Водный режим рек Северного Кавказа

Актуальность исследования. Для Северного Кавказа характерно исключительное разнообразие природных условий, обусловливающих значительное разнообразие типов водного режима рек. При этом существующие планы интенсивного экономического развития территории предусматривают интенсивное и экологически безопасное использование ресурсов речного стока. Однако такое хозяйственное использование часто является неупорядоченным, бесконтрольным и неучтенным и приводит к существенному изменению речного стока. Помимо этого на Северном Кавказе существуют проблемы как с дефицитом воды, так и с ее избытком. При этом для столь густо населенного и освоенного региона характерна крайне неудовлетворительная сеть гидрометеорологических наблюдений. В настоящее время сеть наблюдений на Северном Кавказе сильно сократилась, а в бассейне Кубани осталось действовать всего лишь порядка 10−15 гидрометрических постов. Метеостанций для такого горного региона также крайне мало, всего на территории и в близи бассейнов Кубани и Терека их насчитывается порядка 1520, при этом большинство расположено на равнинной территории и на многих данные не полные, либо отсутствуют. Постоянно меняющаяся хозяйственная деятельность, сокращение сети наблюдений, а также ожидаемые возможные климатические изменения на территории Северного Кавказа требуют не только проведения дополнительных исследований и разработку новых методик прогноза стока, но и переоценку и уточнение уже выполненных исследований.

Состояние изученности проблемы. Северный Кавказ исследуется давно, обстоятельно и разнообразно, в том числе и на кафедре гидрологии суши МГУ. Комплексная характеристика Северного Кавказа, его природных условий и речного стока представлена в монографии «Ресурсы поверхностных вод СССР» (1973), а также в монографиях П. М. Лурье (2002, 2005 — совместно с В. Д. Пановым, Ю.Ю. Ткаченко). Исследования годового и средне многолетнего стока рек Северного Кавказа приведены в работах Б. Д. Зайкова (1946), П. П. Кучерявого (1960), годовой, максимальный, минимальный сток рек Северо4.

Западного Кавказа рассмотрен в работах Т. Н. Мельниковой, A.M. Комлева (2003), В. И. Коровина, Г. А. Галкина (1977, 1979), исследованием водного баланса Кавказа занимались JI.A. Владимиров, Г. Н. Гигинейшвили, А. И. Джавахишивили, H.H. Закарашвили (1991), анализу и прогнозу стока рек Кавказа посвящена работа А. Н. Важнова (1966). Классификация рек и гидрологическое районирование представлены в работах П. С. Кузина (1960), JI.K. Давыдова, П. П. Кучерявого (1961). Отдельно минимальным стоком рек Кавказа в разные годы занимались A.M. Владимиров, Г. Н. Хмаладзе (1972), Р. К. Клиге (1963, 1964, 1968), В. Д. Быков, В. А. Скорняков, И. С. Федорова (1984). Оценка влияния климатических изменений, а также антропогенной нагрузки на сток рек Северного Кавказа приведена в работах П. М. Лурье, В. Д. Панова, Т. И. Дегтяренко, А. Ф. Мандыча и др. Хозяйственное использование водных ресурсов территории представлено в работах И. А. Шикломанова, JI.E. Смирновой, A.C. Хорецкой, Н. Е. Кошелевой, Д. В. Магрицкого, A.A. Иванова и др. В основном проведенные исследования основаны на данных гидрологических наблюдений по девяностые годы XX века и посвящены, прежде всего, анализу пространственных закономерностей речного стока традиционными для гидрологической науки методами.

Цель и задачи исследования

Целью настоящего исследования является исследование водного режима рек Северного Кавказа и на этой основе разработка новых подходов к расчетам стока и уточнение ранее проведенных исследований с учетом региональной специфики и использования всей существующей гидрометеорологической информации и современных средств ее анализа. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— анализ условий формирования стока рек региона, рельефа, климатических условий, почвенно-растительного покрова;

— исследование пространственного распределения источников питания рек и распространения водных ресурсов по территории Северного Кавказа;

— анализ основных направлений хозяйственного использования вод;

— разработка системы методик краткосрочных и долгосрочных прогнозов расходов и уровней воды рек Северного Кавказа;

— разработка системы методик расчета различных характеристик стока рек Северного Кавказа;

— разработка стохастической модели водного режима для основной части рек Северного Кавказа;

— оценка возможных изменений речного стока под влиянием климатических изменений.

Методика исследования и фактический материал. В данной работе при анализе водного режима рек Северного Кавказа было использовано максимально полное количество данных наблюдений постов сети гидрометрической службы за период от начала их действия до 2005 г. При этом помимо данных о стоке рек были использованы метеорологические данные по осадкам и температуре воздуха на территории Северного Кавказа. Основными методами исследования, используемыми в данной работе при анализе водного режима рек Северного Кавказа, являются географо-гидрологический подход к анализу пространственно-временной изменчивости речного стока, методы статистического анализа, стохастическое и физико-статистическое моделирование водного режима.

Предмет защиты состоит в том, что в работе исследованы закономерности пространственной изменчивости водного режима рек Северного Кавказа и на этой основе разработана система методик расчета и прогноза различных характеристик речного стока.

Основные защищаемые положения, содержащие элементы научной новизны.

1. Учет географических факторов формирования стока рек Северного Кавказа позволил уточнить его пространственные закономерности, необходимые для надежной оценки распределения водных ресурсов и повышения точности расчетов водного стока в условиях недостаточной гидрологической изученности.

2. Анализ процессов формирования речного стока и движения воды в русловой сети позволил получить систему методик краткосрочного прогноза паводочного стока.

3. Предлагаемые в дополнение к традиционным методам расчета минимального стока методики расчета сроков наступления и окончания маловодного периода и определения гарантированной продолжительности спада уровней воды на реках Северного Кавказа повышают эффективность использования водных ресурсов исследуемого региона.

4. Разработанная стохастическая модель водного режима рек Северного Кавказа позволяет повысить эффективность использования данных гидрометрических наблюдений и надежность расчетов основных характеристик стока. г.

5. Обнаруженные зависимости параметров модели от основных климатических факторов позволяют получить поливариантную оценку возможных климатических изменений водного режима рек Северного Кавказа.

Практическая значимость работы обусловлена тем, что она содержит достаточно надежные методики расчета и прогноза различных характеристик речного стока и оценки его пространственно-временной изменчивости, необходимые для проектирования гидротехнических сооружений, для планирования и осуществления мероприятий по использованию и охране водных ресурсов рек Северного Кавказа и защите населения от опасных гидрологических явлений. Полученные результаты вошли в итоговые отчеты по проектам: государственного контракта от 16 августа 2006 г. № 1-СКИОВР «Разработка схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Терек" — государственного контракта от 14 июня 2007 г. № 02.515.11.5033 ФЦП «Исследования и результаты по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007;2012 гг.» — «Оценка возможностей водопотребления за счет речных вод в различные сезоны года на освоенных участках малых и средних рек европейской территории России». Собранные материалы и разработанные методики использовались студентами кафедры гидрологии суши МГУ при выполнении одной дипломной и 5 курсовых работ. Полученные результаты могут использоваться в качестве примеров при чтении курсов по гидрологическим расчетам, прогнозам, по использованию и охране водных ресурсов и по региональным гидрологическим исследованиям.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2003», секция географии (Москва, 2003 г.) — Международной конференции по проблемам гидрометеорологической безопасности (прогнозирование и адаптация общества к экстремальным климатическим изменениям) (Москва, сентябрь 2006 г.) — на Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шевченковская весна» (Киев, 2007 г.) и на научном семинаре кафедры гидрологии суши МГУ (Москва, 2008 г.).

Публикации. Итоги исследований изложены в 6 статьях, 4 из которых подготовлены в соавторстве, и 3 тезисах.

Структура работы. Диссертация состоит из Введения, 6 глав и Заключения. Она изложена на 195 страницах машинописного текста, включающего 43 рисунка, 38 таблиц и 1 приложение. Список используемой литературы включает 92 отечественные и зарубежные.публикации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Максимально полный учет специфики условий формирования и пространственно-временной изменчивости стока и использование имеющихся данных гидрометеорологических наблюдений позволило разработать систему достаточно надежных методик гидрологических расчетов и прогнозов характеристик водного режима рек Северного Кавказа.

2. Анализ географических факторов формирования стока позволил получить уточненную оценку пространственного распределения его характеристик с учетом размеров и высоты водосборов, предложенные эмпирические зависимости и карты позволяют рассчитывать годовой сток в условиях недостаточной гидрологической изученности.

3. Разработанная физико-статистическая модель формирования талого стока высокогорных рек Северного Кавказа позволяет рассчитывать расходы воды в замыкающем створе в зависимости от колебаний температур воздуха в районе замыкающего створа, а также давать удовлетворительные по точности прогнозы с заблаговременностью 2−5 суток.

4. Разработанная на основе метода соответственных уровней система методик краткосрочного прогноза паводочного стока для ряда участков рек Северного Кавказа, позволяющая давать удовлетворительные по точности прогнозы с заблаговременностью 1−3 суток, может быть использована для гидрологического обоснования оперативных решений по использованию и охране водных ресурсов рек территории и защите населения от опасных гидрологических процессов.

5. Для оперативной оценки возможных негативных последствий хозяйственной деятельности в бассейнах рек Кубани и Терека (сбросы загрязняющих веществ, попуски и т. д.), получена предварительная картина движения воды в бассейнах, предложены карты времени добегания паводков от верховьев рек до замыкающего створа.

6. Разработанная методика расчета характеристик минимального стока рек позволила рассчитать сроки наступления, окончания и продолжительности летне-осенней и зимней межени на исследуемых реках Северного Кавказа. Для планирования и осуществления оптимального хозяйственного использования водных ресурсов рек Северного Кавказа в маловодный период года разработана методика долгосрочного прогноза минимального месячного стока рек.

7. Разработанная методика расчета гарантированной продолжительности спада уровней воды на судоходном участке реки Кубань позволяет рассчитывать для нужд судоходства гарантированную продолжительность превышения наблюдаемых в створе уровней воды над проектным уровнем, т. е. гарантируется достаточный для прохождения судов уровень.

8. Предлагаемая стохастическая модель водного режима малых и средних рек Северного Кавказа позволяет описывать внутригодовое распределение стока с учетом специфики паводочного режима и может быть использована для повышения эффективности использования данных гидрологических наблюдений при расчете основных характеристик речного стока рек.

9. Анализ влияния климатических факторов на параметры модели показал, что для исследуемых рек число значительных паводочных пиков зависит от годовой суммы осадков, а продолжительность холодного и теплого сезонов и внутригодовое перераспределение числа паводочных пиков от среднегодовой температуры воздуха. Это позволило получить предварительную поливариантную оценку возможных климатических изменений стока рек Северного Кавказа на конец XXI в.