ВЫЧИСЛЕНИЕ ГИДРОГРАФА СТОКА РЕК ДЛЯ ОЦЕНКИ ЕГО РЕАКЦИИ НА ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА И ЛАНДШАФТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДОСБОРА (НА ПРИМЕРЕ РЕК БАССЕЙНА Р. ТОМЬ)
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1 Геологическое строение и рельеф 9
1.2 Климатические условия 10
1.3 Почвы и ландшафты 13
1.4 Гидрологические условия 15
1.5 Изменение термического режима и осадков 18
2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 22
2.1 Характеристика методов исследования 22
2.2 Характеристика исходных данных 26
2.3 Оценка однородности 29
2.4 Оценка трендов 34
2.5 Моделирование в программе HBV-light 37
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 41
3.1 Анализ полученных данных 42
3.2 Проверка точности и надежности 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 47
ПРИЛОЖЕНИЯ 52
ПРИЛОЖЕНИЕ А 53
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 56
ПРИЛОЖЕНИЕ В 58
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 61
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 64
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 67
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 69
ПРИЛОЖЕНИЕ З 71
ПРИЛОЖЕНИЕ И 73
ПРИЛОЖЕНИЕ К 75
1 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1 Геологическое строение и рельеф 9
1.2 Климатические условия 10
1.3 Почвы и ландшафты 13
1.4 Гидрологические условия 15
1.5 Изменение термического режима и осадков 18
2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 22
2.1 Характеристика методов исследования 22
2.2 Характеристика исходных данных 26
2.3 Оценка однородности 29
2.4 Оценка трендов 34
2.5 Моделирование в программе HBV-light 37
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 41
3.1 Анализ полученных данных 42
3.2 Проверка точности и надежности 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 45
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 47
ПРИЛОЖЕНИЯ 52
ПРИЛОЖЕНИЕ А 53
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 56
ПРИЛОЖЕНИЕ В 58
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 61
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 64
ПРИЛОЖЕНИЕ Е 67
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж 69
ПРИЛОЖЕНИЕ З 71
ПРИЛОЖЕНИЕ И 73
ПРИЛОЖЕНИЕ К 75
Более 80 % стока р. Обь формируется выше места ее слияния с р. Иртыш, большая часть стока Верхней Оби формируется в низкогорных и среднегорных бассейнах [31]. Юго-восточная часть бассейна Верхней Оби расположена в горах Алтая, Кузнецкого Алатау, Салаирского кряжа и Горной Шории. Кроме равнинных ландшафтов река Томь пересекает и горную местность [10]. Река принимает здесь крупные притоки, а также средние и малые реки, к которым относятся и реки Мрас-Су, Кондома, Уса, принадлежащие к бассейну р. Томь.
В административном отношении бассейны этих рек расположены на территории Томской и Кемеровской областей. Данные регионы характеризуются как промышленно-развитые, их крупными
водопользователями являются объекты жилищно-коммунального хозяйства, промышленного и сельскохозяйственного производства, рекреационной деятельности и транспорта. Наибольшее антропогенное влияние на территории двух субъектов испытывает бассейн р. Томь [31]. Всего в пределах бассейна насчитывается более 30 населённых пунктов, крупнейшими из которых являются города Томск с населением 562 тыс. человек, Междуреченск (97 тыс. чел), Мыски (42 тыс. чел), Новокузнецк (540 тыс. чел), Кемерово (548 тыс. чел), Юрга (80 тыс. чел), Северск (111 тыс. чел) [https://rosstat.gov.ru].
Обеспечение гидрологических расчетов на юге Западной Сибири становится более актуальным в связи с изменениями климата. Характерными последствиями глобального потепления, существенными для России и, в особенности, Западной Сибири, являются увеличение температуры воздуха, изменение характера циркуляции атмосферы, изменение величины осадков и режима их выпадения [26]. В России начиная с 1976 г. скорость роста осредненной среднегодовой температуры составила 0,49оС/10 лет. Наиболее 3
быстрый рост наблюдается для весенних температур, но на фоне межгодовых колебаний тренд больше всего выделяется летом. В целом преобладает тенденция к увеличению годовых сумм осадков [12].
В связи с изменением климата населенные пункты, находящиеся в бассейнах рек Верхней Оби и, в частности, в бассейне реки Томь, подвержены многим негативным природным явлениям, самым распространённым из которых являются наводнения. Так, в 2021 году сразу в двух городах на юге Кузбасса уровень рек превысил опасные отметки: в Новокузнецке р. Томь поднялась до отметки в 657 см., из-за чего вода пошла в частный сектор. Также превысила критическую отметку на десять сантиметров и река Кондома в Таштаголе [29]. В начале мая 2010 г. р. Кондома, в которой повысился уровень воды из-за осадков и быстрого таяния снега, подтопила 37 жилых домов в поселке Малышев Лог Кемеровской области. Из-за половодья на р. Томь и её притоках в апреле 2024 г. в зоне затопления оказались 67 домов в селе Вершинино и селе Батурино, была объявлена эвакуация населения в некоторых населённых пунктах Томской и Кемеровской областей, произошел залив автодороги Казанка - Батурино [25].
Поэтому в условиях антропогенной нагрузки и климатических изменений возрастает роль гидрологических прогнозов на реках бассейна Верхней Оби. В настоящее время моделирование гидрологических процессов, позволяет воспроизвести гидрографы стока и вычислить максимальные расходы воды заданной вероятности превышения. В будущем это позволит оценивать гидрологическую ситуацию при разных прогнозах изменения климата.
Цель работы - оценить реакцию стока рек юго-востока Западной Сибири на изменение климата и ландшафтных характеристик на основе гидрологических моделей.
Задачи:
1. Провести анализ гидрометеорологических данных по районам исследования и создать информационную базу для моделирования, включающую входную информацию и сток в замыкающем створе.
2. Изучить условия формирования стока исследуемых водосборов.
3. Для модели подобрать оптимальные значения параметров и оценить чувствительность модели по отношению к основным параметрам.
4. Выполнить расчеты гидрографов стока на независимом
материале.
Объект исследования: бассейн р. Томь (верхнее течение) до г. Новокузнецк, р. Mpac-Су до г. Мыски, р. Уса до г. Междуреченск.
Предмет исследования: изменения гидрологического режима рек бассейна р. Томь (верхнее течение).
Методы исследования:
1. Компьютерное моделирование гидрографа стока воды с речного бассейна с суточным разрешением на основе гидрологической модели HBV- Light;
2. Методы оценки достоверности результатов: по критериям качества, отражающим сходство рассчитанных по моделям гидрографов с наблюденными, а также визуальный контроль результатов вычислений графическими средствами модели, оценка соответствия полученных в результате калибровки модельных параметров;
3. Геоинформационный метод для картографирования с помощью программного обеспечения ArcGIS 10.4.1, SAS.Planet и Google Earth.
Исходные данные: послужили ежедневные метеорологические и гидрологические наблюдения:
• среднемесячные расходы воды за 1894-2021 гг. по гидропосту р.
Томь - г. Новокузнецк, за 1955-2003 гг. по гидропосту р. Мрас-Cv - г. Мыски, за 1937-1992 гг. по гидропосту р. Уса - г. Междуреченск (АИС ГМВО);
• среднесуточные расходы воды с 1978-1985 гг., (гидрологические ежегодники) и 2008-2021 гг. (АИС ГМВО) по гидропосту р. Томь - г. Новокузнецк, с 1978-1985 гг., (гидрологические ежегодники) и 2016-2021 гг. (АИС ГМВО) по гидропосту р. Мрас-Су - г. Мыски, с 1978-1983 гг., (гидрологические ежегодники) и 2018-2021 гг. (АИС ГМВО) по гидропосту р. Уса - г. Междуреченск;
• средние месячные данные о температуре воздуха и осадках по МС Кузедеево 1941-2018 гг. (www.meteo.ru);
• суточные данные о температуре воздуха и осадках с 1978-1985 гг., и 2008-2021 гг. по станции Кузедеево (www.meteo.ru), с 1978-1985 гг., и 2016-2021 гг. по станции Усть-Кабырза (http://www.pogodaiklimat.ru/), с 1978-1983 гг., и 2018-2021 гг. станции Неожиданный (www.meteo.ru).
В административном отношении бассейны этих рек расположены на территории Томской и Кемеровской областей. Данные регионы характеризуются как промышленно-развитые, их крупными
водопользователями являются объекты жилищно-коммунального хозяйства, промышленного и сельскохозяйственного производства, рекреационной деятельности и транспорта. Наибольшее антропогенное влияние на территории двух субъектов испытывает бассейн р. Томь [31]. Всего в пределах бассейна насчитывается более 30 населённых пунктов, крупнейшими из которых являются города Томск с населением 562 тыс. человек, Междуреченск (97 тыс. чел), Мыски (42 тыс. чел), Новокузнецк (540 тыс. чел), Кемерово (548 тыс. чел), Юрга (80 тыс. чел), Северск (111 тыс. чел) [https://rosstat.gov.ru].
Обеспечение гидрологических расчетов на юге Западной Сибири становится более актуальным в связи с изменениями климата. Характерными последствиями глобального потепления, существенными для России и, в особенности, Западной Сибири, являются увеличение температуры воздуха, изменение характера циркуляции атмосферы, изменение величины осадков и режима их выпадения [26]. В России начиная с 1976 г. скорость роста осредненной среднегодовой температуры составила 0,49оС/10 лет. Наиболее 3
быстрый рост наблюдается для весенних температур, но на фоне межгодовых колебаний тренд больше всего выделяется летом. В целом преобладает тенденция к увеличению годовых сумм осадков [12].
В связи с изменением климата населенные пункты, находящиеся в бассейнах рек Верхней Оби и, в частности, в бассейне реки Томь, подвержены многим негативным природным явлениям, самым распространённым из которых являются наводнения. Так, в 2021 году сразу в двух городах на юге Кузбасса уровень рек превысил опасные отметки: в Новокузнецке р. Томь поднялась до отметки в 657 см., из-за чего вода пошла в частный сектор. Также превысила критическую отметку на десять сантиметров и река Кондома в Таштаголе [29]. В начале мая 2010 г. р. Кондома, в которой повысился уровень воды из-за осадков и быстрого таяния снега, подтопила 37 жилых домов в поселке Малышев Лог Кемеровской области. Из-за половодья на р. Томь и её притоках в апреле 2024 г. в зоне затопления оказались 67 домов в селе Вершинино и селе Батурино, была объявлена эвакуация населения в некоторых населённых пунктах Томской и Кемеровской областей, произошел залив автодороги Казанка - Батурино [25].
Поэтому в условиях антропогенной нагрузки и климатических изменений возрастает роль гидрологических прогнозов на реках бассейна Верхней Оби. В настоящее время моделирование гидрологических процессов, позволяет воспроизвести гидрографы стока и вычислить максимальные расходы воды заданной вероятности превышения. В будущем это позволит оценивать гидрологическую ситуацию при разных прогнозах изменения климата.
Цель работы - оценить реакцию стока рек юго-востока Западной Сибири на изменение климата и ландшафтных характеристик на основе гидрологических моделей.
Задачи:
1. Провести анализ гидрометеорологических данных по районам исследования и создать информационную базу для моделирования, включающую входную информацию и сток в замыкающем створе.
2. Изучить условия формирования стока исследуемых водосборов.
3. Для модели подобрать оптимальные значения параметров и оценить чувствительность модели по отношению к основным параметрам.
4. Выполнить расчеты гидрографов стока на независимом
материале.
Объект исследования: бассейн р. Томь (верхнее течение) до г. Новокузнецк, р. Mpac-Су до г. Мыски, р. Уса до г. Междуреченск.
Предмет исследования: изменения гидрологического режима рек бассейна р. Томь (верхнее течение).
Методы исследования:
1. Компьютерное моделирование гидрографа стока воды с речного бассейна с суточным разрешением на основе гидрологической модели HBV- Light;
2. Методы оценки достоверности результатов: по критериям качества, отражающим сходство рассчитанных по моделям гидрографов с наблюденными, а также визуальный контроль результатов вычислений графическими средствами модели, оценка соответствия полученных в результате калибровки модельных параметров;
3. Геоинформационный метод для картографирования с помощью программного обеспечения ArcGIS 10.4.1, SAS.Planet и Google Earth.
Исходные данные: послужили ежедневные метеорологические и гидрологические наблюдения:
• среднемесячные расходы воды за 1894-2021 гг. по гидропосту р.
Томь - г. Новокузнецк, за 1955-2003 гг. по гидропосту р. Мрас-Cv - г. Мыски, за 1937-1992 гг. по гидропосту р. Уса - г. Междуреченск (АИС ГМВО);
• среднесуточные расходы воды с 1978-1985 гг., (гидрологические ежегодники) и 2008-2021 гг. (АИС ГМВО) по гидропосту р. Томь - г. Новокузнецк, с 1978-1985 гг., (гидрологические ежегодники) и 2016-2021 гг. (АИС ГМВО) по гидропосту р. Мрас-Су - г. Мыски, с 1978-1983 гг., (гидрологические ежегодники) и 2018-2021 гг. (АИС ГМВО) по гидропосту р. Уса - г. Междуреченск;
• средние месячные данные о температуре воздуха и осадках по МС Кузедеево 1941-2018 гг. (www.meteo.ru);
• суточные данные о температуре воздуха и осадках с 1978-1985 гг., и 2008-2021 гг. по станции Кузедеево (www.meteo.ru), с 1978-1985 гг., и 2016-2021 гг. по станции Усть-Кабырза (http://www.pogodaiklimat.ru/), с 1978-1983 гг., и 2018-2021 гг. станции Неожиданный (www.meteo.ru).
По данным наблюдений за температурой воздуха, суммой атмосферных осадков и расходам воды с суточным разрешением получены значения параметров концептуальной модели HBV-Light для вычисления гидрографов стока рек Томь, Мрас-Су, Уса.
Перед непосредственной работой с моделями был произведён анализ гидрометеорологических данных по гидрологическим сезонам года и создана информационная база для моделирования. Условия формирования стока исследуемых водосборов рассмотрены в ходе изучения их ландшафтных характеристик. Так как все водосборы находятся в схожих ландшафтно¬гидрологических условиях, в работе эти водосборы были поделены на 4 высотные зоны с одинаковыми пороговыми значениями.
По результатам анализа многолетних данных метеостанции Кузедеево зафиксирован положительный статистически значимый тренд средней годовой и сезонной температур. Для сумм осадков значимый положительный тренд характерен только для годовой суммы и периода зимней межени.
Изменение стока рассматриваемых рек определяется изменением региональных климатических условий. За многолетний период наблюдается увеличение стока зимней межени р. Томь (р. Томь - г. Новокузнецк), уменьшение среднегодового стока и стока за половодье р. Мрас-Су (р. Мрас- Су - г. Мыски), а также уменьшение стока летне-осенней и зимней межени р. Уса (р Уса - г. Междуреченск).
Моделирование гидрографов было произведено за два периода: современный и до XXI в. Сравнение фактических и модельных гидрографов показало изменение годового стока, а также перераспределение стока между гидрологическими сезонами, главным образом, между зимней меженью и половодьем.
Для створа р. Мрас-Су - г. Мыски значительному изменению подверглись параметры испарения - FC и Beta; для створа р. Томь - г. Новокузнецк - параметры снеготаяния (TT, CFMAX, SFCF, CFR); для р. Уса - параметры, связанные с влажностью почвы и испарением (FC, LP, Beta).
Калибровка модельных параметров для рек показывает, что модель HBV-Light дает удовлетворительные результаты для р. Мрас-Су и Уса, а для р. Томь - хорошие результаты.
В целом, изменения стока и климатических параметров модели HBV- Light, наблюдаемые на разновременных гидрографах, согласуются с климатическими и гидрологическими трендами. Исключение составляет р. Уса, условия формирования стока которой сложно моделировать по причине разнообразия горного рельефа и отсутствием достаточно густой сети гидрометеорологических наблюдений на водосборе.
Полученные критерии качества за период калибровки и валидации моделей дают удовлетворительные результаты. Пик половодья, обусловленный снеготаянием, моделируется лучше, чем пики, вызванные дождевыми паводками. При определенных условиях (близость метеостанций и гидропостов, относительно однородный рельеф, хорошая гидрометеоизученность территории) модель может быть использована для оценки изменения речного стока в условиях современного изменения климата, а также на более отдаленную перспективу.
Перед непосредственной работой с моделями был произведён анализ гидрометеорологических данных по гидрологическим сезонам года и создана информационная база для моделирования. Условия формирования стока исследуемых водосборов рассмотрены в ходе изучения их ландшафтных характеристик. Так как все водосборы находятся в схожих ландшафтно¬гидрологических условиях, в работе эти водосборы были поделены на 4 высотные зоны с одинаковыми пороговыми значениями.
По результатам анализа многолетних данных метеостанции Кузедеево зафиксирован положительный статистически значимый тренд средней годовой и сезонной температур. Для сумм осадков значимый положительный тренд характерен только для годовой суммы и периода зимней межени.
Изменение стока рассматриваемых рек определяется изменением региональных климатических условий. За многолетний период наблюдается увеличение стока зимней межени р. Томь (р. Томь - г. Новокузнецк), уменьшение среднегодового стока и стока за половодье р. Мрас-Су (р. Мрас- Су - г. Мыски), а также уменьшение стока летне-осенней и зимней межени р. Уса (р Уса - г. Междуреченск).
Моделирование гидрографов было произведено за два периода: современный и до XXI в. Сравнение фактических и модельных гидрографов показало изменение годового стока, а также перераспределение стока между гидрологическими сезонами, главным образом, между зимней меженью и половодьем.
Для створа р. Мрас-Су - г. Мыски значительному изменению подверглись параметры испарения - FC и Beta; для створа р. Томь - г. Новокузнецк - параметры снеготаяния (TT, CFMAX, SFCF, CFR); для р. Уса - параметры, связанные с влажностью почвы и испарением (FC, LP, Beta).
Калибровка модельных параметров для рек показывает, что модель HBV-Light дает удовлетворительные результаты для р. Мрас-Су и Уса, а для р. Томь - хорошие результаты.
В целом, изменения стока и климатических параметров модели HBV- Light, наблюдаемые на разновременных гидрографах, согласуются с климатическими и гидрологическими трендами. Исключение составляет р. Уса, условия формирования стока которой сложно моделировать по причине разнообразия горного рельефа и отсутствием достаточно густой сети гидрометеорологических наблюдений на водосборе.
Полученные критерии качества за период калибровки и валидации моделей дают удовлетворительные результаты. Пик половодья, обусловленный снеготаянием, моделируется лучше, чем пики, вызванные дождевыми паводками. При определенных условиях (близость метеостанций и гидропостов, относительно однородный рельеф, хорошая гидрометеоизученность территории) модель может быть использована для оценки изменения речного стока в условиях современного изменения климата, а также на более отдаленную перспективу.
Подобные работы
- МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОГРАФА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ РЕК ГОРНОГО АЛТАЯ НА ПРИМЕРЕ РЕК КУЧЕРЛА И АКТРУ
Дипломные работы, ВКР, география. Язык работы: Русский. Цена: 4750 р. Год сдачи: 2024 - ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КЛИМАТА И ЛАНДШАФТНЫХ УСЛОВИЙ НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА В ТАТАРСТАНЕ НА ПРИМЕРЕ РЕКИ АКТАЙ
Магистерская диссертация, экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 4900 р. Год сдачи: 2019