щерек до 1.65 ? на р. Жванчік.

У дисертаційному дослідженні розглядалась деформація будови річкової системи у часі. З цією метою використовувалися розрахункові значення топологічних параметрів гідрографічної мережі і отримані дані І.П. Ковальчуком (1997). Йому вдалося зібрати унікальний матеріал про структуру річкової мережі Подільських річок за майже 200-річний період. Вивчаючи річкову систему Подільської височини, І.П. Ковальчук виконав розрахунок кількості приток S_i і їх сумарної довжини L_i за порядками, які відносяться до 1772, 1855, 1925 і 1955 рр.

Використовуючи ці дані для річок Щерек, Зубра, Луг, Свірж, Гнила Липа, Золота Липа, Коропець, Стрипа, Джурін, Серет і Нічлава, автором виконано розрахунок величин коефіцієнтів біфуркації і довжин для кожного з часових періодів. До цієї інформації додані дані, отримані нами, що дозволило виконати вивчення динаміки величин коефіцієнтів біфуркації і довжини у часі.

Дослідження чисельних значень топологічних параметрів у₀ і л₀ дозволяє зробити такі висновки: 1. Структура гідрографічної мережі під дією різних чинників природного і антропогенного характеру змінюється у часі. 2. Серйозні структурні трансформації для річок Подільської височини починаються наприкінці XIX ст., коли відбувається зменшення кількості приток різних порядків і зміна сумарної довжини мережі. 3. Деградація, як і утворення річкової системи, починається з приток першого порядку П₁. 4. Трансформація гідрографічної мережі носить неоднозначний характер, зміни залежать насамперед від структури річкової системи, кліматичних умов басейну річки і від того, як використовують її стік.

З метою визначення основного показника систем водотоків проводилось дослідження внутрішньо порядкової структури річкових мереж. Встановлені співвідношення показують, що початковою ланкою або фундаментом річкової системи є притоки першого порядку. Їх кількість і довжина визначені взаємодією між кліматом та підстивною поверхнею. Це ілюструється на прикладі річкових систем Подільської височини, де для утворення річки другого порядку П₂ необхідне не менше 4 - 5 водотоків першого порядку П₁; для утворення водотоку третього порядку П₃ необхідно не менше 3 - 4 водотоків другого порядку П₂ або 15 - 20 річок першого порядку П₁; для утворення потоку П₄ необхідне не менше 3 водотоків третього порядку П₃ або 45 - 60 водотоків першого порядку П₁ і.т.д.

Таким чином, кількість приток вищого рівня ієрархії знаходяться в прямій залежності від числа водотоків попереднього класу. Виходячи з цієї закономірності, цілком логічно використовувати кількість приток першого порядку S₁, як основу річкової системи в розрахункових схемах визначення водності. річковий топологічний морфометричний стоковий

На превеликий жаль, в довідковій літературі немає значення S₁ для всіх водотоків, визначено лише кількість річок з довжиною менше 10 км ( S_i<10.) Для аналізу значень S_i<10 була побудована залежність цієї характеристики з кількістю приток першого порядку S₁. Рівняння, отримане для річок Подільської височини, проходить близько з лінією рівних значень, що вказує на хороший взаємозв'язок між цими величинами. Виходячи, з цього можна зробити висновок про можливість використання довідкової літератури для визначення значень S₁.

Наступним кроком у дослідженні системи водотоків Подільської височини стало визначення фонових показників річкової мережі: щільності річкової мережі г_F за рівнями ієрархії водотоків, гідроморфологічного коефіцієнта г_Q, геоморфологічного фактору та коефіцієнта структури річкової мережі за формулою:

К=1+loq₂S_1, (7)

де S₁ - кількість приток першого порядку.

У четвертому розділі «Співвідношення між будовою річкової системи і характеристиками гідрологічного режиму річок» показаний взаємозв'язок між показниками гідрологічного режиму річок та їх будовою.

В роботі використані матеріали спостережень за стоком води по 41 опорному пункту, що мають різні періоди спостережень за гідрологічними та морфометричними характеристиками. У цілому по території Поділля протікає 26 річок. Наявні пункти спостережень за стоком достатньо рівномірно охоплюють гідрографічну мережу регіону.

Дослідження річкових систем показали, що площа басейну і довжина річок безперервно зростають з підвищенням кількості приток першого порядку, утворюючи степеневу залежність. В середньому для всіх річкових систем Поділля довжина водотоків зростає приблизно в 3.08 рази, площа F ? у 2,84, а сумарна довжина всієї річкової мережі ?L ? у 4.04 рази. Зміни ухилів річок показують, що їх значення зменшуються від малих водотоків до більших, і крива набуває вигляду профілю убуваючої увігнутої кривої.

Всі розглянуті вище характеристики взаємно пов'язані між собою і складають єдиний комплекс, що визначає особливості тієї або іншої річки, будь-якої її структури. Користуючись цими характеристиками, можна встановлювати розмір кожного водотоку і, навпаки, для кожної з річок може бути встановлений певний комплекс взаємозв'язаних характеристик, що визначають окремий водоток.

Для аналізу зміни середньобагаторічного річної і мінімальної 30-добових витрат води залежно від устрою річкової системи побудовані графіки зв'язку між Q_сер і будовою потоків К (рис. 3).

Проаналізувавши ці залежності, можна зробити висновок, що річний та мінімальний стік мають степеневий зв'язок із структурою річкових систем. Значення кореляційного відношення змінюються від 0.77 ? для 30-добових мінімальних витрат води, за період з зимової межені, до 0.94 ? для середньо багаторічних витрат води, що вказує на стійкий взаємозв'язок.

У п'ятому розділі «Взаємозв'язок між розрахунковими характеристиками максимального стоку весняного водопілля і будовою річкових систем Подільської височини» наводяться результати розрахунку основних характеристик деяких розрахункових схем визначення максимального стоку весняного водопілля та показаний взаємозв'язок цих показників зі структурою річкових систем.

Оцінки статистичних параметрів розподілу (коефіцієнтів варіації і асиметрії) визначалися за допомогою методів моментів і найбільшої правдоподібності. Середньоквадратичні похибки визначення витрат води 1%-ї ймовірності перевищення по часових рядах спостережень становлять у середньому 19.8 %.

Приступаючи до просторового узагальнення розрахункових шарів стоку Y_1%, було досліджено ступінь впливу на них залісеності та заболоченості водозборів, висотного положення та їх розмірів. З'ясувалося, що ні один з перелічених чинників суттєво не порушує однорідність вихідних рядів. Єдиний чинник, який визначає особливості просторового розподілу шарів стоку ? це географічне положення водозборів, що є підставою для узагальнення Y_1% у вигляді карти ізоліній.

Наступним етапом у нормуванні показників максимального стоку стало дослідження часу добігання хвиль водопілля t_p. Розглянуті схеми розрахунку t_p. Найбільш поширеним способом визначення t_p є підхід, заснований на використанні швидкостей проходження хвиль весняного водопілля V_д, тобто:

. (8)

Використовуючи структуру формули для розрахунку швидкості добігання (V_д), запропоновану А.М. Бефані (1958), розраховані степеневі коефіцієнти, які дорівнюють б=0.32 і в=0.34. Зворотним шляхом визначено величину швидкісного коефіцієнта а для тих випадків, коли вода річок виходила на заплаву. Встановлено, що існує залежність між витратами води виходу на заплаву Q_кр й розмірами водозборів F. З іншого боку, дослідження співвідношення водності і структури показали, що значення Q_кр залежать від коефіцієнта структури річкових систем К. З урахуванням б, в і а та залежностей Q_кр=f(F+1) та Q_кр=f(К), автором запропоновано регіональні формули для розрахунку швидкостей руслового добігання V_д (км/год) у вигляді:

(9)

та використовуючи структуру річкової системи

(10)

На основі (8) розраховані значення часу добігання хвиль весняного водопілля. Перевірка запропонованих формул (9) і (10) виконана шляхом порівняння величин часу добігання з величинами t_p, встановленими за допомогою кривих об'ємів. Результати цих обчислень показали, що середнє відхилення по рівнянню (9) 13.4 %, використовуючи структуру річкової системи за формулою (10) 12.2 %, що дозволяє рекомендувати ці формули для визначення часу руслового добігання хвиль весняного водопілля.

Автором розраховані характеристики схилового стоку за методикою
Є.Д. Гопченка (2001), параметри часової нерівномірності схилового припливу та його тривалість Т₀. Просторове узагальнення Т₀ здійснено у вигляді усереднювання по терріторії Поділля зі значенням 131 год, а n=0,10.

Розглянуті методи розрахунку характеристик весняного водопілля. З розглянутих схем вибрані найбільш поширені з погляду автора, такі як редукційні та операторного типу формули визначення максимального стоку.

Визначення характеристик максимального стоку в рамках редукційних формул виконується за рівнянням:

(11)

де q'_m - максимальний модуль схилового стоку.

Співвідношення (11) збігається з формулою, яка рекомендується нормативним документом СНіП 2.01.14-83 для розрахунку максимальних модулів стоку, при усереднюванні Т₀

. (12)

Степеневий показник п₁=0.34, а коефіцієнт трансформації k_o=0.014. Перевірочні розрахунки по (12) показали, що середнє відхилення розрахункових максимальних модулів (q_1%)_p від початкових даних (q_1%)_ф складає ± 36.9 %.

Автором пропонується визначення коефіцієнтів k₀ і n, використовуючи структуру річкової мережі. Степеневий показник п₁=1.38, а коефіцієнт трансформації k_o=0.013. Рівняння (12) приймає вигляд

м³/с ?км². (13)

Перевірочні розрахунки по (13) показали, що середнє відхилення розрахункових максимальних модулів (q_1%)_p від початкових даних - (q_1%)_ф складає ± 35.6 %.

При осередненні, крім Т₀, ще й Y_т, матимемо вираз:

м³/с ?км². (14)

Середнє відхилення розрахункових величин (q_1%)_p від початкових даних - (q_1%)_ф склало ± 39.6%. Такі великі погрішності є доказом непридатності формул редукційного типу для нормування характеристик максимального стоку в їх надмірно спрощеному вигляді.

Використовуючи структуру річкової системи, нами розрахована залежність

м³/с ?км². (15)

Середнє відхилення розрахункових величин (q_1%)_p від початкових данных- (q_1%)_ф склало ± 43.3%. Достатньо велике відхилення значень модуля схилу від фактичних підтверджує висновки зроблені раніше.

Нормування характеристик максимального стоку за допомогою схеми операторної структури. Операторне рівняння, запропоноване Є.Д. Гопченко, має вигляд:

q_m=q'_mш(t_p/T₀)е_Fr , (16)

де r ? коэффициент зарегулирования максимального стока озерами, водохранилищами, прудами;

q'_m - максимальный модуль склонового притока, равный

(17)

t_p/T₀ - трансформационная функция;

е_F - коефіцієнт русло-заплавного регулювання.

Взаємозв'язок редукційних коефіцієнтів q1%/q'1%, ш(tp/T0) і еF із структурою річкової системи приводяться на сумісному графіку (рис. 4), на якому показано, що в умовах Подільської височини обидва оператори трансформації - ш(tp/T0) і еF взаємозв'язані із структурою річкових систем, причому найбільший вплив для річок вищий за 4-й порядок.

Результати перевірочних розрахунків по формулі (16) для забезпеченості Р=1% показали, що середнє відхилення, використовуючи форму (q_1%F)_р і структуру (q_1%К)_р від початкових даних (q_1%)_ф складає відповідно ± 19.5% та ± 23.8%, що повною мірою відповідає точності вимірювання максимальних витрат на гідрологічних постах.

Висновки

У дисертаційному дослідженні розглядався комплекс наукових завдань, пов'язаних з походженням, становленням мережі гідрографії Подільської височини і запропоновано нове вирішення проблеми визначення розрахункових характеристик річкового стоку (середньобаготорічного, мінімального та максимального), використовуючи структуру річкових систем.

В результаті проведеного дослідження можна зробити такі висновки:

1. Запропоновано сценарій формування річкової системи Подільської височини, який можна використовувати для прогнозування змін у структурі гідрографічної мережі регіону.

2. Аналіз теоретичних методів індикації гідрографії з використанням різних схем опису будови річкових систем, запропонованих Р.Е. Хортоном, А.Н. Шталлером, Н.А. Ржаніциним, Р.Л. Шреве й іншими авторами, виявив низку недоліків цих схем. Доведено про доцільність використання на практиці методу індикації А.Н. Шталлера і І.Н. Гарцмана.

3. Виконані розрахунки п'яти топологічних параметрів будови річкової мережі: коефіцієнтів біфуркації, довжин, площ, ухилів і кутів злиття.

4. Розраховані і проаналізовані коефіцієнти біфуркації і довжин річок для різних часових зрізів (1772, 1885, 1925, 1955 і 2001 рр.) Ці дані можливо застосовувати для раціонального використання водних ресурсів і перерозподілу антропогенного навантаження на річках таких областей, як Львівська, Тернопільська, Хмельницька, Вінницька.

5. Визначені основні фонові показники річкової системи: а) коефіцієнт щільності річкової мережі; б) гідроморфологічний коефіцієнт; в) обчислені значення геоморфологічного чинника за методикою Б.В. Кіндюка, г) вперше для річок Подільської височини виконані розрахунки коефіцієнта структури річкової мережі, що характеризує ступінь складності будови річкових систем за допомогою числа приток першого порядку.

6. Вперше для річок Подільської височини отримані залежності коефіцієнта структури з показниками гідрографії та середньобагаторічних й мінімальних витрат води.

7. Виконаний розрахунок максимального стоку весняної повені для річок Подільської височини на базі формул, редукційної та операторної структур, запропоновані варіанти заміни площі водозбору річок в редукційних формулах на коефіцієнт структури.

8. Перевірочні розрахунки по всіх варіантах формул характеризуються такими показниками: по редукційних формулах при найбільшому спрощенні їх погрішності становлять ± 39.6%; використовуючи структуру річкових систем, ? ± 43.3%; по редукційних формулах з урахуванням шарів стоку, застосовуючи площу басейну річок ? ± 36.9%; використовуючи коефіцієнт структури річкових систем ? ± 35.6%; за формулою операторного типу ? ± 19.5% і використовуючи будову річкових систем, ? ± 23.8%.

Список опублікованих наукових праць за темою дисертації

1. Киндюк Б.В. Исследование строения гидрографической сети реки Днестр / Б.В. Киндюк, С.В. Мельник, А.В. Бирюков // Захист навколишнього середовища від антропогенного навантаження. Харків-Кременчук. - Вип. 11(13). - 2005 - С. 63-69. (Особистий внесок автора - 30%, здобувачем проведена ідентифікація річкової мережі р. Дністер).

2. Кіндюк Б.В. Сценарій утворення річки Дністер / Б.В. Кіндюк, С.В. Мельник, О.К. Плотніков, О.В. Бірюков // Наук. записки (Серія геогр. спец. вип.). ? Тернопільський нац. пед. ун-т ім. В. Гнатюка, 2005. ? С. 291-296. (Особистий внесок автора - 20%, здобувачем побудовані карти старої та нової гідрографічної мережі Подільської височини).

3. Кіндюк Б.В. Розробка сценарію формування гідрографічної мережі річки Золота Липа / Б.В. Кіндюк, С.В. Мельник, О.В. Бірюков // Наук. записки Вінницький держ. пед. ун-т ім. М. Коцюбинського (Сер. геогр.). ? Вип. 9. ? 2005.? С. 79-85. (Особистий внесок автора - 25%, здобувачем розраховані основні гідрографічні характеристики).

4. Киндюк Б.В. Исследование гидрологической изученности и показателей водности рек Подольской возвышенности / Б.В. Киндюк, В.А. Овчарук, А.В. Бирюков // Вісник Дніпропетровського нац. ун-ту (Серія геол. геогр.) ? №9, ? Вип. 7. ? 2005. ? С. 22-29. (Особистий внесок автора - 30%, здобувачем виконані збір та обробка вихідної інформації та розрахунок коефіцієнта структури).

5. Кіндюк Б.В. Сценарій формування і розрахунок топологічних показників річки Гнила Липа / Б.В. Кіндюк, В.А. Овчарук, О.В. Бірюков // Вісник Одеськ. нац. ун-ту. ім. І.І. Мечникова. Географічні та геологічні науки - Т. 10. ? Вип. 6. ? 2005. ? С. 20-28. (Особистий внесок автора - 25%, здобувачем проведена ідентифікація річкової системи та розраховані основні топологічні показники мережі р. Гнила Липа).

6. Киндюк Б.В. Исследование асимметрии рек Подольской возвышенности / Б.В. Киндюк, А.В. Бирюков // Захист навколишнього середовища від антропогенного навантаження Харків-Кременчук. - №12 (14). - 2006. - С. 63-69. (Особистий внесок автора - 50%, здобувачем розраховано коефіцієнт асиметрії К_а для річкових долин Поділля та побудовано графічні залежності між К_а та площею басейну річок, коефіцієнтом структури).

7. Киндюк Б.В. Разработка сценария формирования рек Калюс, Караец, Жван, Лядова / Б.В. Киндюк, С.В. Мельник, А.В. Бирюков // Укр. гидрометеорологический журнал. - №1 - ОДЕКУ. - 2006. - С. 203-209. (Особистий внесок автора - 30%, здобувачем проведена ідентифікація гідрографічної мережі та розраховані основні топологічні показники річок Калюс, Караєць, Жван, Лядова. Виконані розрахунки площі та довжини пліоценових річок).

8. Кіндюк Б.В. Дослідження топологічних характеристик річки Стрів'яж. / Б.В. Кіндюк, В.А. Овчарук, О.В. Бірюков // Наук. записки Тернопільськ. пед. ун-ту ім. В. Гнатюка (Сер. географія). ? №1.? 2007. ? С. 20-25. (Особистий внесок автора - 30%, здобувачем проведена ідентифікація гідрографічної мережі та розраховані основні топологічні показники р. Стрів'яж. Виконані розрахунки ентропії річкової мережі).

9. Бирюков А.В. Исследования скорости руслового добегания весеннего стока на реках Подольской возвышенности / А.В. Бирюков // Ученые записки Таврического национального университета (Сер. географ.) ? №3 ? Т. 21(60) 2008. ? С. 68-73.

10. Кіндюк Б.В Дослідження гідрографічних і топологічних показників річок Немія, Дерло, Мурафа / Б.В. Кіндюк, О.В. Бірюков // Наук. записки (Сер. геогр.). ? Вип. 13. ? Вінницький держ. пед. ун-т ім. М. Коцюбинського, 2007.? С. 18-22. (Особистий внесок автора - 45%, здобувачем проведена ідентифікація гідрографічної мережі та розраховані основні топологічні показники річок Немія, Дерло та Мурафи. Виконані розрахунки фонових характеристик).

11. Киндюк Б.В. Исследование строения гидрографической сети рек Ушица, Лядова, Мурафа/ Б.В. Киндюк, А.В. Бирюков // Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. ? 2007. - Т.13.? С. 72-79. (Особистий внесок автора - 45%, здобувачем проведена ідентифікація гідрографічної мережі та розраховані основні топологічні показники р. Ушиця. Виконані розрахунки фонових характеристик).

12. Кіндюк Б.В. Дослідження річкових перехоплень у північній частині Подільської височини / Б.В. Кіндюк, С.В. Мельник, О.В. Бірюков // Наук. записки Тернопільськ. пед. ун-ту ім. В. Гнатюка (Сер. географія). - №1.? Вип.23 ? 2008. - С. 29-36. (Особистий внесок автора - 25%, здобувачем виконані збір та обробка вихідної інформації, висвітлення окремих питань щодо методологічного підходу до виявлення річкових перехоплень).

13. Бирюков А.В. Исследование топологических и гидрологических характеристик рек Подольской возвышенности / А.В. Бирюков, Б.В. Киндюк // Матеріали ІV Міжнародної науково-практичної конференції «Ресурси природних вод Карпатського регіону». ? Львів, 2005. - С.14-17. (Особистий внесок автора - 50%, здобувачем виконані збір та обробка матеріалів для усіх річок Подільської височини).

14. Бирюков А.В. Исследование топологических характеристик Подольской возвышенности / А.В. Бирюков, В.А. Овчарук // Матеріали V наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ/ Одеса: ОДЕКУ, 2005. - С. 44-45. (Особистий внесок автора - 50%, здобувачем виконані збір та обробка вихідної інформації та виконана ідентифікація річкової мережі Подільської височини).

15. Бірюков О.В. Особливості гідрографічної будови лівих приток р. Дністер / О.В. Бірюков, Б.В. Кіндюк, В.А. Овчарук // Матеріали V міжнародної науково-практичної конференції «Эколого-экономические проблемы Днестра». - Одеса, 2006. ? С. 16-17. (Особистий внесок автора - 30%, здобувачем виконані збір та обробка матеріалів, проведена ідентифікація гідрографічної мережі лівих протоків р. Дністер).

16. Киндюк Б.В. Исследование морфометрических характеристик древних рек Подольской возвышенности / Б.В. Киндюк, А.В. Бирюков // Матеріали другої міжнародної науково-практичної конференції «Навколишнє природне середовище - 2007: Актуальні проблеми екології та гідрометеорології». Одеса: ОДЕКУ, 2007. - С. 101-102. (Особистий внесок автора - 50%, здобувач виконав розрахунок морфометричних характеристик стародавніх річок Подільської височини).

17. Бирюков А.В Исследование асимметрии рек Подольской возвышенности / А.В. Бирюков, Б.В. Киндюк // Матеріали VІІ наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ. Одеса: ОДЕКУ, 2007. - С. 31. (Особистий внесок автора - 50%, здобувачем розраховано коефіцієнт асиметрії К_а для річкових долин Поділля та побудовані графічні залежності між К_а та площею басейна річок, коефіцієнтом структури).

18. Бирюков А.В. Сценарий формирования гидрографической сети р. Днестр / А.В. Бирюков // Материалы научной конференции молодых ученых «Водные ресурсы, экология и гидрологическая безопасность». - 5-7 декабря 2007 г.- Москва, 2007. - С. 80-83.

19. Бирюков А.В Фоновые характеристики речной сети Подольской возвышенности. / А.В. Бирюков, Б.В. Киндюк // Матеріали VІІІ наукової конференції молодих вчених ОДЕКУ. Одеса: ОДЕКУ, 2008. - С. 48. (Особистий внесок автора - 55%, здобувачем були розраховано фонові коефіцієнти для річок Поділля та побудовані графічні залежності цих показників з показниками водності).

Анотація

Бірюков О.В. Гідрографічна мережа та стік річок Подільської височини. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. за спеціальністю 11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія. ? Одеський державний екологичний університет, Одеса, 2009.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливої наукової проблеми дослідження будови, формування та функціонування річкової мережі Подільської височини. Визначені основні морфометричні характеристики стародавніх водотоків, що протікали на Подільській височині. Запропоновано сценарій формування гідрографічної мережі. Виконано детальне вивчення рисунків річкової системи, визначені тектонічні процеси, що проходять на досліджуваній території. Обґрунтовано використання методу А.Н. Шталлера ? І.Н. Гарцмана для ідентифікації річкових систем. Розраховані топологічні параметри: коефіцієнти біфуркації, довжини, площі, ухилів та кутів злиття. Проаналізована трансформація гідрографічної мережі в часі за допомогою коефіцієнтів біфуркації і довжини. Визначені основні фонові характеристики річкової мережі: коефіцієнти гідроморфологічний, геоморфологічний та структури. Вперше для річок Подільської височини отримані залежності коефіцієнта структури з показниками гідрографії та середньобагаторічними, мінімальними та максимальними витратами води. Виконаний розрахунок максимального стоку весняної повені для річок Подільської височини на базі формул, редукційної та операторної структур, запропоновані варіанти заміни площі водозбору річок в редукційних формулах на коефіцієнт структури

Ключові слова: річкові системи, гідрографічні мережі, ідентифікація, річковий стік.

Аннотация

Бирюков О.В. Гидрографическая сеть и сток рек Подольской возвышенности. ? Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. ? Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2009.

Дефицит водных ресурсов достиг своей критической точки практически во всех регионах нашей страны. Основной путь решения этой проблемы заключается в более рациональном их использовании. Для этого необходимо детальное изучение происхождения гидрографической сети и исследования характеристик ее структуры, поскольку они в значительной мере влияют на показатели водности речных систем.

Интерес к Подольской возвышенности является не случайным, поскольку в этом регионе достаточно интенсивно происходят два процесса. С одной стороны, под действием естественных факторов идет постоянное переформирование речных структур. С другой, территория Подолья подверглась достаточно интенсивной хозяйственной деятельности, поскольку практически на многих реках региона функционируют по несколько гидротехнических сооружений.

Современный рельеф Подольской возвышенности сформировался в результате двух тектонических циклов или двух фаз колебательных движений.

В первой из них произошло поднятие северо-западного края Подольского плато с одновременным опусканием юго-восточной его части, имело место осушение северо-западной части Подолии. Анализ конфигурации и распределения путем метода интерполяции по территории рек исследуемого региона даёт возможность реконструировать «древние разорванные цепочки», состоящие из «кусков» современных водотоков. В настоящем исследовании данные К.И. Геренчука дополнены собранной автором информацией, включающей: исток, устье плиоценовых водотоков расчетами их длин (L_к) и площадей водосборов (F_к).

Вторая фаза тектонических движений пришлась по времени на поздний плиоцен или начало четвертичного периода. Причиной нового поднятия Подольской плиты является навал Карпатской дуги на соседние геологические структуры. Эти тектонические процессы привели к образованию уникального природного образования, практически параллельной гидрографической сети широтного направления.

Важным фактором, который сыграл одну из основных ролей в формировании современной речной системы исследуемого региона, является последнее оледенение.

Следующий этап работы ? исследование рисунка гидрографической сети. Рассматриваемая гидрографическая сеть имеет классический пример параллельной речной системы. Обычно это является четким индикатором разломов, зоны повышенной трещиноватости. Вторым этапом анализа речной сети стало рассмотрение ее как сложной иерархической системы. Для наглядности на примере р. Збруч проанализированы схемы идентификации Р.Е. Хортона, Н.А. Ржаницина, Европейской, Р.Л. Шрива и А.Н. Штраллера ? И.Н. Гарцмана. Из рассмотренных методик идентификации водотоков наиболее совершенной, с точки зрения, автора является схема, предложенная А.Н. Шталлером и И.Н. Гарцманом, которую целесообразно использовать и для бонитировки речных систем Подольской возвышенности

Рассчитаны топологические коэффициенты: бифуркации, длины, площади, уклонов и углов слияния. Проанализирована трансформация гидрографической сети во времени с помощью коэффициентов бифуркации и длины.

Определены основные фоновые характеристики гидрографической сети: густоты речной сети г_F по уровням иерархии водотоков, гидроморфологический и геоморфологический показатели и коэффициент структуры речной сети.

Впервые для рек Подольской возвышенности получены функциональные зависимости коэффициента структуры с показателями гидрографии, среднемноголетними годовыми и минимальными расходами воды.

Выполнен расчет максимального стока весеннего половодья для рек Подольской возвышенности на базе формул: редукционной и операторной структуры, предложенной Е.Д. Гопченко.

Впервые для рек Подольской возвышенности установлена связь параметров расчетных схем максимального стока для территории Подольской возвышенности со строением речных систем, предложены варианты замены площади водосбора рек в редукционных формулах на коэффициент структуры.

Проверочные расчеты по всем вариантам формул характеризуются такими показателями: по редукционным формулам при наибольшем упрощении погрешности уровни ± 39.6%, используя структуру речных систем ?± 43.3%; по редукционным формулам с учетом слоев стока, площадь бассейна рек ? ± 36.9%, используя коэффициент структуры речных систем ± 35.6% ; по формуле операторного типа ? ± 19.5% и используя строение ? речных систем ? ± 23.8%.

Таким образом, на примере расчетных схем показана стойкая взаимосвязь между строением речных систем и параметрами речного стока, весеннего половодья рек на территории Подольской возвышенности.

Ключевые слова: речные системы, гидрографические сети, идентификация, речной сток.