Анализ и оценка гидрометеорологических условий бассейна Верхней Волги в условиях потепления климата

Выводы

Возведение дамбы - это инструмент регуляции структуры речной системы через понижение ее фрактальной размерности. Существенным при этом является то обстоятельство, что намыв дамбы не разрушает сложившейся целостности компонентов среды, а лишь увеличивает ее эластичность за счет создания дополнительных центров устойчивости вмещающей среды. Этому во многом способствует очистка русла от донных отложений в процессе намыва дамбы, что значительно улучшает русловую гидродинамику реки.

1. Министерство по чрезвычайным ситуациям: Официальный сайт. - URL: www. mchs.gov.ru (дата обращения 5.11.13).

2. Калуш Ю. А., Логинов В. М., Чу-пикова С. А. Использование технологий ГИС при анализе фрактальных характеристик речной сети Тувы // Геоинформатика. - 2005. - № 4. - С. 31-40.

3. Ignasio Rodrigues, Andrea Rinaldo. Fractal River Basins. Chance and Self-Organization.

- Cambridge university press, 2001. - 547 р.

4. Насонов А. Н., Сметанин В. И. Топологическое моделирование природно-техногенных систем // Приодообустройство.

- 2013. - № 1. - С. 11-16.

5. Тищенко Н. Н., Цветков И. В. Фрактальный анализ речных систем Тверской области. Моделирование сложных систем: сб. науч. трудов. - Тверь: Изд-во

ТвГУ, 1998. - Вып. 1. - С. 134-144.

6. Цветков И. В. Использование фрактальных временных рядов в комплексном анализе речных систем: Моделирование сложных систем: сб. науч. трудов - Тверь: Изд-во ТвГУ, 1998. - Вып. 1. - С. 145-155.

7. Сметанин В. И., Жогин И. М. Методы и средства гидромеханизации в составе мероприятий по защите территорий от наводнений // Приодообустройство. -2013. - № 2. - С. 80-83.

Материал поступил 21.11.13. Сметанин Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Организация и технологии строительства объектов природообустройства» Тел. 8-926-798-51-97 E-mail: smetanin2000@yandex.ru Цветков Илья Викторович, доктор технических наук, доцент кафедры «Экономика и управление производством» Тел. 8-910-646-12-30 E-mail: mancu@mail.ru Насонов Андрей Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Организация и технологии строительства объектов природообустройства» Тел. 8-926-207-09-54 E-mail: andrenas22@yandex.ru Жогин Иван Михайлович, инженер Тел. 8-916-541-42-32 E-mail: zhogi n.ivan@yandex.ru

УДК 502/504.064.2 О. А. ФЕДОТОВА

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

АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ БАССЕЙНА ВЕРХНЕЙ ВОЛГИ В УСЛОВИЯХ ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА*

Приведены результаты анализа и оценки гидрометеорологических характеристик за периоды весеннего половодья и межени по четырем частным водосборам и в целом по бассейну Верхней Волги. Рассмотрена динамика пространственно-временной изменчивости речного стока и определяющих его климатических факторов -атмосферных осадков и температуры воздуха.

Бассейн Верхней Волги, климат, речной сток, линейный тренд, ранговый критерий.

There are given results of the analysis and assessment of hydrometeorological characteristics for the period of spring floods and low water on four private water catchment basins and in whole on the Upper Volga basin. The dynamics of the spatial-temporal variability of river runoff and its defining climatic factors, such as precipitation and air temperature is considered.

The Upper Volga basin, climate, river runoff, linear trend, rank criteria.

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-05-00193а).

Речные бассейны и формирующийся в них сток, который служит основным источником водных ресурсов - наиболее значимые объекты изучения в гидрологии. Отличие речного стока от других видов природных ресурсов заключается в непрерывном его возобновлении в процессе круговорота воды на Земле. Возросшие в различных отраслях экономики потребности в воде, наметившееся истощение водных ресурсов - факторы, которые стали определяющими при изучении речного стока как одного из элементов водного баланса в тесной взаимосвязи с климатом и ландшафтом. Целесообразно изучать весь гидрологический цикл, совершающийся в речном бассейне, включая изменение во времени и пространстве атмосферных осадков и температуры воздуха.

Основу такого подхода к изучению гидрологических процессов составляет уравнение водного баланса, основанное на законе сохранения материи и энергии, решение которого позволяет оценить соотношение и взаимосвязь отдельных компонентов гидрологического цикла в речном бассейне. Чем детальнее будет изучена пространственно-временная изменчивость речного стока и определяющих его климатических факторов -температуры воздуха и атмосферных осадков, тем надежнее удастся выявить изменение гидрологического режима водных объектов в условиях возможного изменения климата.

Автором выполнены работы по оценке пространственно-временной изменчивости гидрометеорологических характеристик в бассейне Верхней Волги.

В качестве объекта исследования выбран

бассейн Верхней Волги. Волга - крупнейшая река Европы, национальная гордость России -занимает пятое место по водности среди рек Российской Федерации. Общая длина Волги 3531 км, в пределах Верхне-Волжского бассейна - 1570 км. Волжский бассейн является важнейшим в экономическом отношении регионом России, а вместе с Каспийским морем образует уникальную природную систему - Волго-Каспийский бассейн. Общая площадь водосбора бассейна Волги составляет 1 630 000 км2, в пределах Верхне-Волжского бассейна - 604 000 км2 [1]. Бассейн Верхней Волги включает в себя частные водосборы следующих водохранилищ: Иваньковского, Нижегородского, Рыбинского, Угличского.

Для выявления пространственно-временной изменчивости речного стока, температуры воздуха и атмосферных осадков были получены временные ряды за период с 1914/1915 по 2010/2011 годы (п = 97 лет) по четырем частным водосборам бассейна Верхней Волги за период половодья, межени и года в целом.

В качестве исходной гидрометеорологической информации использованы данные наблюдений за месячными и годовыми суммами атмосферных осадков на 11 метеостанциях и за речным стоком на 20 гидрологических постах, находящихся на рассматриваемых частных водосборах бассейна Верхней Волги.

Для всех рассматриваемых временных рядов были определены выборочные оценки основных статистических параметров: сред-немноголетнее значение, стандартное отклонение, коэффициент вариации, коэффициент асимметрии и автокорреляции (таблицы 1...4).

Таблица 1

Статистические параметры ЭВБ частного водосбора Иваньковского водохранилища бассейна Верхней Волги за 1914/1915—2010/2011 годы, мм

Статистический параметр Р год Ртепл Рхол Я год Я весна Я межень

Среднемноголетнее значение 717 475 242 212 117 95

Стандартное отклонение о 90 78 48 60 38 49

Коэффициент вариации С 0,12 0,16 0,20 0,30 0,32 0,51

Коэффициент асимметрии С 0,24 0,33 0,40 0,60 0,65 1,03

Коэффициент автокорреляции г [1] 0,10 0,04 0,25 0,26 0,12 0,26

Примечания: Рго - суммарные годовые атмосферные осадки; Ртепл - атмосферные осадки за теплый период; Рхол - атмосферные осадки за холодный период; Ягод - годовой речной сток; Я - речной сток в период весеннего половодья; Я - речной сток в период межени.

весна А А ^ ' ' 7 межень А х п

Таблица 2

Статистические параметры ЭВБ частного водосбора Нижегородского водохранилища бассейна Верхней Волги за 1914/1915—2010/2011 годы, мм

Статистический параметр Р год Ртепл Рхол Я год Я весна Я межень

Среднемноголетнее значение 612 42! 2! 191 243 149 94

Стандартное отклонение о 72 64 35 68 40 48

Коэффициент вариации С 0,12 0,15 0,20 0,28 0,27 0,51

Коэффициент асимметрии С 0,24 0,30 0,40 0,56 0,54 1,02

Коэффициент автокорреляции г [1] 0,08 0,09 - 0,004 0,47 0,17 0,37

Таблица 3

Статистические параметры ЭВБ частного водосбора Рыбинского водохранилища бассейна Верхней Волги за 1914/1915—2010/2011 годы, мм

Статистический параметр Р год Ртепл Рхол R год R весна R межень

Среднемноголетнее значение 676 457 219 202 109 94

Стандартное отклонение о 80 67 38 58 32 43

Коэффициент вариации С 0,12 0,14 0,17 0,29 0,29 0,46

Коэффициент асимметрии С 0,24 0,29 0,34 0,58 0,59 0,91

Коэффициент автокорреляции г [1] 0,13 0,17 0,11 0,37 0,10 0,19

Таблица 4

Статистические параметры ЭВБ частного водосбора Угличского водохранилища бассейна Верхней Волги за 1914/1915—2010/2011 годы, мм

Статистический параметр Р год Ртепл Рхол R год R весна R межень

Среднемноголетнее значение 687 457 232 91 55 36

Стандартное отклонение о 88 73 45 29 19 23

Коэффициент вариации С 0,12 0,16 0,19 0,32 0,34 0,64

Коэффициент асимметрии С 0,25 0,32 0,38 0,64 0,69 1,28

Коэффициент автокорреляции г [1] 0,16 0,18 0,23 0,37 - 0,12 0,37

Изменение годовых сумм атмосферных осадков в бассейне Верхней Волги происходит в диапазоне от 717 (частный водосбор Иваньковского водохранилища) до 612 мм/ год (частный водосбор Нижегородского водохранилища): в теплый период - от 475 (частный водосбор Иваньковского водохранилища) до 422 мм/год (частный водосбор Нижегородского водохранилища); в холодный период

- от 242 (частный водосбор Иваньковского водохранилища) до 191 мм/год (частный водосбор Нижегородского водохранилища).

Колебание среднегодовых величин стока происходит в диапазоне от 243 (частный водосбор Нижегородского водохранилища) до 91 мм/год (частный водосбор Угличского водохранилища): в период весеннего половодья

- от 149 (частный водосбор Нижегородского водохранилища) до 55 мм/год (частный водосбор Угличского водохранилища); в период межени - от 95 (частный водосбор Иваньковского водохранилища) до 36 мм/год (частный водосбор Угличского водохранилища).

Изменчивость атмосферных осадков теплого периода колеблется от 0,16 (частный водосбор Иваньковского водохранилища) до 0,14 (частный водосбор Рыбинского водохранилища) и осадков холодного периода соответственно от 0,20 (частный водосбор Иваньковского водохранилища) и до 0,17 (частный водосбор Рыбинского водохранилища).

Коэффициент вариации среднегодовых величин стока Верхней Волги изменяется от 0,32 (частный водосбор Угличского водохранилища) до 0,28 (частный водосбор Нижегородского водохранилища): для периода весеннего половодья - от 0,34 (частный водосбор Угличского водохранилища) до 0,27 (частный водосбор Нижегородского водохранилища); для периода межени - от

0,64 (частный водосбор Угличского водохранилища) до 0,46 (частный водосбор Рыбинского водохранилища).

Внутрирядная связь годовых сумм осадков смежных лет в исследуемых временных рядах изменяется от 0,16 (частный водосбор Угличского водохранилища) до 0,02 (частный водосбор Нижегородского водохранилища).

При изучении динамики колебаний гидрометеорологических величин часто отмечаются однонаправленные изменения их величин под действием одного или нескольких факторов в течение какого-либо периода. Эти изменения

где У(£) - значение исследуемых водных ресурсов (речного бассейна или бассейна моря); £ - порядковый номер наблюденной величины; а0 и а1 - регрессионные коэффициенты.

Для принятия гипотезы о наличии линейного тренда по методике И. И. Поляка требуется выполнение следующих

условии:

о2 < о2; jaj > 2 oai,

где о2 - дисперсия наблюденных величин от среднего значения; а2 - дисперсия отклонения наблюденных величин от линии тренда, которая определяется так:

о2 = a2

где R - коэффициент корреляции между наблюденной величиной и ее порядковым номером; аа1 -среднее квадратическое отклонение регрессионного коэффициента а1:

а1

12

I п

Если условия не выполняются, то линейный тренд является незначимым с вероятностью 5 %.

Для оценки тренда применяют также ранговый критерий Спирмэна [3]:

1 - 61 d I/(п3 - п),

i=1

где di - разность между порядковым номером и рангом каждого хронологического значения ряда длиной п.

По методикам И. И. Поляка и Спирмэна (на примере частного водосбора Иваньковского водохранилища) установлено наличие слабовыраженного тренда во временных рядах годовых атмосферных осадков (РГ), годовом стоке ^Г).

Статистически значимый тренд наблюдается при среднегодовой температуре воздуха (ТГ) (табл. 5).

Таблица 5

Значения статистических критериев для оценки значимости линейного тренда временных рядов ЭВБ частного водосбора Иваньковского водохранилища

бассейна Верхней Волги

п.

Исследуемая величина Критерий Спирмэна Критерий И. И. Поляка 1)02 < о2; 2) |а1 > 2 о^,

РГ 0,014 1) О2 = 8092 < о2 = 8100;

2) |а1 = 0,12 < Оа! = 6,4

RГ 0,135 1) О2 = 3484< о2 = 3552;

2) |а1| = 0,3< оа1 = 4,3

ТГ 0,391 1) о2 = 1,03 < о2 = 1,10;

2) |а1| = 0,01 < оа1 = 0,07

Анализ тенденции изменения ЭВБ показывает, что для частного водосбора Иваньковского водохранилища бассейна Верхней Волги в период весеннего половодья характерно снижение речного стока за исследуемый период (1914/152010/11) на 30 мм за 97 лет, тогда как в период межени наблюдается увеличение речного стока на 59 мм за тот же пери-

од, годовой сток также увеличивается и составляет 30 мм за 97 лет. Аналогично можно проследить незначительное увеличение годовых атмосферных осадков за исследуемый период - 11 мм за 97 лет, за холодный период происходит небольшое уменьшение - 15 мм за 97 лет, за теплый период отмечается рост атмосферных осадков на 21 мм за 97 лет (рис. 1).

Т, "С

360 300 250 200 150 100 50

ми

40 50 60 70 80 90 Индекс 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Индекс

времени времени

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Индекс

времени

а б в

Рис. 1. Колебания годовых значений ЭВБ частного водосбора Иваньковского водохранилища за период 1914/15—2010/11 годов: а - атмосферные осадки; б - температура воздуха; в - речной сток

Как видно из рисунка 2, период снижения годового стока (1914-1975 годы) соответствует периоду пониженной увлажненности территории бассейна (1914-1975 годы). В этот период среднегодовая температура воздуха имеет тенденцию к снижению. С конца

70-х годов увлажненность территории возрастает, из-за чего увеличивается годовой сток.

Анализ межрядной взаимосвязи ЭВБ частного водосбора Иваньковского водохранилища за исследуемый период показал, что наиболее тесная

корреляционная связь прослеживается стоком за период межени и атмосфер-между годовым стоком и атмосферны- ными осадками теплого периода (г = ми осадками (г = 0,65), а также между 0,71).

Рис. 2. Разностные интегральные кривые годовых величин ЭВБ частного водосбора Иваньковского водохранилища за период 1914/15-2010/11 годов: а - атмосферные осадки; б - температура воздуха; в - речной сток

Таблица 6

Матрица парных коэффициентов корреляции гидрометеорологических характеристик частного водосбора Иваньковского водохранилища за период 1914/15—2010/11 годов

Исследуемая величина р хол. Р тепл. РГ RB RM RГ Т хол. Т тепл. ТГ

Р 1,00 -0,06 0,38 0,31 -0,001 0,19 -0,04 -0,08 -0,11

рХОЛ. 1,00 0,83 0,06 0,71 0,62 -0,05 -0,20 0,05

рГпл. 1,00 0,19 0,65 0,65 -0,007 -0,17 0,04

RB 1,00 -0,07 0,57 -0,13 -0,28 -0,11

RM 1,00 0,77 0,23 -0,04 0,38

RГ 1,00 0,10 -0,21 0,23

Т 1,00 0,35 0,84

тхол- 1,00 0,32

тГпл. 1,00

Выводы

Проведенный анализ гидрометеорологических характеристик в бассейне Верхней Волги за 100-летний исследуемый период позволил выявить рост атмосферных осадков и осадков теплого периода и тенденцию к снижению осадков холодного периода.

Анализ тенденции изменения стока реки Волги за периоды весеннего половодья, межени и года в целом показывает, что для района Верхней Волги (периода межени и года в целом) характерно увеличение речного стока соответственно на 59 и 30 мм за 97 лет (сток весеннего половодья за такой же период снижается на 30 мм). Вместе с тем, выявленные изменения годового стока Верхней Волги синхронны увлажнению территории бассейна.

Наблюдающиеся в последние десятилетия климатические изменения проявились и в бассейне Верхней Волги. За столетний исследуемый период среднегодовая температура воздуха увеличилась на 1,5 0С, но еще больший рост температуры наблюдался в холодный период года и составил 2,0 0С. Коэффициент линейного тренда среднегодовой температуры воздуха, характеризующий

скорость потепления, составляет 0,15 0С за 10 лет.

По методикам И. И. Поляка и Спир-мэна установлено наличие слабовыражен-ного тренда во временных рядах годовых атмосферных осадков и годовом стоке.

Исследования показали, что в бассейне Верхней Волги прослеживается тесная корреляционная связь между речным стоком меженного периода и годовым стоком, а также между годовыми атмосферными осадками и годовым стоком.

1. Дементьев В. С. Мониторинг поверхностных водных объектов. Оценка качества вод. - Нижний Новгород: Крона-2, 2008. - 276 с.

2. Шелутко В. А. Численные методы в гидрологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 236 с.

3. Шикломанов И. А. Водные ресурсы России и их использование. - СПб: ГГИ, 2008. - 600 с.

Материал поступил в редакцию 05.09.13. Федотова Ольга Александровна, аспирантка

Тел. 8 (925) 288-59-57 E-mail: olg21796677@yandex.ru