Количество ритмов или гармонических составляющих, при разложении ряда наблюдений в ряд Фурье равно половине его длины ряда. Поэтому из значительного количества гармонических составляющих выявлены ритмы, вносящие наибольший вклад в общую дисперсию признака, составляющую 100% (Dобщ =100%). Количество ведущих ритмов отбиралось таким образом, чтобы их суммарный вклад составлял от 40 до 80 %. В представленной табл.1, для каждого гидрологического поста на реке приводятся наиболее значимые ритмы, из расчета, что их сумма должна быть не менее 30 %. Продолжительность ритмов выражена в годах. Длительность ритмов получается дробной, т. е. как бы "расползается" между двумя смежными вариациями. Это свидетельствует о том, что ритмы непостоянны во времени. В числителе – указана значимость каждого ритма, в процентах от общей дисперсии признака, в знаменателе – амплитуды их колебаний, подтверждающая достоверность существования ритмов. Автором на основе анализа показателей ритмов (значимости, амплитуд) выбраны ведущие ритмы.
Для подтверждения результатов использовались дополнительные методы: разностных интегральных кривых и скользящего осреднения, которые подтвердили существование ритмов многолетних колебаний сезонного стока рек. Выявленные ритмы, в качестве примера, приведены на рис. 2.
|
Анализ полученных результатов показал, что ритмы, выявленные в многолетних колебаниях сезонного стока, проявляются по-разному по территории Челябинской области. Сила их проявления не одинакова и изменяется от истока к устью, о чем свидетельствует характеристика ритмов: продолжительность, повторяемость и их амплитуда. При этом, ведущими являются вариации с продолжительностью: 2 – 4, 6 – 8, 11 – 14, 17 – 18, 22 – 23 года. При этом указанные ритмы свойственны всем сезонам года. Реальность их существования в природе подтверждена многими учеными: , , 1970, И П. Дружининым, 1991, , 1992, 2003 и др.
Положение 2. Ведущие ритмы, выявленные в многолетних колебаниях сезонного стока рек Челябинской области, характеризуются определенными закономерностями.
Для выявления закономерностей многолетних колебаний сезонного стока, реки в пределах Челябинской области группировались по трем бассейнам. В результате анализа удалось для каждого бассейна выявить ритмы, преобладающие в многолетних колебаниях сезонного стока рек (табл. 2).
Таблица 2
Основные ритмы многолетних колебаний сезонного стока рек (в годах)
БассейнСезон | Кама | Тобол | Урал |
Весенний период | 3-4 18* | 7-8 13-14 18* | 2-3* 7-8 13-14 18 |
Летне-осенний период | 7-8* 17-18 22-23 | 6-7 17-18* 22-23 | 6-7 17-18 22-23* |
Зимний период | 6-7 13-14 17-18* | 6-7 13-14* 17-18 | 3-4 6-7* 11-14 |
* – ритмы, обладающие наибольшей значимостью (ведущие)
1. Анализ табл. 2 показывает, что структура сезонных многолетних колебаний величин стока характеризуется следующими закономерностями в продолжительности ритмов сезонного стока в трех бассейнах рек – Камского, Тобольского, Уральского:
а) В весенний период в сезонном стоке рек всех трех бассейнов наблюдается ритм продолжительностью 18 лет. При этом в бассейне Камы и Тобола он является ведущим, что подтверждает исследования многолетних колебаний годового стока, выполненных (2003). В весенний период ритмы многолетних колебаний стока рек Камского и Тобольского бассейнов более продолжительны в отличие от рек Уральского бассейна, где наблюдается тенденция к уменьшению их длительности.
б) В сезонном стоке летне-осеннего периода, наряду с повсеместным распространением 17-18-летней вариации, наблюдается устойчивый 22-23-летний ритм (ритм смены полярности солнечных пятен). Для рек бассейна Урала ритм продолжительностью 22-23 года является ведущим. В этот сезон для рек бассейнов Урала и Тобола характерно наличие более продолжительных ритмов по отношению к рекам Камского бассейна.
в) Для зимнего сезона характерно наличие устойчивого 11-14-летнего солнечно обусловленного ритма, наряду с 17-18 и 6-7 летними ритмами. В этот период для рек области (Камский и Тобольский бассейны) характерно наличие более устойчивых ритмов, по сравнению с реками бассейна Урала.
Таким образом, основные ритмы, проявляемые на территории области не однозначны. Длительность ритмов в основном увеличивается с севера на юг и с запада на восток. Причины таких различий в ритмических колебаниях связаны с особенностями проявления атмосферной циркуляции и другими геофизическими факторами, которые отражаются на колебаниях гидрометеорологических процессов и явлений.
Как установлено ранее (1964) и (1968), неоднородность ритмических колебаний сезонного стока связана с особенностями проявления атмосферной циркуляции и другими геофизическими факторами. Атмосферная циркуляция и особенности ее проявления на данной территории являются факторами, определяющими гидрометеорологический режим области. В связи с этим возникла необходимость более подробного исследования связи атмосферной циркуляции с количественными характеристиками водного режима и их распределением на территории Челябинской области. Проведенные исследования не привели автора к новым результатам и уточнениям, но подтвердили результаты предыдущих исследователей.
Положение 3. На территории Челябинской области установлено существование трех районов и пяти подрайонов с синхронными колебаниями сезонного стока рек.
С целью установления закономерностей многолетних колебаний сезонного стока рек, автором произведено районирование по признаку синхронности по 17 гидрологическим постам наблюдения, равномерно расположенных по территории Челябинской области (табл. 3).
Основным методом исследования являлась версия кластерного анализа. Ее суть заключается в выделении кластеров на основе многомерной матрицы с последующим выбором оптимального уровня сходства и числа кластеров. Версия характеризуется достаточно простым представлением результатов в виде дендрограммы (или дерева ветвления), показывающих какие группы рек (или кластеры) образуются на каждом уровне корреляции (или сходства).
Таблица 3
Посты на реках Челябинской области, данные по которым использованы при построении дендрограмм
№ п/п | Река – пост | № п/п | Река – пост |
1 | р. Юрюзань – Вязовая | 10 | р. Синара – В. Ключевское |
2 | р. Юрюзань – Екатериновка | 11 | р. Увелька – Карсинский |
3 | р. Сим – Миньяр | 12 | р. Увелька – Красносельское |
4 | р. Уфа – Нязепетровск | 13 | р. Карталыаят – Карталы |
5 | р. Ай – Златоуст | 14 | р. Теча – Муслюмово |
6 | р. Ай – Веселовка | 15 | р. Урал – Верхнеуральск |
7 | р. Миасс – Костыли | 16 | р. Урал – Кизильское |
8 | р. Уй – Степное | 17 | р. Гумбейка – Наваринский |
9 | р. Уй – Плодопитомник |
|
Исследование синхронности многолетних колебаний сезонного стока проводилось за наибольший период совместных наблюдений – с 1968 – 2003 годы. В качестве дополнительного, использовался период с 1968 – 1998 гг., при помощи которого проверялась обоснованность кластерного решения в серии наборов данных.
В процессе кластеризации данных определялся оптимальный уровень сходства согласно критерию Дорофеюка – Лумельского. За каждый исследуемый сезон результаты представлялись в виде дендрограмм двух видов расчетной (табл. 4) и графической (рис. 3). В первом случае дендрограмма имеет вид таблицы и представляет собой последовательности объединяемых в кластеры номеров объектов, заложенных в виде временных рядов, на каждом уровне сходства – R (от -0,1 до +1). В графической таблице слева приводится таблица численных значений различных критериев (J1 – J2 или Dj ) – качества кластеризации объектов на этих же уровнях сходства. По их максимуму выбирается оптимальный вариант разбиения на кластеры, а следовательно, и наиболее вероятное положение границ районов. Для подтверждения вероятности попадания объектов (рек) в ту или иную группу рассчитывался ранговый критерий корреляции Спирмэна и критические точки распределения Стьюдента, определяющие величину вероятности связи двух рядов. В гидрологии связь считается надежной при вероятности не менее 95 % (Румянцев, 2000). Образцы расчетной и графической дендрограмм многолетних колебаний сезонного стока за весенний период с 1968 – 2003 гг. приведены на рис. 3 и табл. 4.
Совместный анализ сезонных дендрограмм за периоды 1968 – 1998 гг. и 1968 – 2003 гг., внутрирайонных коэффициентов корреляции Спирмэна и вероятностей кластерных связей позволил установить районы с синхронными многолетними колебаниями стока рек за каждый сезон года. Их сопоставление
|
(№ постов на реках соответствуют табл. 3)
Рис. 3. Дендрограмма синхронности колебаний весеннего стока
рек Челябинской области за 1968 – 2003 гг. (образец)
Таблица 4
Расчетная дендрограмма весеннего стока рек Челябинской области
за 1968 – 2003 гг. (образец)
№ | Уровень | J1-J2* | Dj * | Кластеры |
0 | 1,00 | -0,520 | -1,000 | 915 16 17 |
1 | 0,90 | -0,062 | -0,065 | 915 16-17 |
2 | 0,80 | 0,197 | 0,169 | |
3 | 0,70 | 0,241 | 0,205 | |
4 | 0,60 | 0,318 | 0,262 | 9-16-17 |
5 | 0,50 | 0,339 | 0,300 | 16-17 |
6 | 0,40 | 0,352 | 0,308 | -13 |
8 | 0,20 | 0,391 | 0,442 | |
12 | -0,20 | 0,520 | 1,000 |
* - критерии Дорофеюка – Лумельского
с районами, выявленными по результатам исследования ритмов в многолетних колебаниях сезонного стока, позволило установить существование трех районов и пяти подрайонов с синхронными колебаниями сезонного стока рек. Полученное положение границ гидрологических районов примерно совпадает с границами природных зон исследуемой территории, что свидетельствует о зональности сезонного стока. Схема гидрологического районирования территории Челябинской области по характеру многолетних колебаний весеннего стока рек, в качестве примера, представлена на рис. 4. Краткая характеристика гидрологических районов приведена в табл. 5.
Таблица 5
Характеристика гидрологических районов Челябинской области
№ | Районы и подрайоны | Природная зона | Основные протекаю-щие реки | Преобладающие ритмы (в годах) | ||
весна | лето-осень | зима | ||||
I | Предуральский горно-лесной район | Горно-лесная | Сим, Юрюзань, Ай, Уфа | 2 – 4, 18 | 7 – 8, 22 – 23 | 6 – 7, 17 – 18 |
II | Зауральский лесостепной район | Лесо-степная | Синара, Теча, Миасс, Уй, Увелька | 6 – 7, 17 – 18 | 6 – 7, 17 – 18 | 6 – 7, 13 – 14 |
III | Южный степной район | Степная | Урал, Гумбейка, Карталы-Аят | 2 – 4, 6 – 7 | 17 – 18, 22 – 23 | 6 – 7, 13 – 14 |
Исследования автором многолетних колебаний сезонного стока рек позволили уточнить результаты, полученные ранее другими исследователями. Сопоставление полученной схемы районирования с районированием по различным признакам других авторов (, 1965, , 1973 и др.), показало, что положения границ районов по результатам исследований многолетних колебаний сезонного стока не противоречат, а дополняют результаты, предложенные предыдущими исследователями.
Например, автором уточнено положение границы между Зауральским лесостепным районом и Южным степным районом. Полученное положение границы не противоречит исследованиям (1968), а подтверждает смещение границ гидрологических районов в разные сезоны года.
Таким образом, установлено, что выявленные гидрологические районы обособляются не только по ритмам многолетних колебаний сезонного стока, но и по синхронности колебаний, одинаково локализованных на определенной
 |
 |
 | |
 | |
 | |
 | |
 | |
 | |
 | |
 | |
 | |
 | |
 |  |
 | |
 | |
 | |
 | |
 | |
 |
|
|
|
|
- метеорологические посты
- гидрологические посты
- гидрометеорологические станции
Рис 1. Действующие гидрологические и метеорологические посты на территории Челябинской области.
|
|
|
|
|
- метеорологические посты
|
территории. Это показывает на тесную взаимосвязь сезонного стока, как по территории, так и во времени.
Заключение
Диссертационное исследование посвящено выявлению закономерностей многолетних ритмических колебаний сезонного стока рек Челябинской области. В связи с прогнозируемым истощением водных ресурсов, на территории недостаточно обеспеченной водой, особенно остро стоит проблема их комплексного и рационального использования. Проектирование и эксплуатация различных гидротехнических сооружений и мелиоративных систем, дорожных работ, а также проведение других мероприятий, связанных с использованием и охраной ресурсов поверхностных вод, требует всестороннего учета сезонных колебаний речного стока.
Основные результаты выполненных исследований сводятся к следующему:
1. Структура многолетних колебаний сезонных величин стока рек Челябинской области характеризуется набором ведущих внутривековых ритмов продолжительностью: 2 – 4, 6 – 8, 11 – 14, 17 – 18, 22 – 23 года, локализованных преимущественно в пределах районов с синхронными колебаниями сезонного стока.
2. Ведущие ритмы многолетних колебаний сезонного стока рек характеризуются определенными закономерностями, знание которых позволяет использовать их в целях оптимизации хозяйства.
3. Ритмы, обладающие наибольшей значимостью в разные сезоны года, характеризуются различной продолжительностью в трех бассейнах рек – Камского, Тобольского, Уральского:
а) В весенний период в сезонном стоке рек всех трех бассейнов наблюдается ритм продолжительностью 18 лет. При этом в бассейне Камы и Тобола он является ведущим, что подтверждает исследования многолетних колебаний годового стока, выполненных (2003). В весенний период ритмы многолетних колебаний стока рек Камского и Тобольского бассейнов более продолжительны в отличие от рек Уральского бассейна, где наблюдается тенденция к уменьшению их длительности.
б) В сезонном стоке летне-осеннего периода наряду с повсеместным распространением 17-18-летней вариации, наблюдается устойчивый 22-23-летний ритм (ритм смены полярности солнечных пятен). Для рек бассейна Урала ритм продолжительностью 22-23 года является ведущим. В этот сезон для рек бассейнов Урала и Тобола характерно наличие более продолжительных ритмов по отношению к рекам Камского бассейна.
в) Для зимнего сезона характерно наличие устойчивого 11-14-летнего солнечно обусловленного ритма, наряду с 17-18 и 6-7 летними ритмами. В этот период для рек области (Камский и Тобольский бассейны) характерно наличие более устойчивых ритмов, по сравнению с реками бассейна Урала.
4. Автором подтверждено, что атмосферные осадки, через увлажнение территории, оказывают решающее влияние на сезонный сток, которое в свою очередь, определяется синоптическими условиями циркуляции атмосферы.
5. На территории области выделено три района с синхронными колебаниями сезонного стока рек.
а) Предуральский горно-лесной район (р. Ай, Юрюзань), где обособляется два подрайона: Западный горно-лесной подрайон (р. Сим), Северный горно-лесной подрайон (р. Уфа).
б) Зауральский лесостепной район (р. Уй, Увелька) характеризуется выделением двух подрайонов: Центральный лесостепной подрайон (р. Миасс) и Северный лесостепной подрайон (р. Синара, Теча).
в) Южный степной район (р. Урал, Гумбейка), где в зимний период выделяется Юго-восточный степной подрайон (р. Карталы-Аят).
В связи с интенсивным развитием промышленности наблюдается существенное преобразование гидрологического режима рек под влиянием хозяйственной деятельности, поэтому дальнейшие исследования сезонного стока должны быть направлены на его изучение в условиях антропогенного воздействия. Непременным условием должно быть накопление более полной и достоверной гидрологической информации.
Автор надеется, что результаты работы найдут дальнейшее применение для решения различных инженерных задач.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Бубин колебания весеннего стока рек Челябинской области / // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2001 год. – Челябинск : ЧГПУ, 2002. – С.123 – 125.
2. Бубин колебания летних паводков рек Челябинской области / // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2002 год. – Челябинск : ЧГПУ, 2003. – С.221 – 224.
3. Бубин колебания внутригодового стока реки Ай / // Материалы региональной научно – практической конференции «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий». – Челябинск, 2004. – С.69 – 72.
4. Бубин колебания стока рек Челябинской области в период зимней межени / // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2003 год. – Челябинск : ЧГПУ, 2004. – С.425 – 430.
5. Бубин внутригодового стока рек Челябинской области / // Материалы II региональной научно – практической конференции «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий». – Челябинск, 2006. – С.53 – 56.
6. Бубин колебания весеннего стока рек Челябинской области / , // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ аспирантов и соискателей ЧГПУ за 2005 год. – Челябинск : ЧГПУ, 2006. – С.260 – 264.
7. Бубин сезонного стока рек Челябинской области и ее влияние на хозяйственную деятельность / // Успехи современного естествознания. М. : Академия естествознания, 2007. – № 2. – С.65 – 68.
8. Бубин территории Челябинской области по синхронности многолетних колебаний весеннего стока рек области / // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов. Труды международной научно-практической конференции (28 мая – 1 июня 2007г., г. Пермь). Перм. ун-т. – Пермь, 2007. – Т. III. – С.71 – 76.
9. Бубин ритмичности колебаний сезонного стока рек на экологическое равновесие в промышленно развитых регионах (на примере Челябинской области) / // Экология и промышленность России
. – 2007. – № 10. – С.45 – 47.
Содержание:
Введение 3
1. Состояние изученности многолетних колебаний
сезонного стока рек 10
1.1 Краткая характеристика природных условий
Челябинской области 10
1.2 Обзор исследований сезонного стока рек 32
1.3 Характеристика исходных данных 41
1.4 Методы исследования сезонных колебаний стока рек 48
1.5 Выводы 56
2. Гидрография и водный режим рек Челябинской области 58
2.1 Речная сеть, закономерности ее строения и распределения 58
2.2 Характер питания рек и его влияние на сезонный сток 68
2.3 Сезонный режим осадков и его влияние на сток рек 81
2.5 Выводы 91
3. Многолетние колебания сезонного стока рек 94
3.1 Исследование ритмичности сезонного стока рек
Челябинской области 94
3.2 Связь сезонного стока с синоптическими условиями
при разных формах атмосферной циркуляции 117
3.4 Выводы 135
4. Районирование территории по результатам изучения
многолетних колебаний сезонного стока 138
4.1 Выводы 169
Заключение 174
Приложение 192
Акты внедрения 217
Подписано в печать 19.г. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 1,16
Тираж 120 экз. Заказ № 000
Типография Пермского государственного университета.
614990 г. Пермь, ул.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 |
