Уровенный режим озёр Челябинской области в условиях современного климата и существующей антропогенной нагрузки
|
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Основные характеристики водотока 7
1.1 Физико-географическая характеристика района исследования 7
1.1.1 Ландшафт 7
1.1.2 Рельеф 8
1.1.3 Геологическое строение 10
1.1.4 Климат 12
1.1.5 Хозяйственная деятельность 22
1.2 Водный режим озёр 28
1.2.1 Гидрологическая характеристика 28
1.2.2 Гидрологическая изученность 32
1.2.3 Внутригодовое распределение уровня 33
2. Многолетние колебания уровней воды в озере 36
2.1 Квантильный анализ 36
2.2 Выделение трендов фильтром Баттерворта 47
Рисунок 2.13 Периоды многолетней изменчивости 54
3. Внутригодовые колебания уровня 56
3.1 Методы теории периодически коррелированных случайных процессов 56
3.2 Особенности внутригодового хода уровня оз. Аргаяш 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 64
ПРИЛОЖЕНИЯ 65
Приложение А 66
Среднемесячные уровни воды 66
Приложение Б 72
Среднегодовые уровни воды 72
Месячные суммы осадков 74
Приложение Г 75
Среднемесячные температуры воздуха 75
Приложение Д 76
Расчет вероятностных характеристик внутригодовой изменчивости речного стока для каждого месяца года 76
Приложение Е 78
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Основные характеристики водотока 7
1.1 Физико-географическая характеристика района исследования 7
1.1.1 Ландшафт 7
1.1.2 Рельеф 8
1.1.3 Геологическое строение 10
1.1.4 Климат 12
1.1.5 Хозяйственная деятельность 22
1.2 Водный режим озёр 28
1.2.1 Гидрологическая характеристика 28
1.2.2 Гидрологическая изученность 32
1.2.3 Внутригодовое распределение уровня 33
2. Многолетние колебания уровней воды в озере 36
2.1 Квантильный анализ 36
2.2 Выделение трендов фильтром Баттерворта 47
Рисунок 2.13 Периоды многолетней изменчивости 54
3. Внутригодовые колебания уровня 56
3.1 Методы теории периодически коррелированных случайных процессов 56
3.2 Особенности внутригодового хода уровня оз. Аргаяш 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 62
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 64
ПРИЛОЖЕНИЯ 65
Приложение А 66
Среднемесячные уровни воды 66
Приложение Б 72
Среднегодовые уровни воды 72
Месячные суммы осадков 74
Приложение Г 75
Среднемесячные температуры воздуха 75
Приложение Д 76
Расчет вероятностных характеристик внутригодовой изменчивости речного стока для каждого месяца года 76
Приложение Е 78
Южный Урал - край озер. На территории Челябинской области их насчитывается около 3170, общая площадь 2125 км2. Размеры озер от 1-2 га до 70-80 кв. км. Преобладают малые, величиной менее 0,5 кв. км (примерно 80%). Озер площадью более 0,5 км2- 566, из них 468 имеют площадь от 0,5 до 5,0 км2 и только 98 озер - выше км2.
Челябинская область - территория России еще не достаточно изученная в гидрологическом отношении. В то же время водные ресурсы этого района используются для потребительских нужд населения быстрорастущих городов, промышленности, сельского хозяйства. На данной территории размещены горнодобывающие, металлургические, лесоперерабатывающие, химические, машиностроительные, энергетические предприятия. Поэтому проблема сохранения водных ресурсов стоит особенно остро.
Озеро-водоем замедленного водообмена, не имеющий прямой связи с океаном, является частью гидрографической сети и участвует в общем круговороте воды. Озеро, как геосистема, являющаяся составной частью ландшафта, вместе со своим водосбором представляет собой сложную единую природную систему, в которой взаимодействуют гидрофизические, гидрохимические, гидробиологические процессы.
Озеро Аргаяш находится в Аргаяшском районе Челябинской области на Зауральской равнине. Живописное озеро, расположенное на территории Ильменского заповедника в границах Миасского городского округа. В этом уголке нет никаких поселений, кроме домика путейца-обходчика в районе станции 2014 километр. По этой причине озеро не испытывает антропогенной нагрузки и имеет естественный режим. Озера Смолино, Тургояк и Увильды имеют вмешательство человеческой деятельности.
Уральский край - один из первых в России по количеству озер с лечебными грязями, их более 100. Одно из них - озеро Смолино в черте города Челябинска. Природа его происхождения до конца непонятна. Соленое озеро совершенно нетипично расположилось в самом центре материка. Уникально оно также в геологическом и в геодезическом отношении. Смолино было и остается популярнейшим курортом. Уже в начале века сюда приезжали лечиться купцы со всей России.
Озеро Тургояк - это одно из красивейших и чистейших озер Урала, расположенное в горной котловине около города Миасс Челябинской области. Озеро признано памятником природы. В озеро впадает лишь несколько небольших ручьев. Главным образом озеро питается за счет грунтовых вод. Озеро Тургояк славится очень высокой прозрачностью, которая достигает 10-17 метров. Тургоякская вода близка к байкальской. Неспроста Тургояк называют братом Байкала.
Озеро Увильды - одно из самых больших и живописных озер Урала.
Оно находится на территории сразу трех административных районов Челябинской области: Аргаяшского района, Карабашского и Кыштымского городских округов. По поводу происхождения названия озера существует несколько распространенных версий. Одни переводят башкирское слово «уелды» как «провалилось», другие придерживаются версии тюркского происхождения топонима - «ульдым» - «умер», «скончался», третьи трактуют значение слова, как «голубая чаша».
Для обеспечения потребностей в воде, в условиях быстрорастущих городов и интенсивно развивающейся промышленности, необходимо иметь сведения о состоянии водных ресурсов данного района. Поэтому целью настоящей работы является изучение водного режима озер в естественных и техногенно нарушенных условиях.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
а) собрать информацию в различных источниках и подготовить временные ряды уровней воды;
б) выполнить анализ многолетних колебаний водности озер;
в) провести анализ внутригодовых колебаний уровня озер;
г) обобщить результаты анализа в терминах адекватных вероятностных моделей.
е) оценить изменения уровня в зависимости от метеоусловий;
Для решения поставленных задач в работе использовались данные наблюдений за уровнями воды озер Аргаяш, Смолино, Тургояк, Увильды. Период наблюдений составляет с 1936 по 2010 гг. Данные наблюдений за температурой воздуха и осадками взяты по метеостанциям ближайших пунктов за период с 1936 по 2010 годы.
Исходные данные: среднегодовые, среднемесячные уровни воды; среднегодовые, среднемесячные суммы осадков; среднегодовая и среднемесячная температура воздуха. Данные приведены в приложении.
Уровненный режим рассматривается, как вероятностный полициклический процесс с основными энергонесущими зонами в диапазонах частот, соответствующих многолетними (Т>1 года, мы выделяем квазитрёхлетние, квазипятилетние, квазиодиннадцатилетние колебания) и внутригодовыми (Т<1 года) колебаниями. Для анализа многолетней изменчивости привлекались ряды среднегодовых уровней, которые рассматривались как стационарные случайные процессы. Также для анализа многолетней изменчивости уровненного режима использовались ежегодные последовательности значений для характерных месяцев года, которые рассматривались как стационарные случайные процессы. Для их анализа привлекался квантильный анализ данных и методы низкочастотной фильтрации Баттерворта. Для установления особенностей внутригодовых колебаний использовались ряды среднемесячных уровней воды, которые интерпретировались как периодически коррелированные случайные процессы. Для обобщения результатов анализа использовались вероятностные модели в терминах, которых оценивалась влияние техногенных сооружений на водный режим реки.
Челябинская область - территория России еще не достаточно изученная в гидрологическом отношении. В то же время водные ресурсы этого района используются для потребительских нужд населения быстрорастущих городов, промышленности, сельского хозяйства. На данной территории размещены горнодобывающие, металлургические, лесоперерабатывающие, химические, машиностроительные, энергетические предприятия. Поэтому проблема сохранения водных ресурсов стоит особенно остро.
Озеро-водоем замедленного водообмена, не имеющий прямой связи с океаном, является частью гидрографической сети и участвует в общем круговороте воды. Озеро, как геосистема, являющаяся составной частью ландшафта, вместе со своим водосбором представляет собой сложную единую природную систему, в которой взаимодействуют гидрофизические, гидрохимические, гидробиологические процессы.
Озеро Аргаяш находится в Аргаяшском районе Челябинской области на Зауральской равнине. Живописное озеро, расположенное на территории Ильменского заповедника в границах Миасского городского округа. В этом уголке нет никаких поселений, кроме домика путейца-обходчика в районе станции 2014 километр. По этой причине озеро не испытывает антропогенной нагрузки и имеет естественный режим. Озера Смолино, Тургояк и Увильды имеют вмешательство человеческой деятельности.
Уральский край - один из первых в России по количеству озер с лечебными грязями, их более 100. Одно из них - озеро Смолино в черте города Челябинска. Природа его происхождения до конца непонятна. Соленое озеро совершенно нетипично расположилось в самом центре материка. Уникально оно также в геологическом и в геодезическом отношении. Смолино было и остается популярнейшим курортом. Уже в начале века сюда приезжали лечиться купцы со всей России.
Озеро Тургояк - это одно из красивейших и чистейших озер Урала, расположенное в горной котловине около города Миасс Челябинской области. Озеро признано памятником природы. В озеро впадает лишь несколько небольших ручьев. Главным образом озеро питается за счет грунтовых вод. Озеро Тургояк славится очень высокой прозрачностью, которая достигает 10-17 метров. Тургоякская вода близка к байкальской. Неспроста Тургояк называют братом Байкала.
Озеро Увильды - одно из самых больших и живописных озер Урала.
Оно находится на территории сразу трех административных районов Челябинской области: Аргаяшского района, Карабашского и Кыштымского городских округов. По поводу происхождения названия озера существует несколько распространенных версий. Одни переводят башкирское слово «уелды» как «провалилось», другие придерживаются версии тюркского происхождения топонима - «ульдым» - «умер», «скончался», третьи трактуют значение слова, как «голубая чаша».
Для обеспечения потребностей в воде, в условиях быстрорастущих городов и интенсивно развивающейся промышленности, необходимо иметь сведения о состоянии водных ресурсов данного района. Поэтому целью настоящей работы является изучение водного режима озер в естественных и техногенно нарушенных условиях.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
а) собрать информацию в различных источниках и подготовить временные ряды уровней воды;
б) выполнить анализ многолетних колебаний водности озер;
в) провести анализ внутригодовых колебаний уровня озер;
г) обобщить результаты анализа в терминах адекватных вероятностных моделей.
е) оценить изменения уровня в зависимости от метеоусловий;
Для решения поставленных задач в работе использовались данные наблюдений за уровнями воды озер Аргаяш, Смолино, Тургояк, Увильды. Период наблюдений составляет с 1936 по 2010 гг. Данные наблюдений за температурой воздуха и осадками взяты по метеостанциям ближайших пунктов за период с 1936 по 2010 годы.
Исходные данные: среднегодовые, среднемесячные уровни воды; среднегодовые, среднемесячные суммы осадков; среднегодовая и среднемесячная температура воздуха. Данные приведены в приложении.
Уровненный режим рассматривается, как вероятностный полициклический процесс с основными энергонесущими зонами в диапазонах частот, соответствующих многолетними (Т>1 года, мы выделяем квазитрёхлетние, квазипятилетние, квазиодиннадцатилетние колебания) и внутригодовыми (Т<1 года) колебаниями. Для анализа многолетней изменчивости привлекались ряды среднегодовых уровней, которые рассматривались как стационарные случайные процессы. Также для анализа многолетней изменчивости уровненного режима использовались ежегодные последовательности значений для характерных месяцев года, которые рассматривались как стационарные случайные процессы. Для их анализа привлекался квантильный анализ данных и методы низкочастотной фильтрации Баттерворта. Для установления особенностей внутригодовых колебаний использовались ряды среднемесячных уровней воды, которые интерпретировались как периодически коррелированные случайные процессы. Для обобщения результатов анализа использовались вероятностные модели в терминах, которых оценивалась влияние техногенных сооружений на водный режим реки.
В настоящей работе выполнен анализ многолетних и внутригодовых колебаний уровня озер Аргаяш, Тургояк, Увильды и Смолино с использованием данных среднегодовых, среднемесячных уровней воды, а также извлеченных из них ежегодных последовательностей значений .
Привлекались данные по постам соответствующих озер. Период наблюдений составил с 1936 по 2010 годы. Естественный режим реки наблюдается только в оз. Аргаяш. В трех выше указанных озерах уровненный режим нарушен.
Многолетние колебания анализировались по традиционно используемым данным среднегодовых уровней воды, а также по ежегодным последовательностям значений для характерных месяцев года. Ежегодные последовательности рассматривались как стационарные случайные процессы. Для установления многоводных и маловодных лет в стоке анализируемой реки привлекался квантильный анализ данных. В качестве основных вероятностных характеристик использовались квантили х,„,„, x0.25, x0.5, x0.75, xmaxи основанные на них другие расчетные параметры.
Для выделения трендов на отрезках локальной нестационарности использовалась низкочастотная фильтрация Баттерворта.
Выполненный анализ показал, что на всех озерах группа многоводных и маловодных практически несогласованы.
Результаты низкочастотной фильтрации среднегодовых уровней воды показали, что на озере Аргаяш по данным наблюдений имеется тренд на повышение водности с середины 70-х до конца рассматриваемого периода. Для объяснения этой тенденции были использованы данные по значениям температуры воздуха и суммам атмосферных осадков. Анализ этих данных показал, что увеличение водности в основном связано с потеплением климата. Как видно из графика средних годовых сумм осадков (рисунок 2.7), фильтр Баттерворта в основном согласуется с ходом среднего уровня речного
стока на исследуемой территории за рассматриваемый отрезок времени. До 1969 года наблюдается спад температуры, а далее идет тенденция к повышению, что согласуется ходом уровня воды в оз. Аргаяш.
Внутригодовые колебания стока озера анализировались по реализациям среднемесячных уровней воды, которые рассматривались как периодически коррелированные случайные процессы. В качестве основных вероятностных характеристик внутригодового хода использовались оценки математического ожидания m(t), дисперсии D(t), корреляционных зависимостей внутригодовой К*(1,т), при т=1 месяц и межгодовой К*(1,т), при т=1 год изменчивости.
Выполненный анализ показал, что для озера Аргаяш выделяются два основных сезона: теплый (апрель - октябрь) с высоким половодьем и дождевыми паводками, и холодный (ноябрь - март) - с устойчивой зимней меженью.
Последовательна фильтрация как низкочастотная так и высокочастотная позволила выделить квази 11-летние ,5-6-летние и 2-3¬летние колебания.
Увеличение уровня озера Аргаяш связанно преимущественно с увеличением осадков в зимний период. Для среднегодовых уровней в озере Аргаяш характерен тренд на увеличение.
Привлекались данные по постам соответствующих озер. Период наблюдений составил с 1936 по 2010 годы. Естественный режим реки наблюдается только в оз. Аргаяш. В трех выше указанных озерах уровненный режим нарушен.
Многолетние колебания анализировались по традиционно используемым данным среднегодовых уровней воды, а также по ежегодным последовательностям значений для характерных месяцев года. Ежегодные последовательности рассматривались как стационарные случайные процессы. Для установления многоводных и маловодных лет в стоке анализируемой реки привлекался квантильный анализ данных. В качестве основных вероятностных характеристик использовались квантили х,„,„, x0.25, x0.5, x0.75, xmaxи основанные на них другие расчетные параметры.
Для выделения трендов на отрезках локальной нестационарности использовалась низкочастотная фильтрация Баттерворта.
Выполненный анализ показал, что на всех озерах группа многоводных и маловодных практически несогласованы.
Результаты низкочастотной фильтрации среднегодовых уровней воды показали, что на озере Аргаяш по данным наблюдений имеется тренд на повышение водности с середины 70-х до конца рассматриваемого периода. Для объяснения этой тенденции были использованы данные по значениям температуры воздуха и суммам атмосферных осадков. Анализ этих данных показал, что увеличение водности в основном связано с потеплением климата. Как видно из графика средних годовых сумм осадков (рисунок 2.7), фильтр Баттерворта в основном согласуется с ходом среднего уровня речного
стока на исследуемой территории за рассматриваемый отрезок времени. До 1969 года наблюдается спад температуры, а далее идет тенденция к повышению, что согласуется ходом уровня воды в оз. Аргаяш.
Внутригодовые колебания стока озера анализировались по реализациям среднемесячных уровней воды, которые рассматривались как периодически коррелированные случайные процессы. В качестве основных вероятностных характеристик внутригодового хода использовались оценки математического ожидания m(t), дисперсии D(t), корреляционных зависимостей внутригодовой К*(1,т), при т=1 месяц и межгодовой К*(1,т), при т=1 год изменчивости.
Выполненный анализ показал, что для озера Аргаяш выделяются два основных сезона: теплый (апрель - октябрь) с высоким половодьем и дождевыми паводками, и холодный (ноябрь - март) - с устойчивой зимней меженью.
Последовательна фильтрация как низкочастотная так и высокочастотная позволила выделить квази 11-летние ,5-6-летние и 2-3¬летние колебания.
Увеличение уровня озера Аргаяш связанно преимущественно с увеличением осадков в зимний период. Для среднегодовых уровней в озере Аргаяш характерен тренд на увеличение.