Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (196 наименований) и 6 приложений. Ее содержание изложено на 173 страницах машинописного текста, в том числе 35 таблиц и 39 рисунков. Общий объем работы составляет 218 страниц.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность доктору географических наук, профессору Марии Андреевне Андреевой , доктору географических наук, профессору Надежде Степановне Рассказовой, за руководство и помощь при выполнении данного исследования. Также, автор считает своим долгом выразить глубокую признательность сотрудникам кафедры гидрологии и охраны водных ресурсов Пермского государственного университета, за ряд ценных замечаний в ходе выполнения работы.

За предоставленные материалы автор благодарит заведующего гидрологическим отделом Челябинского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Владимира Ивановича Афонина.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

На защиту вынесено три положения, которые рассматриваются ниже:

Положение 1. Структура многолетних колебаний сезонного стока рек Челябинской области характеризуется внутривековыми ритмами продолжительностью: 2 - 4, 6 - 8, 11 - 14, 17 - 18, 22 - 23 лет.

Многолетний характер сезонного стока подвержен колебаниям и определяется всей совокупностью природных условий. Его исследованию посвящены работы: Б.Д. Зайкова (1933, 1944, 1946), В.Г. Андреянова (1953, 1957, 1960, 1966), В.Д. Быкова (1963, 1967, 1968, 1972, 1974, 1978), Т.П. Девятковой (1966, 1968, 1969, 1970), В.А. Стряпчего (1973, 1979), Е.Б. Соболевой (1981), М.А. Андреевой (1983, 1991), А.М. Гареева (1989) и др.

Подавляющее большинство исследователей считают, что ритмичность в природных процессах и явлениях - это неотъемлемая закономерность географической оболочки Земли. Причиной, вызывающей в ней ритмические колебания являются ритмы космоса. Космические ритмы порождают на Земле колебания себе подобные, а производные ритмы, являющиеся их интерференцией - случайные колебания. Ритмические колебания обнаружены практически во всех природных явлениях и обусловлены воздействием глобальных факторов земного и внеземного происхождения. Приливные силы Луны и Солнца действуют на поверхность Мирового океана, заставляя ритмически пульсировать океанические течения. Пульсация последних, порождает изменения в общем переносе тепла и влаги на Земле. В итоге возникают сложные ритмические колебания климата и вод суши на Земле (Саруханян, Максимов, Смирнов 1970, Максимов, 1972, 1977, 1995, Рассказова, 2003 и др.).

Основным показателем многолетних колебаний стока во времени и в пространстве является их ритмичность. Для выявления ритмов сезонного стока рек исследуемой территории в качестве основного, применялся математический метод "Фурье - анализ" реализованный в ИС-технологии "Природа". Были вычислены длительность ритмов, их процентные значимости и амплитуды колебаний гармонических составляющих, подтверждающих достоверность существования ритмов колебаний. Ведущие ритмы в сезонном стоке рек Челябинской области показаны на примере весеннего стока и представлены табл. 1. (фрагмент).

Таблица 1 речной сток ритм синоптический атмосферный

Положение 2. Ведущие ритмы, выявленные в многолетних колебаниях сезонного стока рек Челябинской области, характеризуются определенными закономерностями.

Для выявления закономерностей многолетних колебаний сезонного стока, реки в пределах Челябинской области группировались по трем бассейнам. В результате анализа удалось для каждого бассейна выявить ритмы, преобладающие в многолетних колебаниях сезонного стока рек (табл. 2).

Таблица 2

Основные ритмы многолетних колебаний сезонного стока рек (в годах)

* - ритмы, обладающие наибольшей значимостью (ведущие)

1. Анализ табл. 2 показывает, что структура сезонных многолетних колебаний величин стока характеризуется следующими закономерностями в продолжительности ритмов сезонного стока в трех бассейнах рек - Камского, Тобольского, Уральского:

а) В весенний период в сезонном стоке рек всех трех бассейнов наблюдается ритм продолжительностью 18 лет. При этом в бассейне Камы и Тобола он является ведущим, что подтверждает исследования многолетних колебаний годового стока, выполненных Н.С. Рассказовой (2003). В весенний период ритмы многолетних колебаний стока рек Камского и Тобольского бассейнов более продолжительны в отличие от рек Уральского бассейна, где наблюдается тенденция к уменьшению их длительности.

б) В сезонном стоке летне-осеннего периода, наряду с повсеместным распространением 17-18-летней вариации, наблюдается устойчивый 22-23-летний ритм (ритм смены полярности солнечных пятен). Для рек бассейна Урала ритм продолжительностью 22-23 года является ведущим. В этот сезон для рек бассейнов Урала и Тобола характерно наличие более продолжительных ритмов по отношению к рекам Камского бассейна.

в) Для зимнего сезона характерно наличие устойчивого 11-14-летнего солнечно обусловленного ритма, наряду с 17-18 и 6-7 летними ритмами. В этот период для рек области (Камский и Тобольский бассейны) характерно наличие более устойчивых ритмов, по сравнению с реками бассейна Урала.

Таким образом, основные ритмы, проявляемые на территории области не однозначны. Длительность ритмов в основном увеличивается с севера на юг и с запада на восток. Причины таких различий в ритмических колебаниях связаны с особенностями проявления атмосферной циркуляции и другими геофизическими факторами, которые отражаются на колебаниях гидрометеорологических процессов и явлений.

Как установлено ранее А.С. Шкляевым (1964) и К.Е. Орловой (1968), неоднородность ритмических колебаний сезонного стока связана с особенностями проявления атмосферной циркуляции и другими геофизическими факторами. Атмосферная циркуляция и особенности ее проявления на данной территории являются факторами, определяющими гидрометеорологический режим области. В связи с этим возникла необходимость более подробного исследования связи атмосферной циркуляции с количественными характеристиками водного режима и их распределением на территории Челябинской области. Проведенные исследования не привели автора к новым результатам и уточнениям, но подтвердили результаты предыдущих исследователей.

Положение 3. На территории Челябинской области установлено существование трех районов и пяти подрайонов с синхронными колебаниями сезонного стока рек.

С целью установления закономерностей многолетних колебаний сезонного стока рек, автором произведено районирование по признаку синхронности по 17 гидрологическим постам наблюдения, равномерно расположенных по территории Челябинской области (табл. 3).

Основным методом исследования являлась версия кластерного анализа. Ее суть заключается в выделении кластеров на основе многомерной матрицы с последующим выбором оптимального уровня сходства и числа кластеров. Версия характеризуется достаточно простым представлением результатов в виде дендрограммы (или дерева ветвления), показывающих какие группы рек (или кластеры) образуются на каждом уровне корреляции (или сходства).

Таблица 3

Посты на реках Челябинской области, данные по которым использованы при построении дендрограмм

Исследование синхронности многолетних колебаний сезонного стока проводилось за наибольший период совместных наблюдений - с 1968 - 2003 годы. В качестве дополнительного, использовался период с 1968 - 1998 гг., при помощи которого проверялась обоснованность кластерного решения в серии наборов данных.

В процессе кластеризации данных определялся оптимальный уровень сходства согласно критерию Дорофеюка - Лумельского. За каждый исследуемый сезон результаты представлялись в виде дендрограмм двух видов расчетной (табл. 4) и графической (рис. 3). В первом случае дендрограмма имеет вид таблицы и представляет собой последовательности объединяемых в кластеры номеров объектов, заложенных в виде временных рядов, на каждом уровне сходства - R (от -0,1 до +1). В графической таблице слева приводится таблица численных значений различных критериев (J₁ - J₂ или D_j ) - качества кластеризации объектов на этих же уровнях сходства. По их максимуму выбирается оптимальный вариант разбиения на кластеры, а следовательно, и наиболее вероятное положение границ районов. Для подтверждения вероятности попадания объектов (рек) в ту или иную группу рассчитывался ранговый критерий корреляции Спирмэна и критические точки распределения Стьюдента, определяющие величину вероятности связи двух рядов. В гидрологии связь считается надежной при вероятности не менее 95 % (Румянцев, 2000). Образцы расчетной и графической дендрограмм многолетних колебаний сезонного стока за весенний период с 1968 - 2003 гг. приведены на рис. 3 и табл. 4.

Совместный анализ сезонных дендрограмм за периоды 1968 - 1998 гг. и 1968 - 2003 гг., внутрирайонных коэффициентов корреляции Спирмэна и вероятностей кластерных связей позволил установить районы с синхронными многолетними колебаниями стока рек за каждый сезон года. Их сопоставление (№ постов на реках соответствуют табл. 3)

Рис. 3. Дендрограмма синхронности колебаний весеннего стока рек Челябинской области за 1968 - 2003 гг. (образец)

Таблица 4

Расчетная дендрограмма весеннего стока рек Челябинской области за 1968 - 2003 гг. (образец)

* - критерии Дорофеюка - Лумельского

с районами, выявленными по результатам исследования ритмов в многолетних колебаниях сезонного стока, позволило установить существование трех районов и пяти подрайонов с синхронными колебаниями сезонного стока рек. Полученное положение границ гидрологических районов примерно совпадает с границами природных зон исследуемой территории, что свидетельствует о зональности сезонного стока. Схема гидрологического районирования территории Челябинской области по характеру многолетних колебаний весеннего стока рек, в качестве примера, представлена на рис. 4. Краткая характеристика гидрологических районов приведена в табл. 5.

Таблица 5

Характеристика гидрологических районов Челябинской области

Исследования автором многолетних колебаний сезонного стока рек позволили уточнить результаты, полученные ранее другими исследователями. Сопоставление полученной схемы районирования с районированием по различным признакам других авторов (А.С. Шкляев, 1965, М.А. Андреева, 1973 и др.), показало, что положения границ районов по результатам исследований многолетних колебаний сезонного стока не противоречат, а дополняют результаты, предложенные предыдущими исследователями.

Например, автором уточнено положение границы между Зауральским лесостепным районом и Южным степным районом. Полученное положение границы не противоречит исследованиям К.Е. Орловой (1968), а подтверждает смещение границ гидрологических районов в разные сезоны года.

Таким образом, установлено, что выявленные гидрологические районы обособляются не только по ритмам многолетних колебаний сезонного стока, но и по синхронности колебаний, одинаково локализованных на определенной территории. Это показывает на тесную взаимосвязь сезонного стока, как по территории, так и во времени.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1. Действующие гидрологические и метеорологические посты на территории Челябинской области.

- метеорологические посты

- гидрологические посты

Заключение

Диссертационное исследование посвящено выявлению закономерностей многолетних ритмических колебаний сезонного стока рек Челябинской области. В связи с прогнозируемым истощением водных ресурсов, на территории недостаточно обеспеченной водой, особенно остро стоит проблема их комплексного и рационального использования. Проектирование и эксплуатация различных гидротехнических сооружений и мелиоративных систем, дорожных работ, а также проведение других мероприятий, связанных с использованием и охраной ресурсов поверхностных вод, требует всестороннего учета сезонных колебаний речного стока.

Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему:

1. Структура многолетних колебаний сезонных величин стока рек Челябинской области характеризуется набором ведущих внутривековых ритмов продолжительностью: 2 - 4, 6 - 8, 11 - 14, 17 - 18, 22 - 23 года, локализованных преимущественно в пределах районов с синхронными колебаниями сезонного стока.

2. Ведущие ритмы многолетних колебаний сезонного стока рек характеризуются определенными закономерностями, знание которых позволяет использовать их в целях оптимизации хозяйства.

3. Ритмы, обладающие наибольшей значимостью в разные сезоны года, характеризуются различной продолжительностью в трех бассейнах рек - Камского, Тобольского, Уральского:

а) В весенний период в сезонном стоке рек всех трех бассейнов наблюдается ритм продолжительностью 18 лет. При этом в бассейне Камы и Тобола он является ведущим, что подтверждает исследования многолетних колебаний годового стока, выполненных Н.С. Рассказовой (2003). В весенний период ритмы многолетних колебаний стока рек Камского и Тобольского бассейнов более продолжительны в отличие от рек Уральского бассейна, где наблюдается тенденция к уменьшению их длительности.

б) В сезонном стоке летне-осеннего периода наряду с повсеместным распространением 17-18-летней вариации, наблюдается устойчивый 22-23-летний ритм (ритм смены полярности солнечных пятен). Для рек бассейна Урала ритм продолжительностью 22-23 года является ведущим. В этот сезон для рек бассейнов Урала и Тобола характерно наличие более продолжительных ритмов по отношению к рекам Камского бассейна.

в) Для зимнего сезона характерно наличие устойчивого 11-14-летнего солнечно обусловленного ритма, наряду с 17-18 и 6-7 летними ритмами. В этот период для рек области (Камский и Тобольский бассейны) характерно наличие более устойчивых ритмов, по сравнению с реками бассейна Урала.

4. Автором подтверждено, что атмосферные осадки, через увлажнение территории, оказывают решающее влияние на сезонный сток, которое в свою очередь, определяется синоптическими условиями циркуляции атмосферы.

5. На территории области выделено три района с синхронными колебаниями сезонного стока рек.

а) Предуральский горно-лесной район (р. Ай, Юрюзань), где обособляется два подрайона: Западный горно-лесной подрайон (р. Сим), Северный горно-лесной подрайон (р.Уфа).

б) Зауральский лесостепной район (р. Уй, Увелька) характеризуется выделением двух подрайонов: Центральный лесостепной подрайон (р. Миасс) и Северный лесостепной подрайон (р. Синара, Теча).

в) Южный степной район (р. Урал, Гумбейка), где в зимний период выделяется Юго-восточный степной подрайон (р. Карталы-Аят).

В связи с интенсивным развитием промышленности наблюдается существенное преобразование гидрологического режима рек под влиянием хозяйственной деятельности, поэтому дальнейшие исследования сезонного стока должны быть направлены на его изучение в условиях антропогенного воздействия. Непременным условием должно быть накопление более полной и достоверной гидрологической информации.

Автор надеется, что результаты работы найдут дальнейшее применение для решения различных инженерных задач.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бубин М.Н. Многолетние колебания весеннего стока рек Челябинской области / М.Н. Бубин // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2001 год. - Челябинск : ЧГПУ, 2002. - С.123 - 125.

2. Бубин М.Н. Многолетние колебания летних паводков рек Челябинской области / М.Н. Бубин // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2002 год. - Челябинск : ЧГПУ, 2003. - С.221 - 224.

3. Бубин М.Н. Многолетние колебания внутригодового стока реки Ай / М.Н. Бубин // Материалы региональной научно - практической конференции "Проблемы географии Урала и сопредельных территорий". - Челябинск, 2004. - С.69 - 72.

4. Бубин М.Н. Многолетние колебания стока рек Челябинской области в период зимней межени / М.Н. Бубин // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2003 год. - Челябинск : ЧГПУ, 2004. - С.425 - 430.

5. Бубин М.Н. Ритмика внутригодового стока рек Челябинской области / М.Н. Бубин // Материалы II региональной научно - практической конференции "Проблемы географии Урала и сопредельных территорий". - Челябинск, 2006. - С.53 - 56.

6. Бубин М.Н. Многолетние колебания весеннего стока рек Челябинской области / М.Н. Бубин, Н.С. Рассказова // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2005 год. - Челябинск : ЧГПУ, 2006. - С.260 - 264.

7. Бубин М.Н. Ритмичность сезонного стока рек Челябинской области и ее влияние на хозяйственную деятельность / М.Н. Бубин // Успехи современного естествознания. М. : Академия естествознания, 2007. - № 2. - С.65 - 68.

8. Бубин М.Н. Районирование территории Челябинской области по синхронности многолетних колебаний весеннего стока рек области / М.Н. Бубин // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Труды международной научно-практической конференции (28 мая - 1 июня 2007г., г. Пермь). Перм. ун-т. - Пермь, 2007. - Т. III. - С.71 - 76.

9. Бубин М.Н. Влияние ритмичности колебаний сезонного стока рек на экологическое равновесие в промышленно развитых регионах (на примере Челябинской области) / М.Н. Бубин // Экология и промышленность России. - 2007. - № 10. - С.45 - 47.

Размещено на Allbest.ru