Дослідження є стік річок басейну р. Самара

ВСТУП
При розробці стратегії в галузі раціонального використання і охорони водних ресурсів, плануванні та реалізації дорогих водогосподарських заходів, спрямованих на вирішення проблем водозабезпечення, включаючи оптимальне регулювання річкового стоку і його територіальний перерозподіл, необхідно, насамперед, мати науково-обґрунтовані оцінки, які можливі у перспективі змін водних ресурсів та водного режиму річок під впливом природних і антропогенних факторів. Складність вирішення цих питань на сучасному етапі значною мірою обумовлена особливостями кліматичних умов останніх трьох десятиліть. У цей період виразно позначився процес глобального потепління клімату; для помірних широт північної півкулі інтенсивне підвищення температури повітря спостерігається з кінця 1970-х - початку 1980-х років.

У зв'язку з вищевикладеним, однією з найбільш актуальних проблем, що стоять перед гідрологами, є виявлення закономірностей змін водних ресурсів та водного режиму річок в сучасних і можливих у перспективі кліматичних умовах. Базовою основою діагностики змін сучасних водних ресурсів на території України є комплексний статистичний аналіз динаміки річного, весняного, літньо-осіннього та зимового стоку річок, а також його внутрішньорічного розподілу на основі багаторічних рядів спостережень.

У роботах останніх років, присвячених зміні клімату та їх наслідків, дано аналіз і прогноз багаторічних тенденцій річкового стоку [16]. Беручи до уваги актуальність даної проблеми при змінах клімату видається важливим провести дослідження багаторічних тенденцій більш детально на обмеженій території, а саме в басейні р. Самара.

Об’єктом дослідження є стік річок басейну р. Самара.

Предмет дослідження – тенденції зміни річкового стоку басейну р. Самара.

Метою даного дослідження є виявлення провідних ритмів в багаторічних коливаннях стоку річок басейну р. Самара та факторів, що їх визначають.

Для досягнення поставленої мети необхідно виконати наступні завдання:

1) Дослідити сучасний стан вивченості багаторічних коливань стоку річок.

2) Обгрунтувати вибір методики та алгоритму дослідження багаторічних коливань стоку річок в часовому та просторовому аспекті.

3) Провести аналіз гідрологічного режиму території за результатами вивчення багаторічних коливань сезонного стоку річок басейну Самари.

4) Дослідити ритмічність сезонного стоку річок басейну Самари на основі статистичного аналізу.

Для виконання поставлених завдань використано бази даних багаторічних середньомісячних та щодобових спостережень за витратами води по постам в басейні р. Самара та бази даних багаторічних спостережень за опадами по метеорологічним постам, що тяжіють до території дослідження.

РОЗДІЛ І. СУЧАСНИЙ СТАН ВИВЧЕНОСТІ БАГАТОРІЧНИХ КОЛИВАНЬ СТОКУ РІЧОК

Огляд досліджень багаторічних коливань стоку річок.

Основними причинами або чинниками, які зумовлюють закономірності просторово-часових коливань річкового стоку являються космо- та геофізичні фактори. Впливу цих факторів на багаторічні коливання річного стоку, виявленню різних форм циклічності, синхронності та асинхронності присвячені численні дослідження. Короткий і досить ґрунтовний аналіз з даної теми міститься, зокрема, в роботі П.С. Кузіна і В.І. Бабкіна (1992). Більш детальний виклад цих питань міститься в ряді спеціальних досліджень Дружиніна (1976) [1].

У вивченні багаторічних коливань річкового стоку можна виділити три напрямки:

1) дослідження розподілу ймовірностей величин стоку в часі і просторі;

2) вивчення ритмів в багаторічних коливаннях стоку і виявлення районів синхронних і асинхронних коливань стоку [2];

3) дослідження зв'язку між багаторічними коливаннями стоку і геліофізичними процесами (цикли сонячної активності, атмосферної циркуляції, температурний режим океану та ін.).

В долідженнях, присвячених другому і третьому напрямку, можна виділити три основні етапи.

Перший етап охоплює період з 1955 р по 1970 р. Всі дослідження цього періоду проводилися здебільшого за матеріалами спостережень за стоком великих річок, водозбори яких розташовані в декількох природних зонах (Кузін, 1970). Цей недолік пояснюється відсутністю тривалих рядів спостережень по стоку. Вказаний період характеризується використанням, в основному, візуальних методів досліджень, наприклад: різницевоінтегральних кривих, порівнянням різних діаграм і т. д., що пояснюється слабким впровадженням ЕОМ у практику.

Другий етап знаменує перехід до машинної обробки результатів спостережень, переважно на середніх річках. Він охоплює період приблизно в 20 років (з 1970 по 1990 рр.). Широке впровадження ЕОМ в практику дозволило перейти до більш складних математичних методів досліджень, а, отже, і отриманню більш точних результатів.

Третій етап – новітній, де для цілей дослідження просторово-часових коливань стоку річок застосовуються сучасні ПЕОМ, ІС та ГІС-технології [3].

Серед робіт першого етапу досліджень слід виділити праці: Т.Н. Кочукова (1955), Н.В. Хамьяновой (1963), Н.В. Сомова (1963), В.І. Коровіна (1966), З.П. Коноваленко (1966), А.І. Давидової, Г.П. Калініна (1969), І.П. Дружиніна (1969), П.С. Кузіна (1979), Р.І. Гальперіна (1970) та ін. Необхідно також відзначити деякі роботи цього етапу загального та спеціального характеру, що висвітлюють вплив геофізичних факторів на річний стік річок. Це дослідження П.С. Кузіна (1965), В.Д. Бикова (1963), А.С. Шкляєва (1964-1967 рр.) та ін. Роботи цього періоду досить детально висвітлені у багатьох більш пізніх працях, присвячених даній тематиці.

Дослідження другого етапу найбільш численні. Вони характеризуються застосуванням у вивченні просторово-часової структури багаторічних коливань гідрометеорологічних характеристик сучасного математичного апарату. До них можна віднести праці: Н.П. Смирнова та ін. (1973, 1974, 1986), С.Г. Агаркова (1973), О.Ф. Кондрацової (1974), І.П. Дружиніна та ін. (1970, 1977, 1987), В.А. Румянцева, І.В. Бовикіна (1985), В.А. Жук, В.М. Євстигнєєва (1976, 1980, 1982, 1999), С.П. Нікітіна, В.А. Земцова (1986), А.К. Фомченкова (1987), А.В. Різдвяного та ін. (1988) та ін. Спільна праця Е.І. Саруханян і Н.П. Смирнова (1971) присвячена дослідженню багаторічних коливань стоку р. Волги. Авторами на прикладі р. Волги, методом спектрального аналізу отримані циклічні складові її стоку. Ними зроблено спробу геофізичного обґрунтування циклічності природних процесів [4].

У більш пізній праці Н.П. Смирнова (1974) досліджуються просторово-часові закономірності багаторічних коливань стоку річок СРСР як відображення космо-геофізичного фону макропроцесів в атмосфері й океані Землі. Істотну відмінність в коливаннях стоку на території СРСР автор пов'язує з особливостями перебудови циркуляційних процесів. Н.П. Смирнов одним з перших застосував в гідрології метод головних компонентів для вивчення просторових закономірностей полів стоку і отримав на його основі ретельного вичислені довгострокові прогнози. Спільно з В.Л. Скляренко (1973, 1974) автором внесений значний внесок з впровадження методів багатомірного статистичного аналізу в гідрологічні дослідження [3].

С.Г. Агарковим (1973) проведено докладне вивчення циклічної структури стоку річок Західного Сибіру і повторюваності типів атмосферної циркуляції з використанням кореляційного аналізу (R-аналізу) і спектральної щільності. Автором отримано 5 районів, що розрізняються набором циклічних складових і виявлена природа окремих циклів коливань стоку річок. С.Г. Агарковим виділені групи і типи атмосферної циркуляції, що є, на його думку, основними чинниками багаторічної мінливості стоку річок досліджуваної території [4].

О.Ф. Кондрацовою (1974) методом розкладання полів стоку за природними ортогональними складовими отримані цикли коливань стоку річок СРСР. Нею докладно вивчений квазідвохрічний цикл і виявлена природа цього ритму, що є характерною особливістю загальної циркуляції атмосфери. Автором виявлена також залежність водності річок від напрямку стратосферних вітрів.

Значний внесок у вивчення природи багаторічних коливань стоку річок внесла група вчених під керівництвом І.П. Дружиніна (1977, 1987, 1981). В.А. Румянцевим і І.В. Бовикіним (1985) розроблений спеціальний математичний метод, який є розділом теорії випадкових викидів. Автори застосували його для вивчення багаторічних коливань стоку річок Євразії як випадкових послідовностей з дискретним часом. Виявлені ними закономірності гідрологічного режиму річок значно розширили уявлення про статистичну структуру багаторічних коливань стоку.

Г.П. Калініним (1968) вперше виконано дослідження багаторічної мінливості коливань стоку 137 річок світу та виявлено райони з синхронними і асинхронними коливаннями стоку. А.К. Фомченковим (1987) проведений кореляційний аналіз за оцінкою синхронності коливань річкового стоку для всієї території суші. автором установлено 88 районів з синхронним стоком, виявлені періоди середньої, максимальної та мінімальної водності. Для отримання додаткової інформації про просторово-часову структуру багаторічних коливань стоку річок використовувався метод розкладання на природні ортогональні складові [7].

Групою вчених ДГІ під керівництвом А.В. Різдвяного (1988) виконано дослідження просторово-часових коливань річного стоку річок СРСР з використанням просторових кореляційних функцій. Авторами виділено 41 район з однаковими умовами формування стоку, узагальнені класичні критерії однорідності, зроблена оцінка стаціонарності стоку.

Праці співробітників кафедри гідрології суші МДУ В.М. Евстигєєва, В.А. Жука та ін. (1976, 1980-1982, 1984) поклали початок активному впровадженню методів багатовимірного статистичного аналізу для вивчення просторово-часової структури багаторічних коливань стоку річок. На прикладі території Забайкалля та ін. Показана перевага сучасних методів багатовимірної статистики для вивчення просторово-часових коливань у порівнянні з попередніми методами. Поряд з дослідженням великих територій, багатомірний статистичний аналіз, знайшов застосування в регіональних узагальненнях і дослідженнях багаторічних коливань стоку окремих великих річок.

Основним недоліком переважної більшості робіт цього типу досліджень є вивчення багаторічних коливань стоку річок в одному з аспектів: тимчасовому або просторовому. Комплексні дослідження, що відображають одночасно циклічність і синхронність коливань стоку річок та їх зв'язок з космо- і геофізичними чинниками або відсутні, або потребують уточнення на основі залучення більшої кількості даних і сучасних методів дослідження [5].

Іншим недоліком більшості досліджень є використання при аналізі синхронності стоку річок недостатньо обґрунтованого з позиції поставленої мети показника схожості об'єктів. Районувания територій, виконане авторами на основі результатів досліджень багаторічних коливань стоку річок, як правило, закінчувалось порівнянням зі схемами попередніх дослідників. Коли ж державні і недержавні критерії районування або відсутні зовсім, або автори використовували для цих цілей малопридатні критерії. Так, наприклад, деякі дослідники вважають оптимальним рівнем подібності об'єктів рівень кореляції – 0,5 (Кочукова, 1955; Агарков, 1973 та ін.). Інші дослідники вважають позитивною кореляцією оцінки R ≥ 0,2 (Акименко, Євстигнєєв, 1999). При цьому не дається чіткого обґрунтування зворотного рівня схожості.

Третій етап досліджень охоплює останнє десятиліття XX і початок XXI століть. В даний час методи багатовимірної статистики все глибше проникають в метеорологію і гідрологію. Крім методів факторного аналізу та теорії розпізнавання образів все більшого розповсюдження отримують спеціальні методи кореляційного аналізу (К – аналіз), що є внеском у розвиток методів кластерного аналізу (Рассказова, 1992; Скляренко, Смирнов, 1974, 1999 і ін.). Застосування цих методів дає можливість значно об'єктивніше вирішувати завдання, пов'язані з класифікацією об'єктів і районуванням території по ряду ознак. Так, наприклад, застосування алгоритму «утворення ядер району», що представляє собою жорстко детерміновану процедуру типу розпізнавання образів з самонавчанням, дозволяє об'єднувати об'єкти і кластери за принципом максимальної близькості в просторі ознак кореляцій (Акименко; Євстигнєєв, 1999). Це дає можливість надалі оперувати не з окремими об'єктами аналізу, а з їх сукупностями. Зазначена можливість продемонстрована авторами на прикладі аналізу синхронності коливань річного стоку річок європейської території колишнього СРСР.

В.Н. Сінюковіч (1999) виконав гідрологічне районування території півдня Сибіру. Автором виявлено провідні внутрішньовікові цикли і виділені райони сінхронних коливань стоку. В результаті досліджень встановлено, що структура коливань річних величин стоку характеризується певним набором внутрішньовікових циклів, локалізованих переважно в межах районів з синхронними коливаннями стоку [1].

Н.С. Рассказова (2003) виконала комплексне дослідження багаторічних коливань річного стоку річок Зауралля із застосуванням авторского варіанту кластерного аналізу (2000). На основі досліджень отримана карта районування території і проведені кількісна та якісна оцінки результатів районування.

Отже, вивченню багаторічних коливань річного стоку річок, а також їх зв'язку з різними космо- і геофізичними чинниками присвячено значну кількість робіт. Однак, в силу відмінностей цілей та методів цих досліджень їх результати важко узагальнити. У зв'язку з цим виникла задача додаткових комплексних досліджень багаторічних коливань стоку річок із застосуванням сучасних комп'ютерних технологій. Саме вирішенню цього завдання присвячено подальші дослідження.
1.2 Природні умови та фактори формування річкового стоку
Основною характеристикою річкового стоку є його середня річна величина, що дозволяє судити про водність річок, ресурсах поверхневих вод. Формування річкового стоку відбувається в зоні контакту двох природних сфер – атмосфери і літосфери. Кожна з цих сфер характеризується параметрами, що змінюються як у просторі, так і в часі. В результаті величина стоку будь-якої річки представлє собою сукупність впливу численних елементів фізико-географічного середовища. Тому річковий стік обґрунтовано відноситься до багатофакторних природних процесів. Природні фактори в різні роки по-різному впливають на середній річний стік і неоднозначно визначають його величину, і розподіл у часі. На думку А.М. Комлева (1992), проблема оцінки впливу на річний стік різних факторів стоку складна, багатопланова і потребує подальших досліджень. У зв'язку з цим, на сьогодні не існує єдності класифікацій факторів річкового стоку.

Фізико-географічні або природні фактори річкового стоку ділять зазвичай на дві основні групи: кліматичні та фактори підстилаючої поверхні, куди включені всі інші елементи ландшафта, крім клімату. Антропогенні фактори, які набувають все більшого вплив у на стік, як правило, виділяють в особливу групу. Перша група факторів визначає норму річного стоку, а друга, разом з першою – процеси або режим стоку [15].

Класифікації факторів стоку ґрунтуються переважно на його середніх багаторічних характеристиках. При оцінці впливу різних факторів на стік найчастіше дослідники обмежуються аналізом впливу факторів на якусь конкретну характеристику стоку. У нашому випадку – це середня річна витрати води. Найбільш повна і обґрунтована з позицій генетичного підходу класифікація факторів річкового стоку дана А.М. Комлєвим (1992, 2002). Відповідно до цієї класифікації всі чинники річкового стоку можна розділити на три групи: кліматичні, метеорологічні і фактори річкового басейну. Головна роль у формуванні середнього річного стоку належить кліматичним чинникам. Розглянемо коротко вплив перерахованих факторів на річний стік річок басейну р. Самара.
1.3 Кліматичні чинники річкового стоку
Кліматичні чинники річкового стоку визначають середні значення різних характеристик стоку, його просторову мінливість і тип водного режиму річки. Вони залежать в свою чергу від конкретного географічного положення басейну. Для цілей дослідження доцільно розглянути лише ті характеристики клімату, які визначають багаторічні середні ритми річкового стоку і вищеназвані особливості. До них відносяться мінливість річних сум опадів і випаровування. Остання характеристика залежить від температурного режиму [15].

Водність річок, обумовлена середньою багаторічною величиною річного стоку, залежить від двох головних кліматичних факторів – величини атмосферних опадів і розмірів їх втрат на випаровування. А.І. Воєйков вперше науково і глибоко обгрунтував цей зв'язок. Він правомірно розглядав річки як продукт клімату та їх басейнів і розробив першу кліматичну класифікацію річок земної кулі. Надалі висновок А.І. Воєйкова був уточнений Е.М. Ольдекопом, Д.Л. Соколовським та ін. (Комлєв 1992, 2002).

Таким чином, середні зональні характеристики річкового стоку визначаються кліматичними факторами. В якості характеристики, для цілей дослідження просторово-часової структури багаторічних коливань стоку річок, як зазначалося вище, розглядається середня річна витрата річок (мова йде лише про зональні значеннях вказаної характеристики, обумовлені географічною широтою і висотою місцевості, а також іншими факторами, що формують клімат). Основними кліматичнми факторами, що впливають на формування багаторічних коливань стоку річок є атмосферні опади, температура повітря і випаровування [20].

Атмосферні опади. Багаторічні коливання річного стоку являються інтегральними показниками клімату. Головною причиною цих коливань є коливання річних сум опадів і випаровування. Зв'язок між річними значеннями основних елементів водного балансу проаналізовано багатьма дослідниками. В результаті аналізу встановлено, що в умовах достатнього і надмірного зволоження коливання річного стоку визначаються в основному мінливістю опадів (Комлєв 1992, 2002) [14].

Основні закономірності територіального розподілу річних сум атмосферних опадів визначаються двома природними закономірностями: широтною зональністю і висотною поясністю.

Річні суми опадів у межах окремих водозборів зменшуються в широтному напрямку від 600-650 мм у північно-західних частинах басейну Дніпра до 460-480 мм у південних. Найбільша річна кількість атмосферних опадів, що становить 650-670 мм, випадає у верхній частині басейну р. Стир, що протікає Волинською та Подільською височинами. На 10-15 % збільшується кількість опадів у верхів`ях рр. Горинь, Случ, Тетерів, Рось, Самара. Найменша сума опадів (460 мм) спостерігається в межах водозбору р. Мокра Сура. Відносна частка опадів теплого періоду поступово збільшується з півночі на південь від 60 до 70 % їх річної суми, а в абсолютних величинах, навпаки, зменшується від 330-410 до 310-350 мм. На зимовий і весняний сезони припадає відповідно по 16-28 та 18-23 %, на літній – 35-52 % річної кількості опадів [15].

Повною мірою це відбивається і на зв'язку середнього річного стоку річок з середньою висотою їх водозбору. У кожному конкретному річковому басейні зональні величини і характер випадання атмосферних опадів так само, як і величини річкового стоку, змінюються під впливом місцевих особливостей рельєфу і ряду інших факторів.

Температура повітря. Для температури повітря, мабуть, більшою мірою, ніж для опадів і випаровування, характерна закономірність територіального розподілу за широтою і висотою місцевості. І хоча вона значно менше впливає на стік, ніж розглянуті вище елементи клімату, значення її (пряме або опосередковане) також досить істотно.

На величину середнього річного стоку температура повітря впливає головним чином через випаровування. Середньорічна температура (поряд із сумою опадів) визначає співвідношення різних джерел живлення [20].

Таким чином, температура повітря надає опосередкований вплив на формування річного стоку річок, яке виражається в різному співвідношенні джерел живлення річок.

Випаровування. Сумарне випаровування з поверхні річкового басейну є другим важливим складовим рівняння водного балансу цього басейну, визначальною величиною річного стоку річки. Як писав Л.К. Давидов, «основними кліматичними факторами, що впливають на величину середнього багаторічного стоку річок, є атмосферні опади, як потенційна можливість виникнення і розвитку процесу стоку (прибуткова частина водного балансу), температура і гігрометричний стан повітря, як фактори, що визначають втрати на випаровування (видаткова частина водного балансу) (Кондратьєв, Логінов, 1992).

Значний інтерес представляє аналіз коефіцієнта випаровування – α (співвідношення між величинами опадів - Х і випаровування - Е), а також коефіцієнт стоку h = 1α. Спільний аналіз цих коефіціентів дає гарне уявлення про ступінь впливу на річний стік річок, як опадів, так і випаровування. Одним з перших такий аналіз ще спочатку ХХ століття Е.М. Ольдекоп, що встановив два типи річкових басейнів.

У басейнах першого типу, розташованих в зонах недостатнього зволоження, стік слабо залежитьт від опадів, оскільки вони при високому дефіциті вологості витрачаються головним чином на випаровування. Тут високий коефіцієнт випаровування і невеликий коефіцієнт стоку[15].

У басейнах другого типу, що відносяться до областей достатнього і надмірного зволоження (гірничо-таежная і лісова зони, а також північ лісостепової зони), навпаки, випаровування слабо залежить від опадів, так як воно близько до максимально можливого. Тому тут добре виражений зв'язок стоку з опадами.

Випаровування – дуже складний процес, що залежить від комплексу метеорологічних умов, характеру поверхні, що випаровує. На відмінну від випаровуваності, випаровування залежить більшою мірою від зволоженості території. Особливо велике розходження між значною випаровуваністю, яка визначається головним чином достатніми тепловими ресурсами в південних районах і випаровуванням, обмеженим малою кількістю опадів. Отже, сумарна річна величина випаровування в районах надмірного зволоження обмежується дефіцитом тепла, а в арідних зонах – дефіцитом вологи. Це обумовлює порівняно малу просторову мінливість сумарного випаровування. Слабко виражена і вертикальна поясність у розподілі випаровування в межах цієї території. Спочатку воно з висотою і зростанням зволоження дещо зростає, потім, обмежується дефіцитом тепла, починає зменшуватися. Шульцем (1965) встановлено, що таким же чином змінюється випаровування у всіх гірських районах.

В цілому можна відзначити, що ступінь впливу випаровування на величину річного стоку річок визначається як величиною загального зволоження території, так і співвідношенням між елементами її водного баланса. Випаровування менше впливає на стік в областях надмірного зволоження з високим коефіцієнтом стоку і, навпаки, стає визначальним у зоні недостатнього зволоження, де на випаровування витрачається більша частина атмосферних опадів. Природно, що найбільша величина випаровування припадає на теплу частину року. При цьому, за інших рівних умов, сумарні втрати опадів на випаровування будуть більше в тих районах, де в теплий період випадає їх більшість. У дослідженнях використовувалися два показники, враховували опади і температуру теплого періоду року і, побічно враховували випаровування – коефіцієнт М.М. Іванова (1958) і індекси засушливості А.В. Мещерскої і В.Г. Блажевич (1977).

Таким чином, спільний вплив комплексу кліматичних факторів, властивих тій чи іншій кліматичній зоні, в результаті формує характерний для кожної зони водний режим річки та її приток і особливості багаторічних коливань стоку [15.