Районирование бассейна Волги по характеру сезонной изменчивости речного стока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт водных проблем

Районирование бассейна Волги по характеру сезонной изменчивости речного стока

УДК 556.18

Н.И. Сенцова - кандидат технических наук

Москва, Россия

Аннотации

Проводятся исследования изменения речного стока в бассейне Волги за многолетний период. Выявляются пространственные закономерности сезонных колебаний речного стока. Производится обобщение выявленных закономерностей и выделение однородных гидрологических районов на основе современных методов многомерного статистического анализа. Количественно оцениваются региональные характеристики гидрологического режима рек для решения задач, связанных с рациональным водопользованием в бассейне Волги. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант №08-05-00807-а

Исследования проводились для территории Волжского бассейна. Волга - крупнейшая в мире река внутреннего стока. Она берет начало на Валдайской возвышенности и впадает в Каспийское море. Длина реки 3530 км. Волга принимает около 200 притоков. Левые притоки многочисленнее и многоводнее правых. Речная система бассейна Волги включает 151 тысячу постоянных и временных водотоков общей протяжённостью 574 тыс. км. Площадь водосбора составляет 1360 тыс. км² - около 62% европейской территории России. Водосборный бассейн простирается от Валдайской и Среднерусской возвышенностей на западе до Урала на востоке. На широте Саратова бассейн резко суживается, и от Камышина до Каспийского моря р. Волга не имеет притоков. Бассейн реки пересекает с севера на юг несколько физико-географических зон. Основная питающая часть водосбора р. Волги от истока до г. Нижнего Новгорода и г. Казани расположена в лесной зоне, средняя часть бассейна до г. Самары и г. Саратова - в лесостепной зоне, нижняя часть до г. Волгограда - в степной зоне, а южнее - в полупустынной зоне. Реку Волгу принято делить на 3 части: верхняя р. Волга - от истока до устья р. Оки, средняя р. Волга - от впадения р. Оки до устья р. Камы и нижняя р. Волга - от впадения р. Камы до устья. Питание рек бассейна р. Волги преимущественно снеговое - около 70% весной во время снеготаяния. Более равномерно распределяется сток в течение года в лесной зоне, менее равномерно - в степной. На территории бассейна р. Волги проживает более 42% всего населения России. Здесь производится свыше 20% промышленной и сельскохозяйственной продукции страны. Уже это создает крайне напряженную гидроэкологическую ситуацию в регионе [1].

Важной особенностью процесса многолетних колебаний годового стока р. Волги является его квазицикличность - проявление тенденции к группировке лет повышенной и пониженной водности без устойчивой периодичности процесса. Наиболее интересными в анализе многолетних колебаний речного стока являются случаи «глобальной» перестройки гидрометеорологических процессов. За эпоху инструментальных наблюдений в бассейне р. Волги таких случаев было два: в 30-е и 80-е годы прошлого столетия. В целом, по данным статистических расчетов, можно сделать следующий вывод: в современный период в бассейне Волги произошло перераспределение стока внутри года, выражающееся в уменьшении стока половодных периодов многоводных лет, и в увеличении стока маловодных периодов (летне-осенней и зимней межени).

Методы исследования

Для рационального водопользования необходимо изучить разнообразие гидрологического режима рек и сделать их количественные оценки. Реализация расчетных и прогнозных методов по данным наблюдений на отдельных гидрологических постах часто затруднена. Связано это с проблемами как информационного, так и программного обеспечения решения таких задач. В частности, информация по речному стоку является разрозненной, пункты гидрологических наблюдений распределены по территории неравномерно, многие стоковые ряды имеют недостаточную для анализа длину, характеризуются наличием трудно восстанавливаемых пропусков и значительными погрешностями измерений. Следует отметить и большое сокращение гидрометеорологической сети наблюдений в России в последние десятилетия, а также сложность с получением необходимой информации. В связи с этим материалы наблюдений, имеющиеся по каждому отдельному пункту, представляют собой лишь ограниченную информацию для оценки вероятностных характеристик. Также, несмотря на высокую компьютеризацию и наличие современных программных средств, возникают сложности, связанные как с обработкой больших массивов гидрологических данных, так и с их последующим использованием в моделях. Необходимо обрабатывать и анализировать каждый ряд, восстанавливать пропуски, искать выбросы, возможные ошибки и пр.

С целью увеличения информации и для выявления возможных случайных ошибок следует проводить совместный анализ по группам однородных гидрологических объектов. Для этого применяются методы классификации (группирования). Они позволяют выявлять группы, в которых сезонное распределение речного стока происходит по одинаковым законам. Увеличение информации за счет объединения рядов исходных данных дает возможность избежать многих случайных ошибок, а также интерпретировать результаты распределения стока к неизученным и плохо изученным объектам в данной группе. Обобщенные статистические параметры речного стока, полученные для таких групп, служат для его дальнейшего моделирования [2].

Вопросам классификации рек и гидрологическому районированию уделяется много внимания. Классификация рек подразумевает их распределение по группам на основании выявленных наиболее существенных признаков, а районирование - приложение полученной классификации к конкретной территории, что позволяет также определять требуемые характеристики слабоизученных объектов по аналогии с изученными. Для решения задач, связанных с оценкой пространственного распределения речного стока и его сезонной изменчивости в современных климатических условиях, возникает необходимость разработки новых вариантов районирования. Особенно это важно для территорий, имеющих высокое народнохозяйственное значение и характеризующихся большой внутригодовой изменчивостью стока рек.

Предлагаемое в работе гидрологическое районирование основывается на анализе внутригодового распределения речного стока путем формализации показателей его сезонной изменчивости и объединения (группирования) временных рядов наблюдений среднемесячных расходов воды по разработанным алгоритмам классификации. Районирование территории производится с помощью кластерного анализа с использованием регрессионной модели на основе радиальных базисных функций [3, 4].

В качестве переменных используются наборы численных показателей для каждого пункта наблюдений, полученные в процессе преобразования исходных рядов ежемесячных расходов воды. В частности, к таким показателям относятся индексы сезонности, автокорреляционные и спектральные функции, параметры распределения речного стока в меженные периоды. речной волга гидрологический

Результаты исследования

Информационной основой для районирования послужили данные многолетних наблюдений Росгидромета за стоком рек в бассейне Волги. В процессе первичной обработки из существующей базы данных были отобраны гидрологические посты с рядами наблюдений более 20 лет, не подверженные заметному антропогенному воздействию и не имеющие трудно восстанавливаемых значительных пропусков. В результате был получен массив данных по 89-ти гидрологическим постам, содержащий файлы со среднемесячными расходами воды и координатами центров тяжести водосбора для каждого пункта наблюдений.

Дальнейшая обработка данных и выявление групп однородных объектов производились с помощью программной системы TeleStat, предназначенной для статистического анализа многомерных данных и временных процессов и адаптированной для проводимых исследований [4, 5].

В процессе работы были выявлены выбросы, заполнены пропуски в наблюдениях, рассчитаны необходимые статистические характеристики для каждого временного ряда.

Для выделения однородных гидрологических районов использовались наборы численных показателей, полученные в процессе преобразования исходных рядов ежемесячных расходов воды. В результате выбора наиболее информативных показателей сезонных колебаний речного стока, в наборы вошли характеристики маловодных периодов - их продолжительности и параметры распределения, а также индексы сезонности и функции спектральных плотностей среднемесячных расходов воды.

Веса переменных подбирались так, чтобы обеспечить сочетание как географической (координатной), так и критериальной близости объектов (гидрологических постов наблюдений).

В результате многовариантных расчетов с разными наборами характеристик речного стока на территории бассейна Волги было выделено 4 района (рисунок). Для каждого района получены обобщенные (региональные) характеристики сезонных колебаний речного стока. В частности, к ним относятся параметры распределения речного стока по месяцам (коэффициенты вариации и асимметрии, автокорреляционные функции), параметры распределения дефицитных периодов (их продолжительности, коэффициенты вариации и асимметрии), спектральные функции распределения.

Карта-схема гидрологического районирования бассейна р. Волги по характеру сезонной изменчивости речного стока

В частности, в таблице представлены параметры распределения среднемесячных расходов воды рек в каждом гидрологическом районе по месяцам.

Полученные региональные показатели сезонных колебаний речного стока используются в программах имитационного моделирования для оценки и прогноза речного стока при решении задач, связанных с рациональным использованием водных ресурсов в бассейне р. Волги.

Обобщенные параметры распределения среднемесячных расходов воды рек для гидрологических районов в бассейне р. Волги