ОЦЕНКА РЕЧНОГО СТОКА В БАССЕЙНЕ РЕКИ ВОЛГИ
1 УДК 50/504 : Г. Х. ИСМАЙЫЛОВ, Н. В. МУРАЩЕНКОВА Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» ОЦЕНКА РЕЧНОГО СТОКА В БАССЕЙНЕ РЕКИ ВОЛГИ Рассматриваются методические подходы оценки изменения стока реки Волги в первой половине ХХI века. Для оценки будущего изменения речного стока используются две концепции. Концепция стационарности предусматривает, что статистические параметры (норма стока, коэффициент изменчивости и др.) речного стока со временем остаются постоянными и не претерпевают изменений. Концепция нестационарности предполагает, что речной сток формируется как непрерывный случайный процесс с изменяющимися статистическими параметрами. Речной сток, нестационарность, наблюдения, гравитационные и антропогенные факторы, временные ряды, вероятностно-статистическая оценка. There are considered methodical approaches to the assessment of changes in the Volga river flow in the first half of the twenty-first century. To estimate future changes in the river flow two concepts are used. The concept of stationarity assumes that statistical parameters (flow rate, variability ratio, etc.) of the river flow remain constant over time and do not undergo changes. The second concept of nonstationarity assumes that the river flow is formed as a continuous random process with changing statistical parameters. River flow, nonstationarity, observations, gravitation and human factors, time series, probabilistic and statistical assessment. Существуют две концепции оценки возможных изменений речного стока. Согласно первой, в основе формирования речного стока лежит представление о его стохастической природе. Это предопределяет вероятностное описание закономерностей изменчивости речного стока во времени и пространстве с использованием наблюденных временных рядов. При этом выявленные закономерности распространяются и на будущее. Такой подход подразумевает стационарность процессов формирования речного стока и, как следствие, возможность вероятностного предвидения его характера и параметров в обозримом будущем. Однако со временем, по мере удлинения рядов инструментальных наблюдений тех или иных характеристик климата, в частности речного стока, становится все более заметной пространственная и временная неоднородность, свойственная отдельным отрезкам исходных временных рядов. Пространственная неоднородность обусловлена в основном ландшафтной пестротой поверхности земли, а временная неоднородность формируется преимущественно под влиянием нестационарности внешних воздействий на климатическую и гидрологическую системы, в том числе радиационных (колебания инсоляции, создаваемые эффектами орбитального движения Земли вокруг Солнца), гравитационных (лунные и солнечные приливы, прямые и косвенные воздействия других планет) и антропогенных. Анализ фактических данных показал, что временные ряды климатических и 65
2 гидрологических характеристик содержат циклы колебаний, характеризующиеся некоторой повторяемостью, но различающиеся по своим параметрам, что формирует вторую концепцию, включающую в себя антропогенно-обусловленное (нестацинарное) изменение речного стока. Таким образом, для всех временных рядов климатических и гидрологических характеристик характерна полицикличность (изменчивость в разных временных диапазонах), нестационарность и отсутствие монотонности. Принятие соответствующей концепции изменения речного стока в будущем предопределяет и выбор методов оценки этих изменений. Так, концепция стационарности климата и процессов гидрологического цикла предусматривает использование вероятностно-статистических методов. Принятие концепции нестационарности приводит к необходимости выявления однонаправленных тенденций (трендов) во временных рядах речного стока и определяющих его климатических и антропогенных факторов с последующей экстраполяцией детерминированной составляющей временного ряда, а также к установлению функциональных связей между факторами воздействия и характером отклика. Вероятностно-статистическая оценка изменения речного стока исходит из предположений о стационарности полученных временных рядов речного стока как бассейна в целом, так и отдельных частных его водосборов. При этом оценка едних статистических значений имеет следующий вид: X + τ = X ± t K σ, () n n p Xn где X еднемноголетнее значение речного стока; n продолжительность исходного временного ряда; τ продолжительность перспективного отрезка времени; t P критерий достоверности Стьюдента для уровня вероятности р; K коэффициент уменьшения точности оценки в зависимости от продолжительности перспективного периода τ; σ X n оценка еднеквадратичной ошибки еднего исходного временного ряда; []. Оценка погрешности определения еднего статистического значения находится с учетом коэффициента автокорреляции в исходном временном ряду: σ Õ + r σ =, Xn n r () где σ X стандарт отклонения годовых величин речного стока для исходного ряда продолжительностью n лет. 66 Квазистационарность временных рядов речного стока приводит к необходимости выявления циклов в колебаниях климатических и гидрологических характеристик и однонаправленных тенденций (трендов), свойственных отдельным фазам (подъема и спада) этих циклов, а также к установлению функциональных (корреляционных) связей между факторами внешнего воздействия (климатическими, антропогенными) и характером отклика (речным стоком). В этом случае альтернативой гипотезе однородности многолетних колебаний речного стока служит модель тренда []: X( t) = m( t) + ε( t ), (3) где функция m(t) описывает закономерные изменения характеристики Х во времени; e(t) чисто случайные колебания. Для обнаружения тренда достаточно хорошо используются непараметрические методы, например метод ранговой корреляции Спирмена [3]. Они требуют минимальных допущений, однако не позволяют давать его количественного описания. Эту задачу решают с помощью параметрических методов, например, функция тренда m(t) может быть представлена так: m( t) = a0 + a φ( t), (4) где j(t) заданная функция времени. На примере бассейна реки Волги, ресурсы речного стока которого удовлетворяют потребности в пресной воде населения и хозяйства Центрального, Приволжского, Южного и Уральского федеральных округов России, попытаемся оценить возможные ресурсы стока в первой половине XXI века согласно рассмотренным концепциям. В качестве исходных использовались временные ряды годовых значений элементов водного баланса (ЭВБ) бассейна реки Волги до города Волгограда (F =,36 млн км ) за период 89/ /00 годов (N = 09 лет). Для всех временных рядов были определены выборочные оценки параметров распределения вероятностей, оценки параметров линейных трендов за рассматриваемый период, а также оценки коэффициентов взаимной корреляции ЭВБ (табл., ). Изменение элементов водного баланса в бассейне реки Волги за рассматриваемый период приведены на рисунке. Как видно из рисунка, годовой сток и суммарные атмосферные осадки имеют тенденцию к увеличению, тогда как суммарное испарение за рассматриваемый период снижается.
3 ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО Таблица Выборочные оценки основных статистических параметров временных рядов годовых величин ЭВБ зоны формирования стока бассейна реки Волги (до города Волгограда) за 89/ /00 годы (N = 09 лет), мм/год Статистический параметр Среднемноголетнее значение Максимум Минимум Амплитуда Стандарт Коэффициент вариации C V Коэффициент асимметрии C S r[] Элемент водного баланса РГ RГ EГ ±VГ P E P R , 0, 0, ,8 0,36 0, ,07 0,4 0, , ,3 0,64 0, , 0,4 0,4 Таблица Корреляционная матрица элементов годового водного баланса зоны формирования бассейна реки Волги (до города Волгограда) Параметр PГ RГ ЕГ VГ P E P R PГ RГ EГ VГ P-E P-R 0,63 0,53 0,33 0,64 0,5 0,90 0,90 0, 0,9 0,89 0,0 0,86 0,88 0,60 Рис.. Графики колебания годовых атмосферных осадков (), суммарного испарения () и годового стока (3) реки Волги за 89/ /00 годы (N=09 лет) Для оценки значимости линейного тренда ЭВБ использованы критерии Спирмэна и И. И. Поляка: критерий Спирмэна n 3 i= i ˆρ = 6 d / ( n n ), (5) где d i разность между порядковым номером и рангом каждого хронологического значения ряда длиной n; критерий И. И. Поляка ) σ σà, (6) где s дисперсия наблюденных величин от еднего значения; σ дисперсия отклонения наблюденных величин от линии тренда, которая определяется по формуле σ = σ ( R), (7) где R коэффициент корреляции между наблюденной величиной и ее порядковым номером. Среднее квадратическое отклонение регрессионного коэффициента а определяется по формуле σà = σ. n( n ) 67 (8)
4 Если условия (5) и (6) не выполняются, то линейный тренд является незначимым с вероятностью 5 %. По расчетам авторов, для рассматриваемых временных рядов получены значения критериев, приведенные в табл. 3. Таблица 3 Оценка значимости линейного тренда элементов водного баланса с использованием статистических критериев Спирмэна и И. И. Поляка ЭВБ Критерий Спирмэна Критерий И. И. Поляка РГ 0,8 )σ σ à 056 σ à 503 σ à 095 > 96, 0,4 5 ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО Рассматриваемый период характеризуется положительным линейным (нелинейным) трендом едних 30-летних величин годового стока: R 30 = t 30 + ; R 0,47 76 = 0,83; (9) ( 30) ( 30) R = 0,004t 0,7 t +87, (0) где t 30 едний временной индекс последовательных 30-леток, равный соответственно5,5; 45,5; 75,5; 05,5 и 60,5. Рассмотрены две тенденции изменения еднемноголетних значений условноестественного стока в первой половине XXI века: первая тенденция линейная уравнение (9), вторая нелинейная уравнение (0). В результате получим следующие оценки едних 30-летних величин годового стока (табл. 6). В целом за первую половину ХХI века еднемноголетний сток реки Волги составит мм/год (87 км 3 /год), т. е. увеличится на мм/год (30 км 3 /год) по отношению к еднему стоку за период наблюдений (89/ /00) годов [при использовании для прогноза уравнения (9)]. Таблица 6 Средний 30-летний условно-естественный годовой сток реки Волги в первой половине ХХI века, мм/год Средний сток 30-летки 00/00 за 30 лет 00/00 030/03 03/03 060/06 060/06 R Примечание: в числителе данные, полученные по уравнению (9), в знаменателе по уравнению (0). В случае, когда процесс изменения стока будет подчиняться нелинейному закону (уравнение (0)), еднемного летний сток реки Волги составит 6 мм/год (307 км 3 /год), т. е. увеличится на 37 мм/год (50 км 3 /год) по отношению к еднему стоку за период наблюдений. В целом же за период 89/ /06 годов (N = 69 лет) едний годовой сток составит 97 мм/год (68 км 3 /год), т. е. увеличится на 8 мм/год ( км 3 /год). В качестве альтернативы допустим, что выявленный положительный тренд 30-летних едних значений годового стока после 000 года сменится отрицательным трендом с интенсивностью снижения стока, равной его интенсивности в случае положительного тренда (8 мм за 60 лет). Таким образом, в целом за период 88/88 060/06 годов еднемноголетний годовой естественный сток будет равен стоку на протяжении всего ХХ века, т. е. в этом случае существенного изменения климата в бассейне реки Волги не произойдет. Будут происходить циклические колебания чередование фаз потепления и похолодания разной интенсивности. Так ли это будет в действительности покажут данные метеорологических и гидрологических наблюдений в первой половине ХХI века. В дальнейшем авторы планируют провести оценку изменения стока реки Волги с использованием различных сценариев моделей общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО).. Семенов С. М. Гидрогеологические прогнозы в системе мониторинга подземных вод М.: Наука, с.. Христофоров А. В. Надежность расчетов речного стока. М.: Изд-во МГУ, с. 3. Кендалл М. Дж., Стьюарт А. Статистические выводы и связи. М.: Наука, с. Материал поступил в редакцию Исмайылов Габил Худуш оглы, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидрология, метеорология и регулирование стока» Тел. 8 (495) Муращенкова Наталья Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидрология, метеорология и регулирование стока» Тел. 8 (495)
Источник
Бассейн Волги
Бассе́йн Во́лги — водосборный бассейн реки Волги, самой крупной реки Европы. Площадь его составляет 1 360 000 км².
Бассейн Волги занимает около трети территории европейской части России и простирается от Валдайской и Среднерусской возвышенностей на западе до Урала на востоке. Речная система бассейна включает около 151 000 различных водотоков (реки, ручьи и временные водотоки), общая протяжённость которых составляет 574 000 км. Сама Волга принимает около 200 притоков. Левые притоки многочисленнее и многоводнее правых. На широте Саратова бассейн резко сужается и от Камышина до Каспийского моря не имеет притоков.
См. также
Источники
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое «Бассейн Волги» в других словарях:
Бассейн — получить на Академике действующий промокод OBI или выгодно бассейн купить со скидкой на распродаже в OBI
Ковжа (река, бассейн Волги) — Ковжа Протекает по территории Вологодской области. Исток Ковжское озеро Устье Белое озеро Длина 86 км … Википедия
БАССЕЙН — (франц. bassin, прован. basin, от сред. век. лат. bacinus, от bacca сосуд для воды). 1) водоем. 2) бассейн реки, местность, по которой протекает река со всеми своими притоками. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А … Словарь иностранных слов русского языка
бассейн — а м. bassin m., > нем. Bassin. 1. Бассин бадья, лохань. Курганов. Таз. Ян. 1803. Подогреваем паром тазик (бассейны) для размотки коконов. КИТ 8 284. Понимаете, шайка ведь нужна. Ну, это такой небольшой бассейн, в котором могут поместиться по… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
БАССЕЙН — (асе; асэ неправ.), бассейна, муж. (франц. bassin). 1. Большой искусственный водоем с открытой водной поверхностью. В парке был бассейн с золотыми рыбками. В спортклубе устроен бассейн для плавания. 2. Территория, вмещающая в себе море, озеро или … Толковый словарь Ушакова
БАССЕЙН — БАССЕЙН, а, муж. 1. Искусственный водоём, сооружённый для плавания, купания, в декоративных целях. Зимний б. для плавания. 2. Совокупность притоков реки, озера, а также площадь стока поверхностных и подземных вод в водоём. Б. Волги. 3. Область… … Толковый словарь Ожегова
Бассейн — [се] и [сэ], а; м. [франц. bassin]. 1. Искусственный водоём для плавания, купания или для украшения интерьера, сада и т.п. Наполнить б. водой. Б. фонтана. Зимний сад с бассейном. Открытый б. (на воздухе). Закрытый б. (в помещении). // Спортивно… … Энциклопедический словарь
бассейн — (се/) и (сэ/) а; м. (франц. bassin) см. тж. бассейновый 1) а) Искусственный водоём для плавания, купания или для украшения интерьера, сада и т.п. Наполнить бассе/йн водой. Бассе/йн фонтана. Зимний сад с бассейном … Словарь многих выражений
Унжа (приток Волги) — У этого термина существуют и другие значения, см. Унжа. Унжа Унжа около города Кологрива … Википедия
Ра (антич. назв. р. Волги) — Река Волга Волга около Ульяновска Страна Россия Протекает по территории Европейской части России Исток … Википедия
Медведица (приток Волги) — У этого термина существуют и другие значения, см. Медведица (значения). Медведица Характеристика Длина 259 км Площадь бассейна 5570 км² Бассейн Каспийское море Бассейн рек Волга … Википедия
Источник