Гідрографічна мережа та зливовий стік річок українських Карпат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УДК 556.166+556.01:556.51/54

ГІДРОГРАФІЧНА МЕРЕЖА ТА ЗЛИВОВИЙ СТІК РІЧОК УКРАЇНСЬКИХ КАРПАТ

11.00.07 гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора географічних наук

Кіндюк Борис Володимирович

Київ 2004

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі екології та гідрогазодинаміки в Одеському національному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор Мольчак Ярослав Олександрович, Луцький державний технологічний університет, декан технологічного факультету,

доктор географічних наук, доцент Ободовський Олександр Григорович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри гідрології та гідро екології

доктор географічних наук, професор Ковальчук Іван Платонович, Львівський національний університет імені Івана Франка, завідувач кафедри конструктивної географії і картографії

Провідна установа: Одеський державний екологічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться 27 травня 2004р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.001.22 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, м.Київ, вул. Васильківська, 90, географічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м.Київ-33, вул. Володимирівська, 64.

Автореферат розіслано 27 ківтня 2004р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 кандидат географічних наук, доцент Гребінь В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження зумовлена необхідністю вирішення завдання щодо мінімізації величезних матеріальних збитків і розмірів руйнувань, яких завдають зливові паводки народному господарству і населенню Карпатського регіону. Так, втрати від дії листопадового паводка 1998р. оцінюються у 810 млн. грн., березневого 2001р. в 300 млн. грн. В цілому за даними Держводгоспу України щорічна сума втрат від проходження таких паводків складає 200 млн. грн., до цієї цифри додається 77 млн. грн. екологічного збитку і 19 млн. грн. - на соціальні виплати.

Крім матеріальних втрат і руйнувань господарських обєктів, залізничних і шосейних доріг, ліній електропередач, проходження катастрофічних паводків не обходиться і без людських жертв.

Наслідки впливу водної стихії ставлять проблему дослідження характеристик зливового стоку як одне з важливих завдань сучасної географічної науки і, зокрема, її розділу гідрології суші. Вирішити це завдання на належному рівні неможливо без урахування впливу структури річкової мережі.

Виходячи з цього, постає необхідність розробки нової методології гідрологічних розрахунків з більш детальним описом топологічної структури річкової мережі, яка дала б можливість розкрити нові особливості формування дощових паводків.

Питання ієрархічної будови річкових систем в значній мірі є новими як для гідрологічної науки в цілому, так і для дослідження водотоків Карпатського регіону. Зокрема, це обумовило необхідність ввести до складу операторної структури формул для розрахунку максимальних витрат води фонові показники річкових басейнів.

У звязку з тим, що на річках Українських Карпат планується широкомасштабне гідротехнічне будівництво, постало питання про забезпечення зацікавлених організацій надійними вихідними гідрометеорологічними даними. Існуючі ряди спостережень за стоком, як правило, мають невелику тривалість і, нажаль, багато пропусків. Для вирішення поставленого завдання необхідно збільшити обсяг фактичної інформації, відновити дані за пропущені роки, а також провести оцінку однорідності і стаціонарності рядів максимальних витрат води зливових паводків.

Наявність подовжених рядів дозволить розглянути ще одну з важливих проблем гідрологічної науки урахування коливань витрат води зливових паводків.

Це питання має важливе теоретичне і практичне значення, оскільки річки України перебувають у фази підвищеної водності.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації виконувались в рамках планів науково-дослідних робіт під час роботи автора в УкрНДГМІ Держкомгідромету України, в Одеському сільськогосподарському інституті, в Одеському національному політехнічному університеті (ОНПУ), автор брав безпосередню участь у виконанні держбюджетних і госпдоговірних тем у складі наукового напряму роботи відділу гідрології УкрНДГМІ, кафедри екології ОНПУ, а також у спільних дослідженнях з кафедрою гідрології суші Одеського державного екологічного університету. Одержані автором результати увійшли складовою частиною до таких тем:

“Водный каталог расчетных максимальных суточных осадков, расчетных уровней и расходов воды на реках Украины” (частина ІІІ), інв.№623624, УкрНДІ Держкомгідромету, Київ, 1988р.

“Розробка методів вивчення екологічного ризику для множини різнорідних факторів довкілля”, № держ. реєістрації 0198U001808, облік. №0201U003533, Одеса, 2001р.

“Розробка та практична реалізація математичних моделей для розрахунку і прогнозування характеристик катастрофічних дощових паводків на річках Карпат”, № держ. реєстрації 0101U003155, облік.№0204U000074, ОДЕКУ, Одеса, 2003р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є формування основ гідролого-топологічного аналізу структури річкових систем, розробка методів і методик визначення фонових показників річкових басейнів, упровадження цих параметрів в операторну структуру формул для розрахунку основних характеристик зливових паводків, а також оцінка водності малих річок регіону.

Для реалізації поставленої мети в дисертаційній роботі вирішувались такі задачі:

обґрунтування і формулювання теоретико-методичного підходу до характеристики ієрархічної будови річкових систем;

розробка нових показників, які враховують особливості морфометричної будови річкових водозборів;

обґрунтування і числові розрахунки нових фонових показників, які відображають балансові співвідношення між морфометричною будовою річкової мережі й обємом води зливових паводків, використання значень цих показників для районування території Українських Карпат;

удосконалення методики відновлення пропущених даних спостережень за стоком і подовження існуючих рядів гідрологічних характеристик;

оцінка ефективності запропонованого способу відновлення величин стоку, впровадження критеріїв перевірки точності методу на залежному і незалежному матеріалі;

дослідження однорідності і стаціонарності рядів максимальних витрат і шарів стоку зливових паводків, виявлення випадків різкого відхилення екстремальних значень;

розробка нової методики визначення максимальних витрат води заданої ймовірності перевищення для невивчених річок шляхом впровадження фонових показників в операторну структуру формул паводкового стоку, запропонованих Є.Д.Гопченком (2000 р.);

розробка методу виділення десятирічних і багаторічних кліматичних тенденцій в рядах характеристик зливового стоку, вивчення спрямованості тенденцій зміни клімату та їх територіальна локалізація.

Обєктом дослідження є малі річки Українських Карпат (басейнів Тиси, Дністра, Прута і Сірета), площі водозборів яких в абсолютній більшості випадків менші ніж 2000 км².

Предметом дослідження є методологія структурного аналізу річкової мережі, територіально-узагальнюючий метод розрахунку характеристик зливового стоку, кліматичні тенденції в рядах зливового стоку з метою мінімізації збитків, які завдаються народному господарству.

Методи дослідження. Розроблені і застосовані в цій роботі методи гідролого-топологічного аналізу річкових систем базуються на працях відомих спеціалістів і водночас розвивають, теоретичний фундамент системного вчення про просторову структуру гідрографічної мережі (Р.Е.Хортон, І.Н.Гарцман, Р.Л.Шреве, М.О.Ржаніцин, А.Є.Шайдегер, І.П.Ковальчук, Ю.Г.Симонов), деякі аспекти теорії фонових показників підстильної поверхні, які використовувались з метою районування регіону (А.М.Бефані, І.Н.Гарцман, В.М.Самойленко, А.В.Яцик), а також основні положення гідрологічних розрахунків (А.М.Бефані, Д.Л.Соколовський, А.В.Огієвський, Й.А.Железняк, П.Ф.Вишневський, В.І.Мокляк, Є.Д.Гопченко, О.Г.Іваненко).

При написанні роботи використано положення таких наук, як загальна гідрологія, річкова гідравліка, гідрологічні розрахунки, гідроекологія, математична статистика, водні ресурси. Обробка вихідних даних виконувалась з широким застосуванням кореляційного і регресивного аналізів, методів математичної статистики.

Вихідними матеріалами для узагальнень були опубліковані дані з типізації річок України, гідрологічні щорічники, матеріали Гідрометслужби, Мінводгоспу, Мінекоресурсів України, інша допоміжна література. Крім того, використовувалась докладна інформація Закарпатської воднобалансової станції про швидкості течії, рівні і витрати води під час проходження значних зливових паводків.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в розвитку теоретичних, методологічних основ структурного аналізу річкових систем, науково-методичної бази для розрахунку характеристик зливового стоку і містить такі положення:

на основі структурного аналізу річкових систем виконано їх ідентифікацію і досліджено чотири закономірності підпорядкування гідрографічних елементів на прикладі малих водотоків Українських Карпат;

запропоновано пяту закономірність будови річкових систем, згідно з якою середні кути злиття водотоків збільшуються із зростанням рівня їхньої ієрархії;

розроблено систему фонових показників річкових систем, доведено чітку відповідність цих параметрів балансовим співвідношенням між характеристиками гідрологічної мережі та її водністю;

виконано районування території Українських Карпат за числовими значеннями коефіцієнта регулюючої здатності русел і гідроморфологічного показника, за допомогою критерію Гаусса зроблено оцінку обґрунтованості меж географічного узагальнення цих характеристик;

доведено теоретично і підтверджено даними гідрометричних вимірювань наявність звязку між числовими значеннями фонового показника А.М.Бефані і величинами площ перерізів русел водотоків;

за допомогою четвертого фонового показника - коефіцієнта структури річкової мережі - виконано оцінку впливу лісу на величину максимальних модулів зливового стоку, показано можливість їхнього зниження до 50% за рахунок зменшення залісеності водозборів;

розроблено новий варіант формули для розрахунку швидкостей добігання хвиль зливових паводків на річках Українських Карпат;

розроблено методику відновлення значень пропущених гідрологічних характеристик (витрат води, шарів зливового стоку), здійснено перевірку ефективності цієї методики на залежному і незалежному матеріалах;

виконано оцінку однорідності і стаціонарності відновлених рядів гідрологічних характеристик зливового стоку, виявлено окремі випадки відхилень (викидів);

запропоновано територіально-узагальнюючий метод визначення шарів зливового стоку, коефіцієнта русло-заплавного регулювання, які входять в операторну структуру формул, запропонованих Є.Д.Гопченком (2000 р.) для розрахунку максимальних витрат води зливових паводків заданої імовірності перевищення;

розроблено методику дослідження коливань водності малих річок Українських Карпат з використанням величин максимальних витрат води зливових паводків.

Практична значущість одержаних результатів полягає в застосуванні основних положень системного аналізу структури річкових систем і розробці на їх базі нових формул для розрахунку характеристик зливових паводків на малих річках досліджуваного реґіону.

Конкретні практичні результати роботи включають такі положення, більшість з яких одержано вперше:

визначено числові значення пяти топологічних параметрів, які відображають ієрархію річкової мережі малих річок Українських Карпат;

розроблено схему районування території за двома фоновими показниками: коефіцієнтом регулюючої здатності річкової мережі та гідроморфологічним коефіцієнтом;

запропоновано метод розрахунку площ живих перерізів русел водотоків у залежності від величини геоморфологічного параметра;

запропоновано новий варіант формули, який дозволяє розрахувати швидкості добігання хвиль зливових паводків за відсутності даних спостережень;

виконано відновлення величин максимальних витрат води і шарів зливового стоку за пропущені роки; подовження фактичних рядів цих гідрологічних характеристик дозволило збільшити середню тривалість спостережень з 39,2 до 72 років;

досліджено стокові характеристики на раніше закритих 43-х гідрологічних постах за допомогою спеціально введених критеріїв, що дозволило довести необхідність відновлення спостережень майже на половині з них (з цього питання підготовлено рекомендації для Держгідрометслужби);

виконано перевірку подовжених рядів на однорідність і стаціонарність, виявлено випадки відхилень в емпіричних розподілах і проведено їх генетичний аналіз;

на основі подовжених рядів основних гідрологічних характеристик побудовано емпіричні криві розподілу, апроксимовані за допомогою аналітичних функцій, виконано розрахунки величин витрат води і шарів зливового стоку 1%-вої ймовірності перевищення для 97 водпостів на території Українських Карпат;

внесено зміни в методику розрахунку величин максимальних витрат води дощових паводків у рамках операторної структури формул Є.Д.Гопченка (2000р.) з використанням фонових показників річкових басейнів;

за допомогою 3-х методів, використовуючи ряди строкових максимальних щорічних витрат води зливових паводків, виконано оцінку тенденцій коливань водності, зроблено висновок стосовно настання на більшості річок України фази підвищеної водності, що збільшує ймовірність проходження зливових паводків і затоплення територій, виникнення загрози життю людей та діяльності господарських обєктів.

Особистий внесок автора в роботу. Самостійною розробкою автора є теоретичні положення гідролого-топологічного аналізу річкових систем малих річок Українських Карпат. На основі аналізу деревоподібних структур річкових систем автором запропоновано закономірність кутів злиття водотоків, яка стверджуює, що відбувається зростання цієї характеристики із підвищенням рівня ієрархії водотоків. Автором внесено пропозиції стосовно видозміни формул для розрахунку фонових показників річкових басейнів з метою їх кращого пристосування при урахуванні особливостей формування зливового стоку на річках Українських Карпат.

Автором доведено аналітично і підтверджено даними гідрометричних вимірювань на Закарпатській воднобалансовій станції (ЗВБС) наявність звязку між геоморфологічним параметром і площами перерізів малих річок.

Автором самостійно розроблено методику подовження рядів основних гідрологічних характеристик і відновлення пропусків у них; запропоновано новий варіант формули для розрахунку швидкостей добігання хвиль дощових паводків для невивчених річок, методику оцінки коливань водності на малих водотоках реґіону.

Автором внесено зміни в операторну структуру формул для розрахунку максимальних витрат води дощових паводків, запропоновану Є.Д.Гопченком (2000р.), шляхом введення в неї фонових показників річкових басейнів, і доведенням шляхом перевірочних розрахунків можливость її застосування на практиці. Здобувач користувався порадами і консультаціями професорів Є.Д.Гопченка, О.Г.Іваненка, О.О.Свєтлічного, доцента ОДЕКУ В.А.Овчарук, нач.відділу УГО Держкомгідромету О.Є.Пахалюк, за що висловлює їм щиру вдячність.

Автор вважає своїм обовязком згадати імя засновника української національної гідрологічної науки, професора, д.т.н. А.В.Огієвського, якому належить теоретико-методологічна концепція виняткової ролі гідрографічної мережі в формуванні паводкового стоку. Реалізація цієї ідеї дозволила автору виконати дисертаційну роботу і вирішити низку досить серйозних наукових і практичних завдань гідрологічної науки.

Апробація роботи. Наукові результати дослідження, обєднані в дисертаційну роботу, багаторазово доповідались на семінарах кафедри екології і гідрогазодинаміки, щорічних наукових конференціях Одеського сільськогосподарського інституту (1988,1992рр.), Одеського національного політехнічного університету (2001,2003рр.), в різних проектних організаціях, дослідних і навчальних установах. Окремі положення і результати дисертації доповідались на Всесоюзній конференції “Вернадський і сучасна наука” (Одеса,1989р.), на міжнародному симпозіумі “Управління і охорона узбережжя північно-західного Причорноморя” (Одеса, 1996р.), міжнародній конференції “Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища-2002”, присвяченій 70-річчю створення Одеського державного екологічного університету (Одеса, 2002р.), на ІІ-й міжнародній науково-практичній конференції “Ресурси природних вод Карпатського реґіону” (Львів, травень 2003р.), на VIII-й науково-практичній конференції “Оцінка техногенного впливу на довкілля” (Кременчук, вересень 2003р.), на третіх міжнародних читаннях (конференції) “Антропогенні географія і ландшафтознавство в XX, XXI століттях” (Вінниця, жовтень 2003р.), на міжнародній конференції “Форум гірників 2003” в секції проблем екології (Дніпропетровськ, жовтень 2003р.), на ІІ-й Всеукраїнській науковій конференції “Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія” (Київ, листопад 2003р.).

Публікації. Результати дисертаційного дослідження опубліковані в одноосібній монографії, 34 статтях, з них 30 - в наукових виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура та обєм дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 201 найменування. Вона містить 242 сторінки основного тексту, 53 рисунки, 35 таблиць, 7 додатків на 32 сторінках. Загальний обсяг роботи 347 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі визначено актуальність теми дослідження, наведено кількісні показники матеріальних втрат від дії зливових паводків, викладено методи дослідження, основні завдання, новизну і практичне значення одержаних результатів.

Перший розділ - “Теоретичні основи топології і методів індикації річкових систем”, присвячено методам структурного аналізу, питанням походження річкової мережі і дослідженню закономірностей її будови.

Проведено аналіз методів урахування морфометричних показників річкових басейнів при розрахунках характеристик паводкового стоку. Показано, що до складу формул, запропонованих Ф.П.Зборжеком, М.Є.Долговим, М.М.Протодьяконовим, Д.Л.Соколовським, Г.А.Алексєєвим, А.М.Бефані, А.В.Огієвським, вводились різні характеристики морфометричної будови водозборів. При використанні макрогенетичної теорії А.В.Огієвського у розрахунок бралась ідограма басейну, що дозволило В.І.Мокляку, П.Ф.Вишневському, Й.А.Железняку розробити ряд методик для визначення максимальних витрат води паводкового стоку. В роботах Є.Д.Гопченка та О.Г.Іваненка морфометричні показники басейну враховуються при обчисленні характеристик паводкового стоку з допомогою системи ізохрон (еквідистант) та інших параметрів.

Наведено опис етапів розвитку і подальшої еволюції гідрографічної мережі. Походження і динаміка мережі повязані з віком, а також з генезисом Карпатських гір. Дослідження геоморфологів свідчать про наявність у давнині на території Карпат моря, розділеного поздовжніми пасмами суші або кордельєрами. Зміни в будові річкової мережі повязані з процесами горотворення, коливаннями рівня моря, оскільки це обумовлює зміну базису ерозії. Ряд дослідників вважають, що в давнину гідрографічна мережа регіону мала будову, зовсім відмінну від сьогоднішньої. Так, вважається, що давній Дністер (сарматський Прадністер) протікав по зовсім іншому руслу, яке проходило долиною р.Случ, і впадав у Сарматське море в районі м.Вінниця. Досить велике озеро існувало у межиріччі річок Ріка і Теребля, в яке впадали річки Боржава, Іршава і інші водотоки. Наслідки дії льодовика змінили напрямок течії ряду річок. Так, річка Дністер під час льодовикового періоду протікала Сано-Дністровською низовиною в басейн р.Вісла.

Розглядаються методи гідрографічної індикації річкових систем, розроблені Р.Е.Хортоном, М.О.Ржаніциним, Р.Л.Шреве, І.П.Ковальчуком.

Теорія Р.Е.Хортона побудована на поданні річкової мережі у вигляді ідеалізованої деревоподібної системи. Використавши як метричний крок поняття порядок водотоку (П_і), він запропонував схему бонітіровки річкових систем. В роботі, яка пропонується, виконано аналіз методу Р.Е.Хортона та інших авторів, виявлені їх переваги і недоліки. Запропоновано для практичної роботи використовувати удосконалену методику Р.Е.Хортона. За цією формулою виконано бонітування 17 основних річок Карпатського регіону, яка показала наявність на території Закарпаття однієї річки 6-го порядку ієрархії Тиси, шести річок 5-го порядку ієрархії Тересви, Тереблі, Ріки, Боржави, Латориці та Ужа і однієї річки 4-го порядку Шопурки. Аналогічне дослідження річок Передкарпатського регіону дало можливість визначити, що р.Прут (до м.Чернівці) належить до 7-го порядку ієрархії, річки Стрий, Ломниця, Бистриця до 6-го, а три водотоки р.Дністер (до с.Корналовичі), Бистриця-Тисменицька і Свіча до 5-го порядку.

Вивчаючи структуру різних річкових систем, Р.Е.Хортон в результаті індуктивного узагальнення великого емпіричного матеріалу вказав на наявність ряду закономірностей її будови. Перша з них називається закономірністю зміни кількості приток в річковій системі, друга довжин водотоків, третя законом площ (запропоновано С.А.Шамом), четверта ухилів річок. Суть цих закономірностей полягає в тому, що значення довжин і площ утворюють зростаючі, а кількість приток і їхні середні ухили спадні геометричні прогресії.

Дослідження автора показали наявність пятої закономірності, згідно з якою середні кути злиття водотоків також утворюють зростаючу геометричну прогресію. Розрахунки пяти топологічних коефіцієнтів (загальних знаменників прогресій) дозволили одержати їхні числові значення для основних річок Українських Карпат. Величини коефіцієнтів біфуркації змінюються від 3,12 на р.Лімниця до 4,58 - у р.Бистриця, довжин від 2,01 на р.Бистриця до 2,77 - у р.Шопурка, площ від 1,16 на р.Сірет до 1,51 у р.Шопурка, ухилів від 1,23 на р.Сірет до 1,82 - у р.Латориця, кутів злиття від 1,05 на р.Бистриця-Тисменська до 1,25 - у р.Латориця.

Показано можливість використання значень топологічних параметрів на практиці. Такою досить трудомісткою задачею є розрахунок густоти річкової мережі . Її величина обчислювалась за допомогою біфуркаційних коефіцієнтів і довжин за формулою:

,

де середня довжина приток першого порядку,

F площа водозбору,

- параметр, який дорівнює відношенню .

Виконано порівняння величин густот, розрахованих картографічним і аналітичним методами, яке показало, що величини похибок відрізняються в середньому по території на ±29%. Зроблено висновки щодо можливості використання аналітичного методу для розрахунку невивчених річок реґіону.

У другому розділі “Фонові морфометричні параметри річкових басейнів та їх вплив на зливовий стік” виконано районування території Українських Карпат, показано звязок фонових показників з морфометричними параметрами русел річок, оцінено вплив лісу на максимальні модулі дощових паводків.

Розглянуто питання функціонування і розвитку гідрографічної мережі, її звязок з водністю річок. На конкретних прикладах показано значну редукцію модулів зливового стоку () при переході від річок нижчих порядків до вищих . Завдяки роботам І.Н.Гарцмана зявились кількісні показники у вигляді гідроморфологічного коефіцієнта (), який відображає балансові співвідношення між характеристиками річкової мережі та водністю. На основі аналізу умов формування зливового стоку річок Карпатського регіону в роботі запропоновано дещо іншу формулу для розрахунку величини . Наведено числові значення показника , розрахованого для 97 річкових басейнів, розташованих на території Українських Карпат. Найбільші величини припадають на басейни річок Латориця (= 4,01ч5,21) і Стрий (= 4,9ч5,85), найменші на річки Ріка (= 1,93ч3,0) і Свіча (= 2,01ч2,67).

Другим фоновим показником складності структур річкових систем є коефіцієнт регулюючої здатності . З допомогою критерію можна порівняти між собою різні гідрографічні мережі, незалежно від числового порядку П_і.

Використовуючи положення гідролого-географічного методу і числові значення коефіцієнта , виконано районування досліджуваної території, яке дозволило встановити межі шести районів: І. Верхньо-Тисенського басейни річок Тиса, Тересва, Шопурка;

ІІ. Середнього Закарпаття басейни річок Ріка, Теребля;

ІІІ. Західно-Карпатського басейни річок Уж, Латориця, Боржава;

ІV. Покутсько-Буковинських Карпат басейни річок Прут, Черемош, Сірет;

V. Скибових Карпат басейни річок Свіча, Лімниця, Бистриця;

VІ.Верхньо-Дністровського басейни річок Дністер (до с.Корналовичі), Тисьмениця, Стрий.

Ще однією перевіркою достовірності меж районів та обєктивності обєднання басейнів став розрахунок величин критерію Гаусса. Аналіз результатів розрахунків підтвердив обґрунтованість запропонованої схеми районування, оскільки в більшості випадків величини критерію Гаусса не дуже відрізняються від його критичних значень. Для кожного району побудовано графіки звязку з достатньо високими коефіцієнтами кореляції.

Доведено аналітично і підтверджено даними гідрометричних вимірювань наявність звязку між величинами Ф_Б і площами живих перерізів русел річок .

Розвиток методів системного аналізу показав доцільність введення ще одного фонового показника (А.Е.Шайдегер, 1971р.), яким є коефіцієнт структури річкової мережі K. Показано наявність досить тісного звязку між величинами K і площами водозборів, а також середньобагаторічними модулями максимального зливового стоку.

За допомогою регресійних методів побудовано сплайнові поверхні між середньобагаторічними модулями зливового стоку, величинами залісеності і коефіцієнтами структури річкової мережі K. Показано можливість зниження модулів зливового стоку під впливом залісеності до 50%.

Розроблено практичну схему розрахунку часу (швидкості) добігання високих зливових паводків за допомогою методу, основаного на використанні кривих руслової місткості , який запропонував Й.А.Железняк (1969 р.).

Величини часу добігання (), обчислені за таким способом, порівнювались зі значеннями (), розрахованими прямим шляхом, тобто по різниці в строках настання максимумів опадів і стоку (з використанням матеріалів Закарпатської воднобалансової станції). В роботі показано достатню близькість цих величин.

Використовуючи структуру формули для розрахунку швидкості добігання (), запропоновану А.М.Бефані (1958 р.), зворотним шляхом визначено величину швидкісного коефіцієнта , увязану зі значеннями показника структури мережі K.

Запропоновано новий варіант формули для визначення у вигляді:

, (км/д),

де і емпіричні параметри, що дорівнюють відповідно 0,31 і 0,2;

F - площа водозбору,

І - середній ухил водотоку.

Перевірні розрахунки за цією формулою показали її достатню точність, оскільки величини відрізняються в середньому на ±15%. Межею застосування методу є річки з площами водозборів до 2,0 тис.км².

В третьому розділі “Відновлення основних характеристик зливового стоку” розглянуто гідрометеорологічні умови, які спричиняють формування визначних зливових паводків, викладено методику відновлення пропущених значень основних гідрологічних характеристик. Показано, що територія Українських Карпат є одним із найбільш паводконебезпечних районів країни. Наведено класифікацію паводків, дати проходження найвищих зливових паводків, їх основні характеристики.

Розглянуто загальні синоптичні умови над досліджуваним регіоном, показано роль архітектурної будови Карпатських гір у розподілі опадів. Досліджено різні сценарії розвитку гідрометеорологічної обстановки при формуванні визначних дощових паводків.

Проаналізовано гідрометеорологічні умови літньо-осіннього періоду 1998р. Виконано розрахунок: індексів попереднього зволоження за формулою Коллера, середніх шарів опадів, коефіцієнтів стоку, показано наявність звязку між індексами зволоження і показниками форми гідрографів. Надано практичні рекомендації щодо мінімізації збитків, яких завдають зливові паводки народному господарству реґіону.

Досліджено питання гідрологічної вивченості малих річок реґіону, виконано класифікацію вихідної інформації щодо розмірів площ водозборів, розподілу по території, тривалості спостережень, висотного місцеположення.

Показано невідповідність вимог СНіП 2.01.14-83 до класу капітальності водогосподарських обєктів, які висуваються до тривалості рядів спостережень за стоком, їх фактичних величин. Терміни експлуатації складають в середньому 200 років для споруд І класу капітальності, 100 років для споруд ІІ класу капітальності, 33 роки для ІІІ класу. Причина такої розбіжності полягає в недостатній тривалості фактичних рядів стокових характеристик, а також у скороченні кількості пунктів спостережень майже на 50% у порівнянні з мережею, яка функціонувала на річках реґіону раніше.

Було переглянуто методику, розроблену раніше Державним Гідрологічним інститутом (Росія, 1979р.), внесено зміни в розрахункову схему і в умови її ефективності. Так, запропонована в дисертаційній роботі схема дозволяє оперувати з будь-якою кількістю передбачуваних аналогів, а не тільки з девятьма, які мають найбільший коефіцієнт парної кореляції із рядом, що відновлюється. Доведено, що вибір передбачуваних аналогів лише за величиною парного коефіцієнта є недостатнім, тому що в рівняння з двома або трьома аналогами можуть входити ряди і з невеликими коефіцієнтами парної кореляції. Їх використання разом з іншими доданками в рівнянні (9) дає суттєвий приріст коефіцієнта множинної кореляції і дозволяє розширити обсяг використаної інформації.

Як критерії відновлення запропоновано використовувати і кількість відновлених років (Дn%), стандартну відносну похибку розрахованих значень (), співвідношення і середньоквадратичного відхилення вихідного ряду (), статистики Фішера і Стьюдента, а також два критерії якості методики.

Перший k₁, який характеризує відмінність між похибками відновлення () на залежному і () незалежному матеріалі, а також k₂, що дорівнює співвідношенню двох стандартних похибок.

Результати виконаних розрахунків показали, що ефективними для відновлення рядів на водозборі Тиси, Тересви, Шопурки є 80%, Ріки, Тереблі 46%, Боржави, Латориці, Ужа 67%, Прута, Сірета, Черемоша 43%, Свічі, Ломниці, Бистриці 61%, Дністра, Стрию 42%. В роботі наведено дані, які підтверджують, що в більшості випадків відновлення є ефективним. Найбільша кількість відновлених даних на басейнах Тиси, Тересви, Прута, Ломниці, Дністра, Стрию (вона склала від 82 до 92% від вихідного обсягу ряду).

Наводяться дані, з яких виходить, що шари зливового стоку відновлюються значно гірше, ніж максимальні витрати води. Так, відносна кількість відновлених рядів по шарах стоку складає для річок басейну Тиси, Тересви 58%, Ріки, Тереблі 64%, Боржави, Латориці, Ужа 33%, Прута, Сірета 92%, Ломниці 61% і для річок верхнього Дністра, Стрию 50%. По басейнах Тиси, Свічі, Тересви, Ломниці, Бистриці, а також верхнього Дністра і Стрию відновлено менше даних по шарах стоку, ніж по максимальних витратах води. В цілому, відсоток рядів, для яких відновлення по шарах стоку ефективне, трохи менше ніж по (44% проти 53%). Розподіл по басейнах річок цих рядів такий: на водозборах Тиси, Тересви 43,3%, Ріки, Тереблі 46,1%, Боржави, Латориці, Ужа 37,5%, Прута, Сірета 35,3%, Ломниці, Свічі, Бистриці 50% і у верхівях Дністра 52%. Середня відносна стандартна похибка відновлення, одержана на залежній інформації, розподіляється таким чином: Тиса, Тересва 26,9%, Ріка, Теребля 23,8%, Боржава, Латориця, Уж 29,8%, Прут, Сірет 27,4%, Бистриця 27,2% і верхівя Дністра, Стрий 29,4%.

Виконаний аналіз показав, в цілому, високу ефективність запропонованої методики, яка дозволила збільшити середню тривалість рядів максимальних витрат води з 39,2 до 72 років, шарів стоку з 39 років до 61 року.

З допомогою додатково введених критеріїв зроблено оцінку ефективності відновлення характеристик стоку 43-х раніше закритих гідрологічних постів. Так, мінімальне значення коефіцієнта кореляції задавалось таким що дорівнює 0,7, а верхньої межі відносної похибки 70%. При цьому оцінювався потенційно можливий період відновлення (як різниця між 2000р. і роком закриття постів), фактична кількість відновлених років (), а також відношення () до потенціально можливої, виражене у % (). Доведено необхідність відновлення роботи 21 гідрологічного поста (список є в роботі), оскільки їхня інформація в подальшому не може бути компенсована за рахунок даних аналогів.

У четвертому розділі “Оцінка однорідності і стаціонарності рядів максимального дощового стоку”, виконано перевірку рядів гідрологічних характеристик на наявність в них випадків різких відхилень.

Наведено короткий огляд інженерних методів розрахунків для проектування гідротехнічних споруд, які базуються на припущенні про стаціонарність стокових характеристик. Практично це означає незмінність у часі статистичних параметрів випадкових процесів.

Разом з тим, як показано дослідженнями (А.І.Чеботарьов, А.В.Рождественський, В.О.Лобанов, П.М.Лютик), ряди гідрологічних характеристик мають позитивну асиметрію, внутрішньорядну, міжрядну (просторову) кореляцію.

Ця проблема є актуальною для реґіону Українських Карпат, тому що ніколи раніше ряди характеристик максимального зливового стоку не перевірялись на відповідність гіпотезам про однорідність і стаціонарність.

Виділено три можливі причини неоднорідності гідрологічних явищ, проаналізовано конкретні випадки їх виявлення.

З допомогою критеріїв Смирнова-Грабса і Діксона, адаптованих до умов гідрологічної інформації А.В.Рождественським, виконано оцінку екстремальних величин, які різко відхиляються.

Розрахунки цих критеріїв виконувались у трьох варіантах: 1) величини статистик визначались без урахування асиметрії (=0) і автокореляції r(1)=0; 2) обраховувались узагальнені статистики при значеннях і r(1), одержаних по індивідуальних рядах; 3) використовувались узагальнені критерії, а величини і r(1) визначались як середні для району.

При виконанні дослідження рівень значущості задавався рівним 5%, якщо з 6 статистик більш ніж у половині випадків гіпотеза відхилялась, то ставився знак “-”, а якщо приймалась, то “+”.

По кожному з 6 виділених районів розраховувались коефіцієнти автокореляції r(1), які виявились незначними за своїми величинами. Результати розрахунків показали, що загальна кількість нестаціонарних рядів по обох параметрах (середнє, дисперсія) становить 26%, причому нестаціонарність середніх значень зафіксована всього в 9 випадках. Нестаціонарність дисперсій відмічена в 23 рядах, причому в 17 з них мало місце її зростання, а в 6 зменшення. У 7 випадках спостерігалась одночасно нестаціонарність середніх і дисперсій.

В цілому можна зробити висновок, що нестаціонарність найбільше проявляється в дисперсіях і в основному повязана з їх зростанням останнім часом. Таким чином, аналіз результатів по районах дозволив намітити деякі можливі реґіональні тенденції змін: в 1-му районі мають місце як позитивні, так і негативні тенденції зміни параметрів, в 2-му районі вони практично відсутні, в 3-му в основному спостерігається зростання дисперсій, в 4-му зростання середніх значень для деяких рядів, в 5-му зменшення середніх значень і дисперсій, а в 6-му збільшення дисперсій для деяких рядів. Для шарів стоку максимальних дощових паводків в межах районів одержані такі результати. В першому районі нестаціонарні по дисперсіях 2 ряди (13% від загальної кількості рядів в районі), які мають різну тенденцію її зміни дисперсії. В другому районі нестаціонарні 6 рядів (40% випадків), з яких в 4-х рядах спостерігається зростання дисперсії, в 2-х - зростання середнього і в 1-му зменшення середнього значень. В третьому районі нестаціонарні також 6 рядів (38% випадків), з них 3 мають зростання середніх значень і 3 зростання дисперсії. В четвертому районі нестаціонарні 3 ряди (18% від загальної кількості рядів), які мають зменшення середніх значень. В пятому районі нестаціонарні параметри у 4-х рядів (22% випадків): 4 по дисперсії (3 з її зменшенням) і 1 ряд характеризується зменшенням середнього значення. В шостому районі нестаціонарні всього 3 ряди (16,7% випадків), де спостерігається зменшення дисперсії. Таким чином, тенденція зростання дисперсії в деяких рядах має місце у другому і третьому районах. В третьому районі, крім того, збільшуються і середні значення. В четвертому районі нестаціонарність повязана із зменшенням середніх значень також в окремих рядах. В шостому районі спостерігається тенденція зменшення дисперсії.

Пятий розділ “Регіональна модель розрахунку характеристик максимального зливового стоку” присвячено питанням визначення основних характеристик зливових паводків при наявності і відсутності даних спостережень за стоком.

Розглянуто методи побудови кривих забезпеченості, їх особливості, межі використання, розрахункові формули. Наявність подовжених рядів максимальних витрат води і шарів зливового стоку дозволила побудувати на їх основі емпіричні криві розподілу для 97 опорних пунктів. Шляхом апроксимації цих функцій одержано числові значення основних параметрів: середніх величин, 1%-вої ймовірності перевищення, коефіцієнтів варіації та асиметрії. Виконано аналіз розподілу по досліджуваній території величин максимальних модулів (q_1%) і шарів зливового стоку 1%-вої забезпеченості (У_1%), виявлено найбільш паводконебезпечні райони Українських Карпат.

Розглянуто теоретичні методи розрахунку характеристик паводкового стоку, запропоновані А.М.Бефані, А.В.Огієвським та іншими авторами. Проаналізовано існуючі формули для розрахунку максимальних витрат води при відсутності даних спостережень.

Результатом аналізу став вибір у якості розрахункової схеми операторної структури формул для визначення максимального паводкового стоку (), запропонованої Є.Д.Гопченком (2000р.).

Розробка методики обчислення шарів зливового стоку 1%-вої ймовірності перевищення виконувалась за допомогою географо-гідрологічного методу, запропонованого В.Г.Глушковим. Вихідними даними для реалізації цього методу стали шари зливового стоку 1%-вої ймовірності перевищення, одержані для 97 опорних пунктів за емпіричними кривими забезпеченості.

В раніше виконаних дослідженнях автором виділено на території Українських Карпат шість гідроморфологічних районів. Для кожного з них побудовано територіально-узагальнююче рівняння, яке пов'язує величини У_1% з морфометричними, гідрографічними і фоновими показниками річкових басейнів. Вибір статистично значущих факторів проводився з допомогою методів крокової процедури і виключення. Крім цього, виконувалось визначення вигляду функціонального перетворення, розрахунок величин довірчих інтервалів, а також обчислення відсотку внеску кожної із змінних, які входять до кінцевого рівняння.

Обчислення параметра виконується за емпіричною формулою в залежності від середньої висоти водозбору, а від відсотку залісеності.

Використавши теорію паводкового стоку А.М.Бефані (1958,1981р.), Є.Д.Гопченко (2000р.) в своїх розробках запропонував загальний математичний вираз для визначення трансформаційної функції. В дисертаційній роботі запропоновано графічний метод розрахунку величин коефіцієнта русло-заплавного регулювання в залежності від геоморфологічного показника басейну .

Таким чином, стало можливим повністю адаптувати операторну структуру формул Є.Д.Гопченка до розвязання задачі визначення характеристик максимального зливового стоку за відсутності даних спостережень на малих річках Українських Карпат. Середнє відхилення розрахованих величин від фактичних становить ±25%, що знаходиться на рівні точності вихідної інформації і дозволяє рекомендувати цю розрахункову схему для практичного використування.

Розділ шостий “Оцінка впливу сучасних коливань клімату на характеристики максимального дощового стоку в Карпатах” присвячено питанням дослідження коливань водності малих річок Карпатського регіону.

Показано важливість розробки цієї проблеми, оскільки з її вирішенням повязані питання планування і раціонального використання водних ресурсів, а також підвищення ефективності роботи гідротехнічних споруд.

Дослідженням коливань клімату займалось багато вітчизняних вчених: В.І.Бабіченко, В.І.Вишневський, В.М.Волощук, М.І.Кирилюк, С.С.Левківський, Н.С.Лобода, В.Ф.Мартазінова, С.Н.Сніжко, М.М.Сосєдко.

Великий обсяг роботи з цієї проблеми ведеться в центрі імені Гадлея (Великобританія) з використанням моделей загальної циркуляції атмосфери і океану (ОЦАО). В роботах М.Давейя протестовано 23 динамічні моделі (ОЦАО), проаналізовано можливість застосування їх для оцінки коливань водності, показано слабке стикування моделей між собою, неможливість використання їх для розробки сценарних оцінок клімату.

За даними Д.Джонсона, який побудував прогностичні карти річного стоку і опадів на перспективу до 2080 року, для території України слід чекати зменшення річного стоку річок на 25-35мм. В дисертаційній роботі показано неможливість урахування цих висновків в практичній діяльності народногосподарських обєктів України, через те, що карти розроблено для досить великих часових інтервалів і територій.

Розглянуто способи вивчення часової мінливості характеристик водності з використанням максимальних витрат води зливових паводків. Показано переваги такого підходу в умовах гірської місцевості, оскільки саме в ній найбільш чітко виявляється дія рельєфу на процес випадання опадів.

В основі запропонованої автором концепції лежить статистичний підхід, який включає такі позиції: 1) виділення довгоперіодних змін і оцінка їх значущості; 2) класифікація території по характеру виявлених змін; 3) узагальнення результатів всередині районів і виявлення регіональних коливань водності.

Практична реалізація цієї концепції виконана за трьома методами:

послідовного усереднення для фільтрації високочастотних коливань;

обчислення коефіцієнтів лінійного тренда;

визначення тенденцій способом згладжування амплітуд циклів.

Перші два способи розрахунку досить добре відомі і описані у відповідній літературі. Третій з них складається з такої послідовності вирішення задачі:

приймається, що часовий ряд спостережень тривалістю в декілька десятиріч включає процеси трьох часових масштабів: міжрічного високочастотного, десятирічного та багаторічного;

задається початкове значення розмаху похибки (Rе), наприклад таке, що дорівнює стандартному відхиленню похибки вимірів або у відсотках від розмаху коливань ряду спостережень, що розглядаються;

з вибраних точок екстремумів вилучаються такі послідовності: мінімум-максимум-мінімум, амплітуди яких менші заданої амплітуди похибки;

в кожному з циклів, що залишились, на гілках підйому та спаду визначаються точки, що відповідають серединам відповідних амплітуд підйому та спаду; ці точки сполучаються прямою або згладженою лінією;

визначаються середини їх амплітуд, за якими відбувається нове згладжування, але тепер уже процесу десятирічного масштабу коливань;

розглядається процес, що залишився, і, у випадку, коли він являє собою один цикл або його частину, одержана згладжена лінія є довгоперіодною кліматичною складовою;

якщо процес далі згладжується (більш ніж один цикл), то збільшується граничне значення похибки і процедура повторюється доти, поки внаслідок наступного згладжування не буде отримано один цикл коливань або його частина.

В кожному ряду максимальних витрат води дощових паводків здійснюється оцінка їх статистичної значущості та внеску в загальний багаторічні коливання. З цією метою додатково визначаються такі відносні показники, як

відношення розмаху довгоперіодної складової до розмаху коливань всього часового ряду (R₁, %);

відношення дисперсії довгоперіодної складової до дисперсії ряду спостережень (R₂, %);

відношення стандартного відхилення довгоперіодної складової до стандартного відхилення ряду спостережень (R₃, %).

Обробка вихідних даних виконувалась із застосуванням всіх трьох методів. Розраховувались середньоквадратичне відхилення і значущість лінійного тренда. Ставився знак “+”, якщо тенденція значуща і позитивна, знак “-”, якщо вона негативна і “0”, якщо тенденція статистично незначуща. У суперечливих випадках, тобто якщо тенденція монотонна, але слабовиражена, знак брався у круглі дужки “(+)” і “(-)”.

Результати виконаних розрахунків показали, що оцінки, одержані трьома способами, не суперечать одна одній.

Аналіз тенденцій коливань водності, чисельних значень чотирьох відносних показників: R, R₁, R₂, R₃ дозволив провести їх локалізацію в межах шести гідроморфологічних районів, виделених у розділі 2. Виходячи з цих даних, одержано такі висновки:

Район І. Верхньо-Тисенський тенденція монотонна, слабопозитивна (+);

Район ІІ. Середнє Закарпаття тенденція монотонна, слабопозитивна (+);

Район ІІІ. Західне Закарпаття тенденція позитивна “+”;

Район ІV. Покутсько-Буковинських Карпат тенденція монотонна, слабонегативна (-);

Район V. Скибових Карпат тенденція позитивна “+”;

Район VІ. Верхньо-Дністровський тенденція позитивна “+”.

Проведений аналіз кліматичних тенденцій в рядах максимальних витрат зливових паводків дозволив зробити висновок стосовно настання на більшій частині території України з кінця XX сторіччя фази підвищеної водності, що добре узгоджується з даними М.М. Сосєдка, О.Н.Адаменка. Це в свою чергу означає підвищення ймовірності появи таких небезпечних явищ, як зливові паводки і повязані з ними несприятливі наслідки.

Висновки

Основною науковою концепцією, реалізованою в роботі, є дослідження ролі топологічних параметрів в процесах формування зливового стоку. Методи, використані при вирішенні даної проблеми, вперше у вітчизняній гідрологічній науці застосовані для вивчення річок, які протікають територією Українських Карпат. Як підсумкові можна виділити такі результати, одержані при виконанні цього дослідження.

1. Створено методологію кількісної оцінки структури річкової мережі у вигляді системи фонових показників.

Досліджено закономірності походження і розвитку річкової мережі Українських Карпат, реконструйовано варіанти змін напрямків руху таких водотоків як Дністер, Тиса, Прут, Бистриця.

2. Виконано аналіз теоретичних методів гідрографічної індикації з використанням різних схем опису будови річкових систем, запропонованих Р.Е.Хортоном, А.Н.Штраллером, М.О.Ржаніциним, Р.Л.Шреве та іншими авторами. Показано ряд недоліків цих методів і доведено необхідність використання на практиці методу індикації Р.Е.Хортона, удосконаленого А.Н.Шталлером і І.Н.Гарцманом. Використовуючи цю схему бонітіровки річкових систем, виконано гідрографічну індикацію 17 основних водотоків Карпатського регіону і визначено числові значення їх рівнів ієрархії.

Виконано розрахунки чотирьох топологічних параметрів будови річкової мережі, введених Р.Е.Хортоном: коефіцієнтів біфуркації, довжин, площ, ухилів. Зроблено аналіз розподілу величин цих характеристик у межах території Українських Карпат. Показано можливість практичного використання коефіцієнтів біфуркації і довжин для розрахунку густоти річкової мережі невивчених річок.

На основі аналізу деревоподібних структур річкових систем запропоновано пяту закономірність опису їх будови, названу закономірністю кутів злиття водотоків. Згідно з цим науковим положенням, величини кутів злиття річкових потоків збільшуються із зростанням порядку системи. Підраховано значення відповідних коефіцієнтів для всіх 17 річок Українських Карпат.

3. Запропоновано видозмінити формули для розрахунку фонових показників річкових басейнів і адаптувати їх до умов формування зливового стоку в Українських Карпатах. Використовуючи як критерії величини гідроморфологічного коефіцієнта і коефіцієнта регулюючої здатності русел, виконано районування території Українських Карпат, виділено шість гідроморфологічних областей, перевірено точність визначення їхніх меж методом спільного аналізу.

Внесено зміни в формулу А.М. Бефані для розрахунку геоморфологічного фактора, визначено значення цього параметра в новій редакції. Виведено формулу, яка повязує величину геоморфологічного фактора з величинами площ живого перерізу русел річок, визначено числові значення емпіричних коефіцієнтів цієї формули. Показано залежність величини геоморфологічного фактора від розмірів площ водозборів і топологічних характеристик річкових басейнів.

Вперше для річок України виконано розрахунки коефіцієнтів структури мережі, які характеризують ступінь складності будови річкових систем, за допомогою метричного кроку кількості приток першого порядку. Оцінено тісноту звязку цього параметра з водністю річок, їх морфометричними і гідрографічними характеристиками.

...