Водний баланс басейнів річок Дністра до міста Заліщики

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК: 556.512

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

ВОДНИЙ БАЛАНС БАСЕЙНІВ РІЧОК ДНІСТРА ДО МІСТА ЗАЛІЩИКИ

Кожем'якін Д.В.

Актуальність дослідження. Водний баланс являється головним інструментом комплексного дослідження різноспрямованих процесів із накопичення, перерозподілу та витрачання вологи в межах річкового водозбору. Головною перевагою водно-балансового підходу перед іншими методами досліджень є можливість кількісно оцінити внесок окремих гідрометеорологічних явищ у формування річкового стоку. Ґрунтуючись на водно-балансових співвідношеннях можна вирішувати такі завдання як: вивчення умов і встановлення закономірностей формування поверхневих і підземних водних ресурсів, їх структури, розроблення заходів з управління водним режимом території і його збереження або часткове перетворення в інтересах забезпечення потреб населення та окремих галузей господарства.

Метою дослідження є розрахунок складових водного балансу та складання його рівняння за багаторічний період для басейнів річок водозбору Дністра до гідрологічного поста Заліщики, за місяцями та за гідрологічний рік, а також оцінювання точності визначення складових балансу.

Рис. 1. Басейн річки Дністер до міста Заліщики з розрахунковими гідрологічними постами і метеостанціями

Аналіз попередніх досліджень. Дослідження водного балансу басейнів річок Дністра розпочалися після накопичення певного емпіричного матеріалу у середині 60-х років минулого століття роботами Железняка І. А. та Онуфрієнка Л.Г. [1, 2]. Після цього 1977 р. вийшла стаття М.Г. Галущенка [3], в якій обчислено понад 120 водних балансів річкових водозборів басейну Дністра, включаючи також гирлові частини найбільших приток. Дана робота і до сьогоднішнього дня залишається однією із найбільш ґрунтовних щодо повноти і детальності обчислених складових водного балансу річки Дністер. Загальні відомості про водний баланс досліджуваної території наводяться у довідниках [3-6]. Окремо, варто відмітити, книгу Мирослава Івановича Кирилюка [7], в якій автором розроблена нова методика розрахунку випаровування з урахуванням впливу висоти, експозиції, крутизни і затінення гірських схилів, зволоження ґрунтів та характеру підстильної поверхні, а також наведено найбільш сучасні водні баланси, проте лише окремих приток Дністра.

Вихідні дані. Для написання роботи були використані матеріали видань метеорологічних щомісячників та гідрологічних щорічників, багаторічних даних про ресурси поверхневих вод суші, а також опрацьована наукова література. До розрахунку прийняті дані спостережень 10 гідрологічних постів та 17 метеостанцій в межах водозбору Дністра до міста Заліщики (24600 км2) (рис. 1).

Гідрологічні пости Метеостанції Річка Дністер Основні притоки

Для зазначених пунктів спостережень зібрана гідрометеорологічна інформація про середньомісячний, середньорічний стік води, атмосферні опади, температуру та абсолютну вологість повітря. Всі ряди приведені до єдиного розрахункового періоду 1956 - 2015 рр. через відновлення, за потреби, окремих місячних або річних величин за допомогою річок-аналогів. (табл. 1,2)

Таблиця 1. Основні статистичні характеристики річної суми опадів в басейні Верхнього Дністра, приведеної до єдиного розрахункового періоду 1956-2015рр.

Таблиця 2. Основні статистичні характеристики середньорічних шарів стоку води річкових водозборів в басейні Верхнього Дністра, приведеної до єдиного розрахункового періоду 1956-2015рр.

Методика визначення складових водного балансу. Оскільки розміщення метеорологічних станцій є неоднорідним в межах басейну Дністра, тому для обчислення зведених метеорологічних характеристик водозборів річок рівнинної частини (Верещиця, Гнила Липа, Золота Липа, Стрипа) використовувався метод зважування (метод трикутників), відповідно до якого їх басейни були розбиті системою трикутників на зони впливу певної метеостанції.

Щоб поділити басейн на трикутники і, відповідно, визначити вплив кожної метеостанції використовувалася програма ArcGIS, а саме, набори інструментів Conversion Tools і Spatial Analyst Tools. Дана програма дозволяє визначити вагові коефіцієнти окремої метеостанції, через які оцінюється її внесок у величини опадів, температури або вологості повітря відповідного річкового басейну (рис 2).

Рис. 2. Поділ річкових басейнів методом трикутників на прикладі рівнинних річок басейну Дністра

Для гірських регіонів характерна вертикальна зональність характеристик водного балансу і тому розрахунок осереднених по басейну метеорологічних складових дещо відрізняється. В межах басейнів гірських річок (Стрвяж, Стрий, Лімниця, Свіча, Бистриця) водозбору р. Дністер - м. Заліщики виділено 5 висотних зон: 200-400 м; 400-600 м; 600-800 м; 800-1000 м; >1000 м. Вплив кожної висотної зони був визначений пропорційно до відсотку її площі від загальної площі басейну.

Обчислення вагових коефіцієнтів виконувалося програмою ArcGIS. За допомогою інструменту Spatial Analyst Tools - Estraction - Extract by Attributes виконувався поділ растрового файлу формату TIF на окремі ділянки із заданими висотами. Після цього, за допомогою Conversion Tools растри переводились в шейп- полігони і підраховувалась їхня площа. Кожна площа представляє собою певну висотну зону і їх сума складає площу водозбору даного басейну (рис. 3).

Рис.3. Поділ гірського басейну на висотні зони на прикладі р. Лімниця - гідрологічний пост Перевозець

Описаний спосіб визначення вагових коефіцієнтів з використанням програмного забезпечення ArcGIS був розроблений самостійно і подібний підхід в інших вітчизняних роботах нами, поки що, не зустрічався.

За даними 17 метеостанцій окремо для кожного річкового басейну, залучаючи лише розташовані поруч метеостанції, було побудовано графіки зв`язку опадів, температури і вологості повітря від висоти розташування метеостанції для кожної висотної зони (рис. 4).

Дана операція проводилася індивідуально для кожного гірського річкового басейну окремо для кожного місяця, під час апроксимації використовувалися виключно лінійні рівняння зв`язку. Для прикладу наведемо залежності місяців кожного із сезонів, побудовані для басейну р.Стрий - Верхнє Синевидне (рис.4). Як можна бачити з рис. 4, отримані залежності є досить тісними, однак вони дещо погіршувалися у перехідні сезони. Для опадів це були, переважно, травень та червень місяці, а для температури повітря листопад і грудень. Однак, і в таких випадках величина коефіцієнту апроксимації не опускалася нижче 0,5 та, відповідно, коефіцієнт кореляції не був нижчим за 0,7, що свідчить про наявність зв`язку між метеорологічними складовими водного балансу та висотою місцевості в усі місяці і сезони гідрологічного року.

Рис. 4. Графіки зв`язку висоти розташування метеостанції до середньої кількості опадів за період 1956-2015 рр. для басейну р. Стрий - с. Верхнє Синевидне

Обчислення величини сумарного випаровування у роботі здійснювалося з використанням методу розрахунку за даними стандартних спостережень метеостанцій, який був запропонований А.Р. Константіновим і заснований на теорії турбулентної дифузії. Саме цей метод був використаний також М.Г. Галущенком у роботі [3] для обчислення водних балансів усіх річок басейну Дністра, станом на 1972 рік включно.

Рис. 5. Графіки зв`язку висоти розташування метеостанції до середньої температури повітря за період 1956-2015 рр. для р. Свіча - с. Зарічне

Для певного річкового басейну за кожен окремий місяць будувалися залежності температури повітря та його абсолютної вологості від висоти (рис. 5) найближчих метеорологічних станцій, у зоні впливу яких знаходиться даний річковий басейн. Далі, за даними про температуру (о С) та абсолютну вологість повітря (мБ), осередненими по басейну, було визначено середні місячні значення випаровування за спільний період спостережень (1956-2015 рр.). Для цього, відповідно до методу А.Р. Константінова, за довідковими таблицями було визначено поправки на інерційність і отримано значення сумарної величини випаровування.

Значення річного стоку води обчислювалася за даними 10 гідрологічних постів (рис.6), для яких були визначені середні багаторічні значення витрат води по місяцях та за гідрологічний рік. Витрати води, в свою чергу, переводились в шари стоку. Також за даними висотних зон обрахована середньозважена висота водозбору для гірських річок басейну.

Висотні зони,м

<400 400 - 600 600 - 800 800 - 1 000 >1000

Рис. 6. Річкові басейни, для яких проведені водно-балансові розрахунки

Результати досліджень. З метою обчислення водного балансу басейнів річок Дністра до міста Заліщики розглядалися лише найбільші його притоки (рис. 6), оскільки такий підхід дозволяє, певною мірою, зменшити вплив місцевих факторів на результати розрахунків. Виключенням стала лише річка Бистриця, у випадку якої пости р. Бистриця Надвірнянська - с. Черніїв та р. Бистриця Солотвинська - м. Івано-Франківськ мають період спостережень з початком 1984 р., а після їх злиття гідрологічні пости взагалі відсутні. Для всіх решти гідрологічних постів із площами водозборів, близькими до 1000 км2, водний баланс обчислено за формою табл. 3.

За період 1956-2015 рр. визначено середні багаторічні значення сум опадів (X, мм) по місяцях та за гідрологічний рік, розраховано шари стоку (У, мм) для даних річкових басейнів, обраховано величини випаровування (Z, мм) та, відповідно до цього, отримано нев'язки водних балансів (ц, мм), які і характеризують точність їх обчислення. Результати обчислення складових водного балансу для періоду 19562015 рр. зведено в загальну таблицю 3.

Оцінюючи отримані результати можна виявити певні закономірності у структурі водного балансу басейнів річок Дністра. Для всіх гірських річок характерним є випадіння великої кількості опадів, в середньому близько 1027 мм на рік з високими показниками шарів стоку (516 мм/рік), які в окремих випадках перевищують величину випаровування (в середньому 492 мм/рік).

Рівнинні річки басейну Дністра до міста Заліщики характеризуються меншими водними ресурсами. Тут випадає в середньому 637 мм опадів на рік, що на 37% менше ніж та ж характеристика в гірських басейнах. Випаровування рівнинних басейнів помітно вище ніж для гірських і становить 565 мм/рік (на 14% вище гірських). Відповідно до цього на стік води припадає значно менша частка опадів (180 мм/рік), що становить близько 35% від загального стоку води з гірських водозборів.

Серед річних сум опадів характерно виділяється басейн р. Бистриця- Надворнянська, де випадає найбільша кількість опадів, а саме 1258 мм на рік. Це на 18% вище ніж середня багаторічна кількість опадів для річок гірського району і пояснюється, в першу чергу, невеликою площею водозбору та його гірським розташуванням. Це єдиний гідрологічний пост, баланс якого можна порівняти з розрахунками М.І. Кирилюка [7], тобто за минулі 20 років опади зросли на 30 мм, помітно зросла величина стоку води на 70 мм та знизилося випаровування на 100 мм. При цьому, р. Бистриця має найбільші величини стоку води серед всіх річок (692 мм/рік) та найменше випаровування (435 мм/рік). Доволі близькі значення кількості опадів мають річки Стрий та Лімниця з 1125 та 1014 мм відповідно. Найменший стік води серед досліджуваних річок спостерігається в басейні Гнилої Липи та Стрипи - всього 165 та 166 мм/рік відповідно для кожного.

У внутрішньорічному розподілі складових водного балансу теж можна виявити певні особливості та закономірності. З впевненістю можна відмітити, що найбільші показники опадів для досліджуваних річок зафіксовані в теплі місяці року, в більшості випадків - це травень-серпень. Також у більшості випадків в ці місяці фіксуються й найбільші середньомісячні показники стоку води та випаровування, інколи зі зміщенням на один місяць. вода атмосферний опади гідрологічний

Максимальне середньомісячне значення опадів зафіксоване в липні в басейні р. Бистриця-Надворнянська - пост Пасічне. Тут опади досягають 163 мм/міс. Максимальний шар стоку води зафіксований на тій же річці в квітні і становить 107 мм/міс. Найбільше середньомісячне випаровування фіксується на рівнинних річках в червні місяці і сягає 87,5 мм/міс.

Щодо нев`язок у розрахунках водного балансу, то їх найбільші значення спостерігаються у водному балансу басейну Свічі - 134 мм (13% від опадів) та Золотої Липи - 129 мм (20% від опадів). Оскільки допустимі межі становлять 2030% від кількості опадів, то можна стверджувати про надійність розрахованих рівнянь водного балансу.

Цікаво відмітити, що найменша нев`язка обчислено для р. Дністер -Самбір та р.Верещиця - Комарно і становить всього 10 та 7 мм відповідно від загальної кількості опадів. Це становить всього 1% похибки розрахунку.

Для оцінювання кількісного співвідношення між складовими водного балансу була розраховані коефіцієнти стоку води та посушливості (табл. 4).

Таблиця 4. Характеристики водного балансу річок Дністра до міста Заліщики

Показники коефіцієнтів стоку води та посушливості характеризують частку стоку та випаровування в структурі водного балансу. В сумі ці коефіцієнти мають складати одиницю. Але на практиці такого майже ніколи не буде, оскільки завжди присутня нев'язка водного балансу. Аналізуючи табл.4 можна сказати, що в багаторічному розрізі, для 3-х басейнів Дністра стік води перевищує випаровування в середньому на 25% (р .Стрий, р. Свіча, р. Бистриця- Надвірнянська). Решта річок характеризуються перевищенням показників коефіцієнту посушливості над коефіцієнтом стоку води. Для гірських річок таке перевищення становить в середньому 17%, а для рівнинних - 68 %.

Для температурного режиму, який є головним фактором розподілу витратної частини водного балансу, характерна чітко виражена висотна поясність. Найнижча середня багаторічна температура повітря спостерігається в гірських водозборах річок Стрия та Бистриці-Надворнянської, в середньому 1-2оС. Найвищі середні показники температури зафіксовані на лівих притоках Дністра (Верещиця, Гнила Липа, Золота Липа, Стрипа) і становлять 5-6оС.

В загальному випадку для гірських річок (Стрвяж, Стрий, Свіча, Лімниця та Бистриця-Надвірнянська) басейну Дністра до міста Заліщики характерним є випадіння великої кількості опадів, з яких переважна частка йде на річковий стік з даних басейнів. Випаровування невелике, що також підтверджується низькими середніми багаторічними температурами в басейнах.

Для рівнини спостерігається зворотна ситуація: значно нижча кількість опадів і переважання частки випаровування в структурі балансу. Середні багаторічні температури повітря вищі, а стік доволі низький, порівнюючи з басейнами гірської частини водозбору.

Висновки

За отриманими результатами можна зробити такі висновки. В багаторічному балансі, для гірських річок Стрвяж, Стрий, Свіча, Лімниця та Бистриця-Надвірнянська характерним є випадіння значної кількості опадів, з яких більша частина йде на стік води з їх басейнів. (516 мм/рік). Випаровування порівняно невелике (в середньому 492 мм/рік), що також підтверджується низькими середніми багаторічними температурами в басейнах (від +1 до +4оС).

У басейнах рівнинних річок спостерігається зворотна ситуація, нижча кількість опадів (637 мм/рік) і переважання частки випаровування в структурі балансу (565 мм/рік). В декілька разів вища середня багаторічна температура повітря (+5 - +5,5 оС) і нижчий стік води (180 мм/рік).

У внутрішньорічному розподілі складових водного балансу теж можна виявити певні закономірності. Найбільша кількість опадів для всіх річок зафіксовані в теплі місяці року, в більшості випадків це травень-серпень, коли фіксуються і найбільші середньомісячні показники стоку та випаровування, інколи зі зміщенням на один місяць.

В загальному випадку водний баланс - це пряме відображення водного режиму та водних ресурсів території, які можна використовувати для забезпечення потреб населення та окремих галузей господарства. Тому, на нашу думку, досить актуальними є подальші водно-балансові дослідження даної території із залученням усіх гідрологічних постів, розташованих в межах досліджуваного водозбору.

Список літератури

1. Железняк И.А., Красовская Т.М. Ресурсы речного стока и водный баланс Украины и Молдавии. Труды УкрНИГМИ,1966. Вып.64. с.94-136.

2. Онуфриенко Л. Г. Водные ресурсы и водный баланс вод Украины и Молдавии. Труды УкрНИГМИ,1969. Вып.76. с. 116-129.

3. Галущенко Н.Г. Водный баланс рек бассейна Днестра. Труды Украинского регионального научно-исследовательского института. Вып.153. М.: Гидрометеоиздат, 1977. С.126-139.

4. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т.6. Украина и Молдавия. Вып. 1. Западная Украина и Молдавия / Под ред. М.С. Каганера. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 884 с.

5. Справочник по водным ресурсам / Под ред. Б. И. Стрельца. К.: Урожай, 1987. 304 с.

6. Тепловой и водный режим Украинских Карпат / Под ред. проф. Л. И. Сакали. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 366 с.

7. Кирилюк М.І. Водний баланс і якісний стан водних ресурсів Українських Карпат: Навчальний посібник. Чернівці: Рута, 2001.246 с.

Анотація

Ключові слова: водний баланс, вагові коефіцієнти, GIS програми, розподіл складових водного балансу, стік, посушливість.

Ключевые слова: водный баланс, весовые коэффициенты, GIS программы, распределение составляющих водного баланса, сток, засушливость.

The value of annual water runoff was obtained by transferring the water flow into the runoff layers.

Key words: water balance, weight coefficients, GIS software, water balance components distribution, runoff, aridity.