Определение водных ресурсов районов с интенсивным развитием хозяйственной деятельности: на примере бассейна озера Наньси КНР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат географических наук Чжан Гоюй

• Чжан Гоюй
• кандидат географических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат географических наук Чжан Гоюй

Введение.

1 Исследование территории.

1.1 Общая характеристика района.

1.2 Гидрологическая изученность.

1.3 Выбор расчетного периода

2 Климат и увлажненность территории.

2.1 Понятие о климате и увлажненности территории.

2.2 Многолетние колебания основных характеристик климата и ^q увлажненности территории.

2.2.1 Методы анализа исходных данных.

2.2.2 Особенности многолетней изменчивости показателей климата и увлажненности.

2.3 Внутригодовые колебания основных показателей климата и увлажненности.

2.3.1 Методы анализа.

2.3.2 Особенности внутригодового хода основных показателей ^ климата и увлажненности.

3 Гидрологический режим рек.

3.1 Естественный водный режим рек.

3.2 Особенности внутригодового хода речного стока.

3.3 Особенности многолетней изменчивости речного стока.

4 Водные ресурсы и их рациональное использование.

4.1 Водный баланс озера Наньси и его водосбора.

4.2 Оценка регулирующей способности озера Наньси и его

- о о водосбора.

4.3 Оценка водных ресурсов в условиях изменяющегося климата.

4.4 Доступные ресурсы поверхностных вод территории.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение водных ресурсов районов с интенсивным развитием хозяйственной деятельности: на примере бассейна озера Наньси КНР»

Актуальность работы. Обеспечение потребности людей в воде, как одном из необходимых источников существования, невозможно без оптимизации стратегии рационального использования и охраны объектов гидросферы. Поэтому определение водных ресурсов Земли, изменяющихся под воздействием активных (климат) и адаптивных (подстилающая поверхность) факторов в условиях возрастающей антропогенной нагрузки на водные объекты и их бассейны, - задача чрезвычайно актуальная. Все сказанное особенно важно для густонаселенных районов земного шара с жарким климатом, где интенсивная хозяйственная деятельность сочетается с ограниченными ресурсами поверхностных и подземных вод, малым количеством осадков и большим испарением.

Примером такого региона может служить бассейн озера Наньси, расположенный на востоке Китая и находящийся между реками Хуанхэ и Янцзы. На большинстве рек этого района естественный сток нарушен в результате переброски воды из р. Хуанхэ или устройства водохранилищ, а также в результате заборов воды на орошение, промышленные и хозяйственно-бытовые нужды и сбросов возвратных вод. Как следствие, нарушен и естественный ход колебаний уровня самого озеро. В то же время оценка водных ресурсов любой территории основана прежде всего на данных о естественном режиме водных объектов.

Собранный к настоящему времени богатый фактический материал по расходам воды в реках и колебаниям уровня озера Наньси, включая информацию о заборах и сбросах вод, а также существующие методы анализа временных рядов позволяют оценить водные ресурсы региона. В дальнейшем полученные результаты позволят перейти к решению практических задач по управлению количеством и качеством воды в связи со строительством и реконструкцией Великого Китайского канала, 90 км которого проходят через бассейн озера Наньси и само озеро.

Цель и задачи работы. Основная цель работы состоит в определении водных ресурсов бассейна озера Наньси в условиях современного климата и возрастающей антропогенной нагрузки.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. выполнить районирование бассейна озера Наньси по особенностям формирования речного стока с учетом естественных факторов и хозяйственной нагрузки на реки и их водосборы;

2. установить соотношения между естественным (природным) и нарушенным стоком рек для выделенных районов и бассейна озера в целом; восстановить естественный сток рек;

3. оценить изменения климата и увлажненности бассейна озера Наньси;

4. выявить закономерности формирования естественного стока рек в зависимости от активных и адаптивных факторов;

5. на основе водного баланса оценить общие водные ресурсы бассейна озера Наньси в условиях изменяющегося климата;

6. определить экологический сток и доступные водные ресурсы исследуемого региона;

7. разработать рекомендации по рациональному использованию поверхностных вод бассейна озера Наньси и его районов.

Исходные материалы. Для решения поставленных задач использовались следующие данные: ряды средних месячных и годовых значений температуры воздуха (Т °С), осадков (Р, мм), испаряемости (Е0, мм). Данные получены по результатам наблюдений на 3 метеорологических станциях для Т°С, 53 станциях для Р и 5 станциях для Е0; рассчитанные на основе Т°С, Р, Е0 временные ряды индексов гумидности Де-Мартона (с£У), аридности Стенца (S) и увлажненности территории Иванова (/С); ряды речного стока с месячной и годовой дискретностью, полученные по данным наблюдений на 23 гидрологических станциях. Всего взято 13 4 водосборов с площадями от 317 до 6123 км2, относящихся к категории средних и малых; ряды средних месячных и годовых объемов воды в озере Наньси по данным наблюдений на 4 озерных постах; ряды расходов воды в р. Хуанхэ по наблюдениям на 6 шлюзах и расходы воды из озера Наньси по данным одного шлюза.

Для всех перечисленных показателей климата и гидрологического режима длительность периода наблюдений составила 40 лет (с 1968 по 2007 гг.). Для бассейна р. Хуанхэ привлекались наблюдения над осадками с 1951 по 2008 гг.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались следующие методы:

1. метод водного баланса;

2. методы теории периодически — коррелированных случайных процессов (ПКСП);

3. метод квантильного анализа;

4. методы регрессии и авторегрессии — скользящего среднего (АРСС);

5. методы линейной и низкочастотной фильтрации Батгерворта.

На защиту выносятся:

1. районирование бассейна озера Наньси по особенностям формирования речного стока с учетом хозяйственной нагрузки;

2. уравнения руслового водного баланса для основных рек выделенных районов;

3. особенности изменений климата и увлажненности территории;

4. закономерности формирования естественного стока бассейна озера Наньси и функциональные зависимости стока от активных и адаптивных факторов;

5. характер внутригодовых, многолетних и долгопериодных изменений речного стока;

6. оценка общих и доступных ресурсов поверхностных вод, а также экологического стока;

7. практические рекомендации по рациональному использованию водных ресурсов бассейна озера Наньси.

Научная новизна работы.

1. впервые в бассейне озера Наньси выделено три района с различным сочетанием естественных и антропогенных факторов формирования речного стока;

2. впервые для районов с интенсивным развитием хозяйственной деятельности на основе предложенных уравнений руслового водного баланса восстановлен естественный сток рек;

3. впервые на единой методологической основе дана оценка внутригадовых, многолетних и долгопериодных колебаний основных показателей климата и увлажненности территории, речного стока и изменений объема воды в озере Наньси;

4. впервые для бассейна озера Наньси и его районов установлены функциональные зависимости естественного речного стока от температуры воздуха и осадков; определены климатические условия, при которых произойдет существенное уменьшение (прекращение) стока;

5. впервые установлены функциональные зависимости речного стока от факторов подстилающей поверхности; предложены расчетные уравнения для определения стока неизученных рек;

6. впервые дана оценка общих и доступных водных ресурсов бассейна озера Наньси и его районов, а также экологического стока;

7. предложены практические рекомендации по рациональному использованию водных ресурсов.

Достоверность результатов работы обоснована: использованием большого объема данных Управления водными ресурсами бассейна озера Наньси, Метеорологического Управления г. Цзинин и Гидрологического Управления г. Цзинин; применением метода водного баланса; использованием современных статистических методов анализа и обобщения временных рядов.

Практическая значимость работы.

Результаты работы могут быть внедрены в оперативную службу водных ресурсов бассейна озера Наньси, а также для других районов КНР с интенсивным развитием хозяйственной деятельности. Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе при преподавании таких дисциплин как гидрология суши и водные ресурсы, а также дисциплины рациональное использование и охрана водных объектов. Результаты работы могут быть полезны и при выполнении научных проектов в области гидрометеорологических и экологических исследований.

Личный вклад автора. Автором проведены полевые исследования, осуществлены обработка и анализ собранных данных, обобщены сведения из литературных источников, получены основные научные результаты, сформулированы выводы и практические рекомендации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений, изложена на 121 странице, включает 48 рисунков, 23 таблицы, в том числе рисунки и таблицы приложений, и библиографию из 64 наименований.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Чжан Гоюй

Основные выводы диссертационной работы сводятся к следующим.

1. По ландшафтным характеристикам и в отношении формирования речного стока бассейн делится на 3 района.

I район занимает низменную северо-западную часть бассейна. Основной источник поступления воды - это их забор из р. Хуанхэ через систему из 6 шлюзов и каналов. Каналы, как правило, подсоединены к естественным руслам рек. Объем забора вод из р. Хуанхэ - 1,20 км3, объем естественного о о стока - 0,87 км , объем забора вод на хозяйственные нужды — 1,23 км , объем стока в озере Наньси - 0,84 км3. Качество воды низкое, и она в основном используется для технических и сельскохозяйственных нужд.

II район занимает возвышенную часть на юго-востоке бассейна. Он представлен реками, в верховьях которых находятся водохранилища. Объем естественного стока — 1,07 км , объем забора вод на хозяйственные нужды — 0,44 км , объем стока в озере Наньси — 0,63 км . Качество воды достаточно высокое, её можно использовать как питьевую и условно-питьевую.

III район включает равнинные реки естественного типа питания. Эти реки расположены в юго-западной, юго-восточной, северо-восточной частях водосборного бассейна. Реки проходят по густонаселенным местам, поэтому качество вод низкое. Расходуются они в основном на хозяйственные нужды. Объем естественного стока — 0,69 км3, объем забора вод на ч 3 хозяйственные нужды - 0,27 км , объем стока в озере Наньси - 0,41 км .

2. Анализ, основных показателей климата и увлажненности территории показал следующее. Для температуры воздуха границей раздела регрессивных и трансгрессивных фаз является 1994 г., для осадков — 2003 г. Потепление региона в 1994 - 2007 гг. связано с увеличением температуры воздуха в зимние месяцы. Увеличение количества осадков в 2003 — 2007 гг. обусловлено их ростом в теплый период года. С 2003 г. в бассейне озера

Наньси произошло увеличение гумидности климата и увлажненности территории.

3. Осадки являются основным режимоформирующим фактором естественного стока рек бассейна озера Наньси. Полное прекращение стока наступает при годовых осадках меньше 364 мм для района I, меньше 324 мм для района II, меньше 378 мм для района III. Сравнение этих оценок со среднемноголетними нормами осадков свидетельствует о том, что уменьшение осадков над районами I и III на 43 % приведёт к полному прекращению стока с водосборов этих районов. Сток с водосбора района II прекратится при сокращении осадков на 55 %. При сохранения современного режима температуры и осадков вполне возможно регулярное прекращение стока с водосборов районов I и III. Для района II регулярное прерывание стока возможно при уменьшении осадков на 9,6 %. Повышение (понижение) температуры воздуха на 1 С будет сопровождаться уменьшением (увеличением) слоя стока в июне на 3,6 мм, а в июле — на 12 мм.

4. Влияние возвышенностей на сток рек проявляется также существенно, как и на осадки. Исследование связи годового стока с площадью водосбора показывает наличие достаточно четкой зависимости стока от размеров площади водосбора. Связь является весьма тесной с коэффициентами корреляции г = 0,80.

5. Приходная часть водного баланса бассейна озера Наньси формируется за счет естественного стока и переброски вод р. Хуанхэ, расходная часть определяется изъятием стока на хозяйственные нужды и стоком из озера

Наньси. Внутри года водный баланс бассейна неоднороден из-за разнонаправленности режимов формирования стока и водопотребления.

Внутригодовой ход температуры имеет минимум в январе, а температурный максимум приходится на июль; минимум осадков выпадает в январе, а их наибольшее количество приходится на 3 летних месяца с абсолютным максимумом осадков в июле. Минимум естественного стока приходится на февраль, т.е. с запаздыванием на 1 месяц относительно минимума осадков,

110 а максимальный сток (в августе) запаздывает по отношению к максимальным осадкам на 1 месяц. Объем озера Наньси полностью определяется режимом накопления и сброса вод через шлюзы в сочетании с забором вод на орошение в вегетационный период. Поэтому его уменьшение с апреля по июль, когда количество осадков увеличивается, а сток устойчиво возрастает, объясняется интенсивным забором вод на хозяйственные нужды.

6. Регулирующая роль водосбора озера Наньси проявляется преимущественно в период межени, когда реки находятся на подземном питании. Регулирующая роль озера прослеживается круглый год. Колебания объема озера Наньси целесообразно рассматривать как случайный процесс, представляющий собой сумму двух составляющих инерционной и сезонной.

7. Расчет экологического стока производился только для района П по формуле Q3 = (бмин.мес.)/' = 75%. Количество доступных водных ресурсов бассейна озера Наньси с учетом переброски вод из р. Хуанхэ составляет 51 % от общих ресурсов воды, без учета переброски вод — 42 % от общих ресурсов. Общие и доступные ресурсы поверхностных вод бассейна озера Наньси (1975 - 2007 гг.) составляют 5,13 км3 и 3,01 км3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Чжан Гоюй, 2010 год

1. Абаменко В.Н. Климат и озера. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 264 с.

2. Алисов Б.П. Климат СССР. М.: Изд. МГУ, 1956. - 126 с.

3. Андреянов В.Г. Внутришдовое распределение речного стока.- Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 327 с.

4. Бабкин В.И. Труды государственного ордена трудового красного знамени гидрологического института, выпуск 338. Расчеты водных ресурсов и водного баланса. Л.: Гидрометеоиздат, 1990, с. 24 - 28.

5. Бабкин В.И., Вуглинский B.C. Водный баланс речных бассейнов.- Л.: Гидрометеоиздат, 1982, с. 85 87.

6. Беляев М.М., Рожков В.А., Трапезников Ю.А. Вероятностная модель колебаний уровня моря. В кн.: вероятностный анализ и моделирование океанологических процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, с. 24 - 31.

7. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. / Пер. с. англ. М.: Мир. 1974. - Вып. 1. - 406 с.

8. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. — Л.: Гидрометеоиздат, 1980. -350 с.

9. Викулина З.А. Водный баланс озер и водохранилищ Советского Союза.-Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 174 с.

10. Владимиров А. М. Гидрологические расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.-365 с.

11. Владимиров A.M. Водные ресурсы и экология. География в вузах России, РГТМИ, 1994. - 102 с.

12. Владимиров А.М. Опасные природные явления. СПб.: Изд. РГТМУ, 2005. - Вып. 1, с. 42-54.

13. Владимиров А. М. Сток рек в маловодный период года.- Л.:Гидрометеоиздат, 1976, с. 185 — 189.

14. Владимиров A.M., Чжан Гоюй. Оценка стока воды речных бассейнов синтенсивным развитием хозяйственной деятельности. // Учёные записки. СПб.: Изд. РГТМУ, 2010. -Вып.13, 5 - 12.

15. Воейков А.И. Климат земного шара. СПБ, 1884.

16. Громов А.Ю. Применение цифровых фильтров Баттерворта в океанологии.

17. В кн.: Режимообразующие факторы, информационная база и методы ее анализа. — Л.: Гидрометеоиздат, 1989, с. 22 — 35.

18. Догановский А. М., Малинин В. Н. Гидросфера земли. СПБ.: Гидрометеоиздат, 2004. — 630 с.

19. Догановский A.M., Мякишева Н.В. Вероятностный анализ составляющихводного баланса Ладожского озера по месячным интервалам времени (1936 1988) // Вестн. СПбГУ. Сер. 7. Геология, география, 1992, вып.З (№21), с. 75 - 84.

20. Догановский А. М., Мякишева Н.В., Хованов Н.В. Многокритериальнаяклассификация озерных систем в условиях неопределенности. — СПБ.: РГГМУ, 1999, с. 67-77.

21. Дроздов О.А., Григорьева А.С. многолетние циклические колебания атмосферных осадков на территории СССР. JL: Гидрометеоиздат, 1971.-157 с.

22. Дроздов О.А., Покровский Т.В. Об оценке роли случайных вариаций водного баланса в колебаниях уровня непроточных озер // Метеорология и гидрология, 1961, № 8, с. 43 48.

23. Климатология, гидрология и гидрофизика озер внутреннего Тянь-Шаня.- Л.: Изд. Науки, 1981.-244 с.

24. Мировой водный баланс и водные ресурсы Земли (Атлас).- Л.: Гидрометеоиздат, 1974 г. — 638 с.

25. Монин А.С., Шишков Ю.А. Климат как проблема физики. // Успехи физических наук, 2000, Том 170, №4, с. 419 445.

26. Мосиенко Н.А. Агрогидрологические основы орошения в степной зоне. -Л.: Гидрометеоиздат, 1972, с. 41 -45.

27. Мэйндоналд Дж. Вычислительные алгоритмы в прикладной статистике.- М.: Финансы и статистика, 1985. — 350 с.

28. Мякишева Н.В. Закономерности формирования внешнего водообмена иуровненного режима озер зоны избыточного и достаточного увлажнения: Автореф. Дисс. .д-ра геогр. Наук. СПБ., 2001. - 48 с.

29. Мякишева Н.В. Климатическая система Земли. СПБ.: Изд. РГГМУ, 2008. -95 с.

30. Мякишева Н.В. Многокритериальная классификация озер. СПБ.: Изд. РГГМУ, 2009, с. 120 - 124.

31. Мякишева Н.В., Трапезников Ю.А. Авторегрессионная модель межгодовой изменчивости гидрометеорологических процессов. В кн.: Вероятностный анализ и моделирование океанологических процессов. -Л.: Гидрометеоздат, 1984, с. 31-39.

32. Мякишева Н.В., Трушевский В.Л. О количественной оценке регулирующей способности Ладожского озера // Вестн. Ленинград. Ун-та. Сер. 7. Геология, география, 1990, вып.1 (№ 7), с. 70 71.

33. Мякишева Н.В., Чжан Гоюй. Регулирующая способность озера с интенсивной хозяйственной деятельностью на его водосборе. //Естественные и технические науки, 2010, №1, с. 142-148.

34. Мякишева Н.В., Чжан Гоюй. Ритмика годовой цикличности гидрологических процессов в районах с интенсивной хозяйственной деятельностью. //Вестник С.-Петерб. ун-та. Сер.7, вып.4, 2010.

35. Павлов А.Н. Основы экологической культуры. СПБ.: Политехника, 2004, с. 193-205.

36. Попов О.В. подземное питание рек. JI.: Гидрометеоиздат, 1988.-290 с.

37. Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик.- Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 448 с.

38. Проблемы современной гидрологии. СПБ.: РГГМУ. 2004. - 201 с.

39. Рождественский А.В., Чеботарев А.И. Статистические методы в гидрологии. — JL: Гидрометеоиздат, 1974. — 423 с.

40. Рожков В.А. Теория ми методы статистического оценивания вероятностных характеристик случайных величин и функций с гидрометеорологическими примерами. СПб: Гидрометеоиздат, 2001. — 339 с.

41. Рожков В.А., Трапезников Ю.А. Вероятностные модели океанологических процессов. JL: Гидрометеоздат,1990. — 270 с.

42. Румянцев В.А., Трапезников Ю.А. Стохастические модели гидрологических процессов. — СПБ.: Наука, 2008. 152 с.

43. Сикан А.В. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации. СПб: Изд. РГГМУ, 2007. - 279 с.

44. Соколовский Д.Л. Речной сток. Л.: Гидрометеоиздат, 1968 г. — 538 с.

45. Трапезников Ю.А. Григорьев А.С. Многокомпонентная стохастическая модель взаимосвязи гидрометеорологических процессов. Труды конференции ((Современные проблемы стохастической гидрологии)) Москва, 22-25 января, 2001, с. 93 - 96.

46. Трапезников Ю.А., Чжан Гоюй. Оценка запасов водных ресурсов в условиях изменяющегося климата для районов с дефицитом пресной воды. //Естественные и технические науки, 2010, №3.

47. Тьюки Дж. Анализ результатов наблюдений. М.: Мир, 1981. - 693 с.

48. Фащевский Б.В. Основы экологической гидрологии. Минск, 1996,с.170 —176.

49. Фролов А.В. Динамико-стохастические модели многолетних колебаний уровня проточных озер. М.: Наука, 1985. - 103 с.

50. Хромов С.П., Мамонтова Л.И. Метеорологический словарь. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 569 с.

51. Чеботарев А.И. Общая гидрология. JL: Гидрометеоиздат, 1975 г. - 542 с.

52. Чжан Гоюй. Изучение доступных ресурсов поверхностных вод региона Цзинин (КНР).// Материалы Международной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон ». 7-9 июля 2009 г. СПб: РГГМУ, 2009, с. 137- 138.

53. Шило Н.А., Кривошей М.И. Причины уменьшения стока Амударьи из зоны формирования в 1961-1985 гг. Доклад АН СССР, 1994, т.324, №2, с.487-491.

54. Шнитников А.В. Внутривековые колебания уровня крупных озер Прибалтики в связи с изменчивостью некоторых других компонентов географической среды // Биология внутренних водоемов Прибалтики.- Изд. АН СССР, 1962, с. 12 20.

55. Шнитников А.В. Уровень озер земного шара как показатель во времени общей увлажненности их бассейнов. В кн.: Гидрология озер и водохранилищ. Ч. 1. — М.: изд-во МГУ, 1975, с. 4 — 32.

56. Экология и охрана природных вод. Сборник научных трудов, вып. 122.- СПб: Изд. РГГМУ, 2000, с. 20 24.

57. Экологическое состояние водоемов и водотоков бассейна реки Невы.- СПБ: Научный Центр РАН, 1996. 225 с.1. На Китайском языке:

58. Ван Чаншын. Расчет доступных водных ресурсов. — Развитие водной науки, 2006, №7, с. 550 552.

59. Водные ресурсы региона Цзннин за период 1971 — 2000 гг. Цзинин.: Управление гидрологии и водных ресурсов региона Цзннин, 2005. — 152 с.

60. Ван цзян. Программа изучения водных ресурсов озера Наньси. //Вестник Хэхай университет, 2006, вып.З, с. 24 29.

61. Йе Чжэнвей. Изучение водных ресурсов бассейна реки Хуанхэ. // Гидрология, 2007, №4, с. 32-38.

62. Линь Хунсяо, Вэй Синмин. Охрана водных ресурсов. Гонконг: Всемирный Китайский пресс, 1999. - 219 с.

63. Ря Цинлин. Расчет объема воды озера Наньси. // Вестник Шаньдун университет, 2007, №2, с. 54 — 61.

64. Чжан Гоюй. Рациональное использование водных ресурсов бассейна озера Наньси. // Шаньдунские водные ресурсов, 2003, № 1, с. 54 57.

65. Чжан Гуандоу. Новые понимания водных ресурсов. // Китайские водные ресурсы, 2000, №8, с. 4 12.1. F* (Р)1. F (PI1. P. мм1. Рлчм20 40 60 80 100 120 140 160 1801. Л MM3004005006007008009001000