ВВЕДЕНИЕ 4
1 Физико-географическое описание 6
1.1 Ландшафт 6
1.2 Рельеф 7
1.3 Г еологическое строение 8
1.4 Климат 10
2 Водный режим рек 13
2.1 Г идрологическая характеристика 13
2.2 Г идрологическая изученность 15
2.3 Норма и изменчивость годового стока 16
2.4 Внутригодовое распределение стока в бассейне р. Ай 18
3 Многолетние колебания водности реки 20
3.1 Квантильный анализ 20
3.2 Выделение трендов фильтром Баттерворта 27
4 Внутригодовые колебания речного стока 31
4.1 Методы теории периодически коррелированных случайных
процессов 31
4.2 Особенности внутригодового хода речного стока 33
4.3 Обобщение результатов анализа временной изменчивости речного
стока в терминах вероятностной модели 36
5. Оценка водных ресурсов в условиях изменяющегося климата 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
Список использованной литературы 47
Приложения
Приложение А 49
Приложение Б 60
Приложение В 64
Приложение Г 70
Приложение Д 76
Приложение Е 77
Приложение Ж 78
Приложение И 79
Приложение К 87
Река Ай является притоком реки Уфа, составляющей Камский бассейновый округ. Бассейн исследуемой реки расположен на территории Южного Урала. Важно понимать, что данный регион имел и имеет до сих пор для экономики страны огромное значение как массово задействованный в тяжелой промышленности. Например, в Златоусте функционирует десяток крупных заводов машиностроения и металлургии, а также деревоперерабатывающий комбинат. Это очень водоемкие отрасли, нуждающиеся в колоссальных объемах водоснабжения. Водоснабжение промышленных предприятий и населения города производится преимущественно за счет поверхностных вод, т.к. дебит подземных вод для нужд населения недостаточен и сооружение насосных станций не рентабельно.
В условиях развития промышленности в современной России и роста городов изменение водного режима очевидно и оправданно. Так же наблюдается изменение климатических условий, то есть факторов формирования режима. Главной целью работы является выявление особенностей режима реки и определение характерных отличий, приобретенных после сооружения водохранилищ с учетом изменений климата.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
а) собрать информацию о бассейне р. Ай и подготовить данные о гидрометеорологических характеристиках;
б) выполнить анализ многолетних колебаний водности рек;
в) провести анализ внутригодовых колебаний стока рек;
г) обобщить результаты анализа в терминах адекватных вероятностных моделей.
д) оценить изменения климата бассейна.
е) оценить влияние водохранилищ на естественный режим речного стока;
Для решения поставленных задач в работе использовались такие данные как наблюдения за расходами воды реки Ай - среднемесячными и среднегодовыми - по 4 постам: п. Веселовка, г. Златоуст, с. Лаклы, с. Новая Пристань (приложения А и Б). Период наблюдений на разных станциях отличается - в целом он затрагивает временной промежуток с 1936 по 2015 годы. Для оценки климата анализировались данные о суммах осадков и о температуре воздуха (среднемесячной и среднегодовой) на станциях Златоуст и Таганай гора за период с 1946 по 2015 годы (приложения В и Г соответственно).
Речной сток рассматривается как вероятностный полициклический процесс с основными энергонесущими зонами в диапазонах частот, которые соответствуют многолетним и внутригодовым колебаниям.
Для анализа многолетней изменчивости использовались ряды среднегодовых расходов и ежегодные последовательности значений для характерных месяцев года, которые рассматривались как стационарные случайные процессы, привлекался квантильный анализ данных и методы низкочастотной фильтрации Баттерворта.
Для выявления особенностей внутригодовых колебаний использовались ряды среднемесячных расходов, интерпретируемые как периодически коррелированные случайные процессы. Для обобщения результатов анализа использовались вероятностные модели в терминах, которых оценивалось влияние техногенных сооружений на водный режим реки.
В настоящей работе выполнен анализ многолетних и внутригодовых колебаний водности реки Ай с использованием данных среднегодовых, среднемесячных расходов воды, а также извлеченных из них ежегодных последовательностей значений для характерных месяцев года.
Привлекались данные по постам на реке Ай: г. Златоуст, с. Лаклы, с. Веселова, п. Новая Пристань. Также рассматривались данные р. Тесьма, пост находится в черте города Златоуст. Между пунктами находятся водохранилища для водоснабжения населения и промышленности.
Многолетние колебания анализировались по данным среднегодовых расходов 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, xmax и основанные на них другие расчетные параметры.
Выполненный анализ показал, что в стоке реки Ай, на рассмотренных постах, многоводные условия пришлись на 1964 г.; Маловодные условия пришлись на 1974-1976 гг. Экстремальных маловодных и экстремально многоводных обстановок не наблюдалось. После строительства водохранилищ значение верхнего квантиля понижается, а интерквантильное расстояние сокращается.
Для выделения трендов на отрезках локальной нестационарности использовалась низкочастотная фильтрация Баттерворта.
Результаты низкочастотной фильтрации среднегодовых расходов воды показали, что на реке Ай по данным наблюдений имеется несущественный тренд на понижение. Для объяснения этой тенденции были использованы данные по значениям температуры воздуха и суммам атмосферных осадков. Анализ этих данных показал, что уменьшение водности вероятно связано с потеплением климата.
Внутригодовые колебания стока реки анализировались по реализациям среднемесячных расходов 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 K*(t,n), при п=1 месяц и межгодовой K*(t,n), при п=1 год изменчивости.
С помощью расчета статистических параметров было определено, что для реки Ай выделяются три основных сезона: высокое половодье в апреле-мае, летне-осенние дождевые паводки и устойчивая зимняя межень.
Обобщение полученных в результате анализа сведений о внутригодовой и межгодовой колебаний речного стока в терминах модельных процессов авторегрессии первого порядка АР (1) позволяет оценить регулирующую способность водохранилищ и водосбора.
Разница параметров вероятностной модели, описывающий временную изменчивость расходов воды в пункте до водохранилища, на водохранилище, и после не существенна и отражает антропогенное влияние на сток. Сток в период зимней межени регулируется водосбором и не имеет ярко-выраженной связи с изменением климата.
