Межгодовая изменчивость элементов водного баланса бассейна реки Дон

Гидравлика, гидрология, водные ресурсы

УДК 502/504 : 556.16

Г. Х. ИСМАЙЫЛОВ, Н. В. МУРАЩЕНКОВА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»

МЕЖГОДОВАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА БАССЕЙНА РЕКИ ДОН

Представлены результаты исследования по определению суммарного испарения и изменения бассейновых влагозапасов бассейна реки Дон за 1952/53-2006/07 годы. Использовались данные об атмосферных осадках и речном стоке.

Элементы водного баланса, речной сток, бассейновые влагозапасы, суммарное испарение, коэффициент корреляции.

There are given research results on defining an évapotranspiration andchange of basin water supplies of the Don river for a period of 1952/53-2006/07 using the data on precipitation and river flow.

Elements of water balance, river flow, basin water supplies, evapotranspiration,

correlation coefficient.

Наблюдающиеся в настоящее время климатические изменения, выраженные в повышении средней глобальной температуры воздуха и изменении режима атмосферных осадков, могут привести к изменениям составляющих водного баланса -речного стока и испарения с поверхности речного бассейна. В связи с этим возникает необходимость оценки пространственно-временных изменений элементов водного баланса крупных речных бассейнов в условиях климатических изменений.

На основе методики, представленной в работах [1, 2], были проведены исследования по определению суммарного испарения и изменения бассейновых вла-гозапасов с бассейна реки Дон за период с 1952/53 по 2006/07 год. Используя многолетние данные годовых сумм атмосферных осадков и речного стока, авторы определили суммарное испарение с поверхности речного бассейна и изменение бассейновых влагозапасов за многолетний период.

В основе данной методики лежит четырехчленное уравнение водного баланса

P; + АУ; = E;; AV1E = E; - P;; P; + АУ; = R + E;;

(ВБ) речного бассейна, включающего атмосферные осадки Р, речной сток Я, суммарное испарение Е и изменение бассейновых влагозапасов ±АУ.

Уравнение водного баланса речного бассейна: Р. + АУ= Я + Е.; Е. = 0; Я = 0; Р. + АУ = Д; АУВ = Я - Р; Е. ф 0, Я ф 0; АУ. = АУВ + АУШ;

АУВ = Я - 0,5Р.; АУ.Е = Е - 0,5Р.

Используя временные ряды годовых суммарных атмосферных осадков Р1 и годового стока Я., определяем их статистические параметры (математическое ожидание, сред-неквадратические отклонения и коэффициенты автокорреляции и кросс-корреляции): Р,_Я, I = ЦУ^Р,К,ДУВ,Ор,ов,оДУв, Г(т), Г(Д^Р);

ДУ =0, А¥к =±А;

О ДУЕ = / (°дук), Г (ДУЕ ДУК ) = / (К); г (ДГеР) = / (К), кк = КР.

Е-

№ 1' 2012

Затем вычисляем средне многолетний коэффициент годового стока kВр, учитывающий, какая часть атмосферных осадков участвует в формировании речного стока:

ku

Л

Р

Е

1 — . сР

Р

" ср ср

Как видно из уравнения (1), при стремлении годового суммарного испарения к нулю коэффициент годового стока ^ стремится к единице, а при стремле-

вср

нии годового суммарного испарения к годовой сумме осадков коэффициент годового стока ^ стремится к нулю. Если

вср

принять гипотезу, что существует «глобальное» состояние равновесия гидрологической системы бассейна, при котором осадки участвуют в равной степени в формировании стока и испарения, то будут справедливы следующие условия:

/

^ = kIE = 0,50./

Тогда

[ Я1 ] = [ Е ] = 0,50 Р;

[АР1 ] = [АУЛ ] + [АУе ].

Далее определяем изменение бассейновых влагозапасов, участвующих в формировании стока г-го года

Затем вычисляем отклонения изменения влагозапасов по стоку от их сред-немноголетних значений (Д[ЛУ1в]) и отклонения годовых суммарных осадков от их нормы ЛР.:

Л [ЛУЖ] = [ЛУШ] - [ЛУ1в]ср; ЛР. = Р- Р .

1 1 ср

Согласно данному условию, вычисляем коэффициент корреляции изменения влагозапасов по стоку с осадками ± г (ЛУШ, Р).

Для оценки [ЛУ1Е] можно предложить зависимость следующего вида: [ЛУШ] = ^РМЛУЛ).

Получив ежегодные значения [ЛУ1в], [ЛУ1Е] и Р1, определяем коэффициенты корреляции изменения влагозапасов по испарению с осадками, стоком и изменением влагозапасов по стоку г([ЛУЕ],Р), г(([ЛУЕ],Л), г([ЛУЕ],[ЛУв]), а также их сред-неквадратические отклонения а([ЛУЕ],

о[ЛУв]), а(Л) и о(Р).

По этим данным получаем многофакторные уравнения регрессии, например:

[ЛУе] = а Л [ЛУв] + Ь Л Р^ЛУДр,

где Д [Душ] = [Ду1в] - [Душ]0р> ЛР1 = Р - Р„р, [ДУДр = - ЕДУДр при [Ду]Ср = 0, а [Лу1в]ср =йср - 0,5Рср.

Зависимость (5) затем используется для определения ежегодного испарения: [Е] = 0,5Р + [ЛУШ].

Для [Е1] определяем основные статистические параметры (среднее значение, стандарт, коэффициент вариации, коэффициент автокорреляции).

По определенным величинам [ЛУ1в] и [ЛУ1Е] вычисляем изменение бассейновых влагозапасов [ЛУ]: [ЛУ] = [ЛУв] + [ЛУ1Е] = Д+ [Е1] - Р.

Данная методика была реализована для определения суммарного испарения и изменения бассейновых влагозапасов для речного бассейна Дона. Водосборный бассейн Дона занимает центральную часть юга Европейской России и включает наиболее развитые в индустриальном и сельскохозяйственном отношении отрасли, насыщен транспортными связями и имеет выход к Азовскому морю.

По характеру водного режима Дон и его притоки относятся к рекам равнинного типа с резко выраженным весенним половодьем и низкой маловодной меженью. Основным источником питания являются талые воды. Основной объем водных ресурсов (71%) формируется на Верхнем и Среднем Дону (от истока до города Калач-на-Дону) на площади водосбора 222 тыс. км2. На водность Дона у города Калач-на-Дону большое влияние оказывают его восточные притоки - Хопер, Медведица и Иловля, которые протекают по засушливой территории. Поэтому в качестве объекта исследования выбран бассейн Верхнего Дона (до станицы Казанская), замыкающий менее засушливую верхнюю часть бассейна площадью 102 тыс. км2.

Для определения годового суммарного испарения и изменения бассейновых влагозапасов Верхнего Дона в соответствии с указанной методикой расчета используем многолетние данные годовых суммарных осадков и годового стока реки Дон. При определении средних по бассейну сумм осадков были использованы данные по 7 метеорологическим станциям, относительно равномерно расположенным

№ 1'2012

и

ср

в бассейне Верхнего Дона, за 1951-2006 годы. Поскольку Дон относится к типу рек, в режиме которых определяющая фаза - весеннее половодье, годовые значения осадков определены с 01 ноября предыдущего года по 31 октября текущего года. Среднемноголетнее значение годовых осадков составило 534 мм/год при крайних значениях 719 мм/год (1981/82 год) и 373 мм/год (1983/84 год). Средне-квадратическое отклонение - 76 мм/год, коэффициент вариации - 0,14, коэффициент корреляции смежных лет - 0,09.

Годовой сток реки Дон у станицы Казанская определен с начала весеннего половодья текущего года (1 апреля) до окончания зимней межени следующего года (31 марта) в период с 1952/53 по 2006/07 год (п = 55 лет). Среднемноголетний годовой сток реки Дон составил 96 мм/год при крайних значениях 166 мм/год (1963/64 год) и 51 мм/год (1972/73 год). Средне-квадратическое отклонение - 26 мм/год, коэффициент вариации - 0,28, коэффициент корреляции смежных лет - 0,16.

Располагая временными рядами годовых сумм атмосферных осадков в бассейне Верхнего Дона и годового стока реки Дон в створе станицы Казанская, согласно приведенной методике расчета, осуществляем оценку годового суммарного испарения и изменения бассейновых влагозапасов.

Сначала определяем ежегодные значения стока, соответствующие «глобальному» равновесию гидрологической системы бассейна, согласно уравнениям (2), (3), и изменения бассейновых влагозапа-сов по стоку, используя уравнение (4).

Находим среднеквадратическое

отклонение изменения бассейновых влагозапасов по стоку а Я и коэффициент корреляции их с осадками г(ДУв)р. По известному значению среднемноголетнего годового стока и по эмпирическим зависимостям определяем коэффициент корреляции между изменением бассейновых влагоза-пасов по испарению и изменением бассейновых влагозапасов по стоку г(ДУЕ) (ДУв)и коэффициент корреляции между изменением бассейновых влагозапасов по испарению и атмосферными осадкамиг(ДУв)р. Средне-квадратическое отклонение влагозапасов по испарению принимаем равным таковому по стоку. Для годового стока реки Дон при среднемноголетнем коэффициенте годового стока kр = 0,18, ор = 76 мм/год, оДУв = 43 мм/год и Г(ДУв),р = - 0,79 находим:

°ДУЕ = 52 мм/год; Г(д

, = - 0,53; г

= - 0,30. Тогда уравнение для нахождения изменения влагозапасов по испарению принимает следующий вид: [ДУ1Е] = - 1,925ДУ1в - 1,01ДР1 + 171 мм/год.

Собственно испарение [Е] = 0,5 Р + [ДУ1е] мм/год, а общее изменение бассейновых влагоза-пасов равно сумме его составляющих: [ДУ1] = ДУ1в + [ДУ1е] мм/год.

В результате реализации предлагаемой методики оценки годового испарения по речному стоку и атмосферным осадкам получены многолетние ряды основных элементов водного баланса бассейна реки Дон за 1952/53-2006/07 годы (п = = 55 лет). Статистические параметры элементов водного баланса бассейна реки Дон приведены в табл. 1, коэффициенты

Таблица 1

Статистические параметры элементов водного баланса (ЭВБ) бассейна реки Дон у станицы Казанская за 1952/53—2006/07 годы (п = 55 лет), мм/год

Статистические параметры ЭВБ Годовые суммы атмосферных осадков Р, мм Годовой сток Я, мм Годовое суммарное испарение Е, мм Бассейновые влагозапасы мм

Среднее значение 534 96 438 0

Среднеквадра-

тическое

отклонение а 76 26 57 51

Коэффициент

вариации С V 0,14 0,28 0,13 -

Амплитуда 346 115 310 228

Коэффициент

автокорреляции г(1) 0,09 0,16 0,17 0,09

(54

№ 1' 2012

их взаимной корреляции в табл. 2. Анализ коэффициентов взаимной корреляции элементов водного баланса показал, что высокую статистическую зависимость имеет годовой сток с эффективными осадками (Р - Е), для которых коэффициент корреляции равен 0,81. Статистически значимым является также коэффициент корреляции стока с годовым суммарным испарением, который равен -0,80. Тесную корреляционную зависимость имеют годовые суммы осадков с изменением бассейновых влагозапасов (Л = -0,88).

Таблица 2 Коэффициенты взаимной корреляции элементов водного баланса (ЭВБ) бассейна реки Дон за 1952/53-2006/07 годы

ЭВБ Р Л Е ±[ДУ] Р - Е

Р 1 0,15 0,47 - 0,88 0,70

Л 1 - 0,8 - 0,60 0,81

Е 1 0,0 - 0,30

± [ДУ] 1,0 - 0,95

Р - Е 1,0

за исследуемый период. Для этого ряда характерен статистически значимый положительный тренд: Т = 0,029* - 50,

что свидетельствует о постепенном росте температуры в течение рассматриваемого периода. Величина тренда составляет + 0,29 °0/10 лет.

2 0 - 2

- 4

- 6 - 8

- 10 - 12 - 14

Е

О о ю о

Ю Ю «О СО Ь-О О О) ОЭ оэ

ю о ю о ю о ыэ

Ь- 00 00 05 01 о о

О) ОЭ О) ОЭ О} о о

1-н 1-1 тн тн тн од сд

Нормированные разностные интегральные кривые элементов водного баланса бассейна реки Дон представлены на рисунке. Анализ данных кривых показал, что фаза повышенной водности (с начала периода до 1965/66 года) соответ ствует уменьшению осадков в этот период, следовательно, можно предположить, что увеличение стока реки Дон происходит за счет сработки бассейновых влагозапасов. Период устойчивого маловодья с 1966/67 по 1976/77 год обусловлен снижением естественной увлажненности бассейна. Но на фоне снижения осадков в этот период отмечается рост суммарного испарения. Кроме того, в эти годы происходит сра-ботка бассейновых влагозапасов, следовательно, можно предположить, что влаго-запасы участвуют в формировании испарения с поверхности речного бассейна. С 1977/78 по 1981/82 год сток повышается за счет резкого увеличения осадков, причем в этот период происходит наполнение бассейновых влагозапасов.

Поскольку происходящее в настоящее время изменение климата связано с повышением температуры воздуха, в дополнение к временным рядам элементов водного баланса рассмотрен временной ряд среднегодовой температуры воздуха

Х

о ю о ю о

Ю Ю СО «О Ь-ф б) б) О) Ф

1Д о ю о ю о ю

1> 00 00 О! О) о о

оэ а 05 о оа о о

тН 1-4 1-Н 1-й гЧ N

4 2 0 - 2

- 4

- 6 - 8

10 12

ЩЕ - Еср)/Ое)

ОЮОЮОЮОЮОЮОЮ Ю Ю СО СО Ь- 00 00 О! О! оо

05 05 010105 О! 05 05 05 05 ОО т-НтНт-Нг-1тН1-ЧтН1-Нт-Н1НСЧ1С<1

Г I [ г^/х

2 о

- 2

оюоюоюоюоюою

ЮЮС01>1>00000501©

№ О) О) О) О) ОЭ О) ОЭ ОЭ О) оо нинниининням

Разностные интегральные кривые элементов водного баланса бассейна реки Дон за 1952/53-2006/07 годы

№ 1'2012

Выводы

Изменение годовых сумм осадков и суммарного испарения с поверхности речного бассейна за исследуемый ретроспективный период (1952/53-2006/07 годы) имеет тенденцию к увеличению. Величины трендов составляют 19 мм/10 лет и 8 мм/10 лет.

Период с 1952 по 1975 год соответствует снижению естественной увлажненности бассейна Верхнего Дона, тогда как с 1976 по 2006 год наблюдается общая тенденция к увеличению годовых сумм атмосферных осадков. Речной сток за период с 1952 по 1965 год представляет собой фазу повышенной водности, а затем наступает период устойчивого маловодья (до 2002 года). Начиная с 2003 года речной сток имеет тенденцию к росту. Суммарное испарение повторяет тенденцию, свойственную колебаниям суммарных атмосферных осадков. Повышение речного стока подтверждается изменением бассейновых влагозапасов в сторону их сработ-ки, хотя начиная с 1975 года наблюдается

наполнение бассейновых влагозапасов.

1. Исмайылов Г. Х., Федоров В. М.

Межгодовая изменчивость и взаимосвязь элементов водного баланса бассейна реки Волги// Водные ресурсы. - 2008. - Т. 35. - № 3. - С. 259-276.

2. Исмайылов Г. Х., Федоров В. М. Оценка возможных изменений элементов годового водного баланса бассейна Волги // Природообустройство. - 2010. - № 5. -С. 58-64.

Материал поступил в редакцию 17.04.11. Исмайылов Габил Худуш оглы, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Гидрология, метеорология и регулирование стока» Тел. 8 (499) 976-23-68 E-mail: Ism37@mail.ru

Муращенкова Наталья Владимировна,

кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидрология, метеорология и регулирование стока» Тел. 8 (499)976-23-68

УДК 502/504 : 628.16

Л. С. АЛЕКСЕЕВ, Е. В. ГЛАДКОВА

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный заочный университет»

ОЧИСТКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ОТ СТАБИЛЬНОГО СТРОНЦИЯ

Оценен способ очистки воды от стабильного стронция, основанный на электрохимическом воздействии на воду и осаждении стронция в виде карбоната. В диапазоне предварительно исследованных значений концентраций стронция (до 50 мг/л) этот способ позволяет снизить его содержание до 2...5 мг/л при предельно допустимом значении 7 мг/л.

Подземные воды, очистка воды от стронция, электрохимия.

The method of water cleaning from stable strontium was assessed by the authors which was based on the electrochemical action on water and strontium sedimentation in a form of carbonate. In the range of the preliminarily studied values of strontium concentrations (up to 50 mg/l) this method allows to decrease its content up to 2.5 mg/l under the maximum permissible level 7 mg/l.

Underground water, water cleaning of strontium, electrochemistry.

№ 1' 2012