Шаменкова Ольга Ігорівна

УДК 556.168

ВПЛИВ АНТРОПОГЕННИХ ЧИННИКІВ НА ПІДЗЕМНИЙ СТІК РІЧОК ЗОНИ НАДМІРНОГО І НЕДОСТАТНЬОГО ЗВОЛОЖЕННЯ

ТЕРИТОРІЇ УКРАЇНИ

11.00.07 – гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Одеса-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному екологічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий доктор географічних наук, професор

керівник: Лобода Наталія Степанівна,

Одеський державний екологічний університет

професор кафедри гідрології суші

Офіційні доктор географічних наук, професор

опоненти: Іваненко Олександр Григорович,

Одеський державний екологічний університет,

завідуючий кафедрою гідроекології і водних досліджень

кандидат географічних наук, доцент

Явкін В’ячеслав Григорович

Чернівецький національний університет ім. Ю.Федьковича

доцент кафедри гідроекології,

водопостачання та водовідведення

Провідна Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

установа: географічний факультет, кафедра гідрології та гідроекології

Захист дисертації відбудеться “ 12 ” квітня 2007 р., о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.090.01 в Одеському державному екологічному університеті за адресою: 65016, м. Одеса, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Одеського державного екологічного університету за адресою: 65016, м. Одеса, вул. Львівська, 15, ОДЕКУ.

Автореферат розісланий “ 6 ” березня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Чугай А.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підземні води забезпечують 14% (Коротун І. М., Коротун Л.К., Коротун С.І., 2000) загального водоспоживання в державі, вони є другим по значущості джерелом живлення річок, яке в північних і північно-західних областях може досягати 50 %, тоді як в арідних південних регіонах внаслідок глибокого залягання водоносних горизонтів внесок підземних вод в загальне живлення річки може складати 1%. Формування підземного стоку в річці і теоретичний опис цього процесу представляє значний науковий інтерес і має певні прикладні аспекти. Сучасна концепція використання водних ресурсів розглядає два основні завдання: 1-дослідження гідрологічної системи у непорушених господарською діяльністю умовах, яке обумовлює її природний стан; 2-дослідження гідрологічної системи в порушених господарською діяльністю умовах, на основі якого визначаються перспективи використання підземних водних ресурсів і можливості управління ними.

При рішенні цих задач розглядається зв’язок між початковим станом системи і антропогенними діями. Режим підземних вод, так само, як і поверхневих піддається дії водогосподарських перетворень, серед яких найбільш значними є сільськогосподарські меліорації (осушення і зрошування сільськогосподарських земель). Дослідження наслідків водогосподарських перетворень, є важливим в сучасній гідрології.

Для розрахунку підземного живлення річок, озер і інших водойм можуть застосовуватися різні методи і прийоми. Значна диференціація природних умов, ступеня гідрологічної і гідрохімічної вивченості об'єктів дослідження та різноманітність практичних завдань, створюють певні труднощі у виборі надійного методу розрахунку і отримання достатньо точних і обґрунтованих результатів. Тому, не один з відомих в даний час способів оцінки підземного живлення річок і водоймищ не може вважатися універсальним.

Територія, що розглядається, належить до регіонів з порушеною екосистемою, де інтенсивність дії створених меліоративних комплексів, які проводилися, а надалі їх руйнування, яке відбувається у теперішній час, може привести до важко прогнозованих змін водного режиму річок. У сучасних умовах доцільним є використання математичного моделювання, яке дозволяє “імітувати”, тобто штучно відтворювати різні водогосподарські ситуації, які виникають або можуть виникнути на водозборах різних річок, у результаті антропогенних перетворень.

Таким чином, актуальність роботі обумовлена необхідністю підвищення точності та якості розрахунків підземного стоку з водозборів, підлеглих інтенсивним сільськогосподарським меліораціям, до яких насамперед, можна віднести осушуване Українське Полісся та зрошувальне Північно-західне Причорномор’я.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в рамках науково-дослідних робіт кафедри гідрології суші ОДЕКУ: “Максимальний та річний стік річок України” (№ ДР 0103U000358), “Обґрунтування науково-методичної бази для визначення характеристик водних ресурсів України” (№ ДР 0103U005145), які виконувалися в період з 2001 по 2006 рр. Автор брав участь у виконанні окремих розділів роботи.

Мета і задачі дослідження полягають в розробці методик оцінки існуючого та можливого стану ресурсів підземних вод в умовах водогосподарських перетворень на території України. Для досягнення поставленої мети необхідне вирішення наступних задач:

- отримати ряди річного підземного стоку, використовуючи дані гідрометричних спостережень за стоком;

- встановити просторово-часові закономірності коливань підземного річного стоку;

- оцінити підземні водні ресурси в природних тобто непорушених господарською діяльністю умовах;

- розробити модель підземного річного стоку в умовах водогосподарських перетворень.

Об’єкт дослідження – формування підземного річного стоку в умовах господарських перетворень на території Українського Полісся і Північно-західного Причорномор’я.

Предмет дослідження – характеристики річного підземного річкового стоку з водозборів в умовах водогосподарських перетворень.

Методи дослідження –генетичний підхід до визначення складових сумарного стоку (А.М. Бефані, 1957), множинна регресія, метод головних компонент, сумісний аналіз складових просторової дисперсії початкових даних (Крицький С.Н., Менкель М.Ф., 1970), стохастичне моделювання побутового стоку (Н.С. Лобода, 2005).

Наукова новизна одержаних результатів полягає в рішенні задачі оцінки характеристик підземного стоку в умовах водогосподарських перетворень на основі гідрометричних даних та подальшого стохастичного моделювання.

Отримані наступні результати:

- надана оцінка параметрів побутового підземного стоку річок зони надмірного і недостатнього зволоження на основі гідрометричних даних;

- виконані просторово-часові узагальнення параметрів підземного побутового стоку на основі методу множинної регресії і сумісного аналізу;

- виконано обґрунтування розрахунку статистичних параметрів річного підземного стоку в природних, не порушених господарською діяльністю умовах.

Вперше:

- розроблено методику відновлення рядів підземного стоку за методом головних компонентів;

- обґрунтовані і реалізовані стохастичні моделі побутового підземного стоку для зон надмірного і недостатнього зволоження;

- на основі імітаційного стохастичного моделювання отримані “функції відгуку” водозборів на водогосподарські заходи, що змінюють умови формування підземного припливу до річок зон надмірного і недостатнього зволоження.

Практичне значення одержаних результатів. З метою підвищення ефективності і якості управління водогосподарськими системами, вперше запропоновані результати імітаційного стохастичного моделювання, представлені у вигляді функцій відгуку, які дозволяють оцінювати характеристики підземного побутового стоку залежно від заданих показників водогосподарських систем (площа осушення, зрошування, коефіцієнт корисної дії меліоративної системи і т.п.). Вперше на основі статистичних параметрів річного підземного стоку і результатів розкладання по природних ортогональних функціях, запропонована методика відновлення хронологічних рядів.

Особистий внесок здобувача. Отримані результати досліджень належать авторові. Велика частина публікацій написано спільно з керівником, якому належать ідеї розробок, а претендентові – їх теоретична і практична реалізація.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень були обговорені і представлені на наступних наукових конференціях: Ювілейній конференції, присвяченій 70-ти річчю Одеського гідрометеорологічного інституту (м. Одеса, 2001), III-V -й наукових конференціях молодих учених ОДЕКУ (м. Одеса, 2003, 2004, 2005), II-й міжнародній науково-практичній конференції “Ресурси природних вод Карпатського регіону” (м. Львів, 2003), II-й Всеукраїнській науковій конференції “Гідрологія, гидрохімія і гідроекологія” (м. Київ, 2003), XXII Conference of Danubian countries on the hydrological forecasting and hydrological bases of water management (Brno, Czech Republic, 2004), науково-технічній конференції наукових і науково-педагогічних працівників ОДЕКУ (м. Одеса, 2005), „Науково-методичні проблеми поліпшення навколишнього середовища Одеського регіону” (м. Одеса, IНВАЦ, 2006).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи приведені в 13 публікаціях, з них 5 у виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура і об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел з 192 найменувань. Повний об’єм дисертації складає 293 сторінки, містить 30 рисунків, 17 таблиць, 3 додатки на 64 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність дисертаційної роботи, розкривається стан наукової проблеми, формулюються мета і задачі дослідження, викладаються наукова новизна та практичне

значення одержаних результатів.

У першому розділі “Коротка фізико-географічна характеристика досліджуваних територій” надається скорочена фізико-географічна характеристика розглянутих територій Українського Полісся та Північно-західного Причорномор’я, особлива увага приділяється опису особливостей кліматичних, гідрогеологічних умов формування поверхневого та підземного стоку. Детально описуються такі чинники підстильної поверхні, як заболоченість, залісеність, наявність карсту. Надається характеристика впливу цих чинників на формування підземного стоку у межах зони надмірного зволоження (Українське Полісся) та недостатнього зволоження (Північно-західне Причорномор’я). Автор робить акцент на тому, що різниця у вихідних кліматичних умовах формування підземного стоку розглянутих територій обумовлює різні напрямки водогосподарської діяльності. Якщо у межах Українського Полісся головним антропогенним чинником вважається осушення боліт та заболочених земель, то на території Північно-західного Причорномор’я переважає нестача вологи, яка компенсується за рахунок зрошування сільськогосподарських масивів. Опис сучасного екологічного стану Українського Полісся та Північно-західного Причорномор’я спрямований на постановку наукових задач дисертації, сутність яких міститься у розробці сучасних наукових методів оцінки на передбачення можливого стану підземних водних ресурсів України.

У другому розділі “Огляд методів розрахунку підземного припливу в річки” надається огляд існуючих методів оцінки підземного припливу до русла річок. Надається скорочений опис методів, аналізується їх перевага та недоліки. До числа розглянутих методів належать гідрометричні, гідродинамічні, водно-балансові, гідрохімічні та гідрофізичні. Вибір методів розрахунків залежить, у більшості випадків, від наявності і виду вихідної інформації. Проблема полягає у тому, що через відсутність даних найбільш доцільним і перспективним є гідрометричний метод, який спирається на матеріали спостережень за сумарним стоком, але застосування цього методу ускладнюється впливом водогосподарських перетворень на сучасних річках України. Що стосується півдня України, то тут спостерігається повна відсутність даних спостережень, як за сумарним, так і за підземним стоком. Більш того, початок гідрометеорологічних спостережень приходиться на роки, коли водогосподарські перетворення досягли свого максимуму (50-60 роки) минулого сторіччя.

У третьому розділі “Оцінка підземного стоку на основі спостережених даних (в порушених господарською діяльністю умовах)” надається огляд методів розрахунків характеристик припливу на базі даних спостережень гідрологічної мережі, виконано оцінку статистичних параметрів та проведено географічне узагальнення на основі методу множинної лінійної регресії та аналізу розподілу просторової дисперсії вихідних даних за методом сумісного аналізу С.М. Крицького та М.Ф. Менкеля (1970 р.).

Надано оцінку підземної складової сумарного стоку за методом розчленування гідрографів стоку за Б.І. Куделіним (1949). Показано, що підземна складова зони надлишкового та достатнього зволоження перевищує відповідний вміст у формуванні стоку зони недостатнього зволоження. На основі аналізу умов формування стоку, як у зоні надлишкового і достатнього зволоження, так і у зоні недостатнього зволоження зроблені висновки про те, що стік річок у період межені у більшості випадків порушений водогосподарськими перетвореннями. У зоні надлишкового і достатнього зволоження основним фактором господарської діяльності є осушування боліт та перезволожених територій, при якому відбувається дренаж та надходження підземних вод у поверхневі водотоки. Останнє приводить до суттєвого підвищення стоку межені.

У зоні недостатнього зволоження основним фактором антропогенного навантаження є зрошування сільськогосподарських земель, яке у більшості випадків реалізується за рахунок зрошування водами річок-донорів (Дунай, Дністер, Дніпро). Інфільтрація води у водоносні горизонти може викликати значне підвищення рівня підземних вод і також сприяти підвищенню підземної складової у загальному стоку з водозборів.

Для оцінки підземного припливу у річки, використаний наближений метод розрахунків, при якому підземний приплив за рік обчислюється за даними про мінімальні тридцятидобові витрати (А.Н. Бефані, 1957). Таким чином було отримано 32 часові ряди підземного стоку, з яких 17 належить зоні надмірного та достатнього зволоження (західна частина Українського Полісся) і 15 зоні недостатнього зволоження (Північно-західне Причорномор’я та прилеглі території у зв’язку з рідкою гідрологічною мережею).

Значна частина отриманих рядів містить у собі тренд, тобто ряди статистично неоднорідні, що обумовлено водогосподарським впливом. Ряди характеризуються значною внутрішньорядною скорельованістю, коефіцієнти автокореляції змінюються від 0,3 до 0,8. На основі отриманих даних здійснено географічне узагальнення за моделлю множинної лінійної регресії з покроковим вибором оптимальних предикторів та отримані розрахункові рівняння, для визначення середньобагаторічних величин підземного стоку та коефіцієнта варіації.

Перевірочні розрахунки показали, що відносні відхилення вихідних та розрахованих величин для окремих водозборів перевищують допустимі. Але на підставі цих узагальнень можна зробити висновки про тенденції просторових змін статистичних параметрів.

У зоні надмірного та достатнього зволоження (західна частина Українського Полісся) багаторічна величина підземного стоку залежить від географічного положення водозборів: з переміщуванням на схід підземний стік зменшується, що обумовлено загальним розподілом кліматичних факторів. Позитивно впливають на розподіл підземного стоку норма інфільтрації опадів у підстильну поверхню і площа водозбору: із зростанням водозбору поглиблюється ерозійний вріз русла у підстильну поверхню, а також, посилюється ґрунтовий приплив. Площа водозбору має особливе значення для західної частини Українського Полісся, де площа стабілізації підземного припливу (друга критична) становить близько 2000 км2.

У зоні недостатнього зволоження основними факторами, які впливають на просторовий розподіл середньобагаторічної величини підземного стоку, є широта місцевості, середня висота місцевості, які непрямим чином характеризують загальну зволоженість території. Другорядне місце має заболоченість, з її зростанням середньобагаторічна величина стоку зменшується.

Коефіцієнти варіації підземного стоку змінюються у залежності від величини самого припливу: чим більша величина підземного припливу, тим менша його багаторічна мінливість.

Для статистичних параметрів, що визначаються за даними спостережень з малою достовірністю, було виконане районування у межах розглядуваних територій. Наукове обґрунтування можливості та доцільності цього районування надане на основі аналізу просторових дисперсій розглянутих параметрів (С.М. Крицький, М.Ф. Менкель, 1986).

Осереднення параметру приймається можливим, коли внесок випадкової складової просторової дисперсії перевищує 70%, для значення усередненого параметру виконується умова , де - середньоквадратичне відхилення параметра від .

За результатами аналізу у межах західної частини Українського Полісся для коефіцієнта автокореляції виділено 3 райони, а у межах Північно-західного Причорномор’я – 1. Згідно з цим районуванням, усереднене значення коефіцієнту автокореляції підземного стоку Північно-західного Причорномор’я становить 0,5, а для західної частини Полісся: 1- району 0,21(Річки Поліської низовини); 2- 0,48 (закарстовані річки Західний Буг, верхів’я р. Горинь); 3- 0,74 (рр. Тня, Вирка, середнє течія р. Горинь). За просторовим розподілом відношення утворюють по одному статистично однорідному району у кожній із розглянутих зон, для західної частини Українського Полісся осереднене значення рекомендується приймати 2, а для Північно-західного Причорномор’я – 1,5.

У четвертому розділі “Оцінка норм підземного припливу при відсутності даних спостережень (на основі генетичного методу)” надається обґрунтування можливості визначення норм природного підземного припливу за генетичним методом А.Н. Бефані (1957). Згідно з цим методом сумарний річний стік може бути представленим у вигляді двох складових – поверхневої і підземної

. (1)

Підземна складова може бути визначена за апроксимуючим рівнянням підземного живлення

, (2)

де - норма інфільтрації опадів у водоносні горизонти, мм;

- редукційний множник.

, (3)

де - гіперболічний тангенс;

- гідрогеологічний параметр, який дорівнює відношенню потужності усіх потоків ґрунтових вод зони дренування по вертикалі до максимальної глибини дренування;

- показник інтенсивності зростання підземного припливу;

- площа водозбору, км2;

- перша критична, або площа, при якій у річки з’являється ґрунтове живлення, км2.

При застосуванні формули (2) до визначення норм підземного стоку були використані географічні узагальнення, здійснені А.Н. Бефані (1967), Я.М. Новосадом (1981), В.Г. Сорокіним (1974). Ці узагальнення представляють собою карти ізоліній для різних регіонів України та районування параметрів , , .

Порівняння результатів розрахунків за (2) з середньобагаторічними величинами підземного стоку, визначеними за допомогою гідрометричного метода, показало, що у західній частині Українського Полісся розрахунковий стік нижче спостереженого, що пояснюється підвищенням стоку за рахунок скидання дренажних вод з осушуваних територій.

У той же час порівняння отриманих результатів розрахунків стоку за (2) та отриманих Я.М. Новосадом, показує задовільне узгодження величин, отриманих різними методами.

Для степової зони розбіжність між розрахунковими величинами менше і середнє відносне відхилення становить 17%.

Таким чином, середньобагаторічна величина підземного стоку, визначена за генетичною формулою, може розглядатися як норма природного підземного стоку.

У п’ятому розділі “Методика відновлення рядів природного підземного стоку на основі метода головних компонентів” запропоновано методику відновлення рядів підземного річного стоку згідно з результатами розкладення полів вихідних даних за природними ортогональними функціями. До досліджень залучено 15 рядів підземного стоку західної частини Українського Полісся за період спостережень з 1951 по 1980 рр., та 22 ряди підземного стоку Північно-західного Причорномор’я і прилеглих територій з 1956 по 1986 рр. Перша компонента описує 67% дисперсії вихідних даних для західної частини Українського Полісся та 71% для Північно-західного Причорномор’я, другі компоненти описують 11 % та 9 %, відповідно. Внесок третьої компоненти у дисперсію вихідних даних становить 10% для західної частини Українського Полісся.

За моделлю множинної лінійної регресії з покроковим пошуком оптимальних предикторів встановлені головні чинники формування структури полів підземного річкового стоку. Виявлення цих чинників відбувалося шляхом пошуку зв’язків вагових коефіцієнтів перших компонент розкладання з кількісними показниками факторів формування підземного стоку на водозборах. Для вагових навантажень на першу компоненту розкладання отримані такі рівняння

- західна частина Українського Полісся

, r = -0,71 (4)

- Північно-західне Причорномор’я

, , (5)

, , (6)

де r - коефіцієнт парної кореляції;

- коефіцієнт множної кореляції;

- довгота положения центру тяжіння водозбору в умовних координатах, м;

- норма інфільтрації опадів у водоносні горизонти, мм;

- середня висота водозбору, м.

Тобто, перші по значущості фізичні процеси, що впливають на формування полів підземного стоку, пов’язані із довготою центру тяжіння водозбору у західній частині Українського Полісся, та із нормою інфільтрації і середньою висотою водозборів на території Північно-західного Причорномор’я. Саме ці чинники були визначені як головні при побудові рівнянь множної регресії при описуванні просторового розподілу середньобагаторічних величин підземного стоку у розділі 3.

У якості чинників меншої значущості виділені середньозважений ухил річки для Полісся та заболоченість для Причорномор’я.

Оскільки амплітудні або просторові функції розкладання є однаковими для усіх водозборів розглянутої території, їх можна використати для розрахунків рядів стоку невивчених річок за моделлю фільтрації вихідних даних на основі метода головних компонентів

, (7)

де - значення центрованої і нормованої вихідної величини в -тому об’єкті в -тий момент часу ;

і - середнє арифметичне значення і середнє квадратичне відхилення вихідного ряду;

- складова відфільтрованого поля, так звана амплітудна функція.

Якщо у якості використати норму природного підземного стоку (2), то відновлені за рівнянням (7) ряди можна розглядати як ряди природного (непорушеного водогосподарською діяльністю) стоку. Як показано у роботі перші дві компоненти пов’язані із природними факторами, тобто завдяки фільтрації з рядів вилучається антропогенна складова. Норма підземного річного стоку, розрахована за генетичним методом А.Н. Бефані, може розглядатися як природна. Отже, відновлені за (7) ряди стоку несуть у собі інформацію про природні закономірності коливань підземного стоку. Запропонована методика є особливо важливою для Північно-західного Причорномор’я, де спостерігається нестача даних. Точність моделювання оцінена відносною похибкою змодельованих та вихідних значень і становить 20%.

У шостому розділі “Стохастичне моделювання підземного стоку в умовах антропогенного впливу” розглянуто стохастичні моделі підземного природного та побутового стоку, наведені результати імітаційного моделювання та рекомендації щодо їх використання з метою управління підземними водними ресурсами. Для природного підземного стоку використана двовимірна стохастична модель простого ланцюга Маркова, в якій розглядається кореляція між забезпеченостями величин стоку, яка підкорюється трипараметричному гама-розподілу С.М. Крицького та М.Ф. Менкеля.

У якості вхідних параметрів природного стоку розглядаються дані, розраховані за генетичним методом А.Н. Бефані, коефіцієнти варіації, обчислені за цією нормою, значення коефіцієнтів автокореляції , відношення , осереднені у межах статистично однорідних районів.

У роботі розглянуто дві зони, підлеглих значному антропогенному впливу: західна частина Українського Полісся, де найзначнішим антропогенним чинником є осушування боліт та заболочених земель, і Північно-західного Причорномор’я, де домінуючим антропогени чинником є зрошування сільськогосподарських земель.

Стохастична модель побутового (порушеного антропогенною діяльністю) підземного стоку в умовах осушування боліт має вигляд

(8)

де індекс “Р” означає забезпеченість заданої випадкової величини;

- шар підземного стоку з водозбору, на якому проводяться заходи по осушенню боліт і перезволожених земель, мм;

- шар підземного стоку у природних тобто непорушених господарською діяльністю умовах, мм;

- коефіцієнт водовіддачі ґрунтів, який оцінюється як різниця між повною та найменшою вологоємкістю, поділеною на товщину розглянутого шару;

- зміна середнього рівня ґрунтових вод в результаті осушення, м;

- об’ємна вологість торф’яного залежу до осушення;

- об’ємна вологість торф’яного залежу після осушення;

- відносна площа меліорованих земель, яка виражена в частках від загальної площі водозбору.

Для зони недостатнього зволоження (Північно-західного Причорномор’я), де переважає зрошування за рахунок стоку річок-донорів, стохастична модель підземного стоку набуває вигляду

, (9)

де -побутовий підземний стік в умовах зрошення сільськогосподарських масивів водами річок-донорів, із заданою забезпеченістю Р;

-природний підземний стік із заданою забезпеченістю Р;

?-частка втрат на інфільтрацію при зрошуванні, яка іде на поповнення запасів підземних вод;

?-частка зворотних вод, яка іде на поповнення запасів підземних вод в процесі їх транспортування;

? -коефіцієнт, який залежить від літологічного складу порід;

-перехідний коефіцієнт, який враховує перехід від зворотних вод на зрошувальних полях до зворотних вод, що надходять до водоприймачів;

-відносна площа зрошувальних масивів, яка виражена в частках від загальної площі водозбору;

M0 -зрошувальна норма-нетто;

?- коефіцієнт корисної дії зрошувальної системи.

Стохастичне моделювання відбувалось ступнево, тобто при кожному стохастичному випробуванні невипадкові складові, які відображають масштаби водогосподарських перетворень, задавалися постійними. Але при кожному статистичному іспиті змінюються випадкові складові в залежності від кліматичних умов, рівня підземних вод та норми зрошування чи осушування.

В результаті кожного стохастичного випробування отримані стохастичні параметри стоку, що дозволяє після декількох іспитів побудувати так звані функції антропогенного впливу, що відображають зміну статистичних параметрів підземного стоку в залежності від відносної площі водозборів, підлеглої водогосподарським перетворенням та інших показників антропогенних перетворень. Функції відгуку можуть бути представлені як безпосередньо через статистичні параметри , , , так і через коефіцієнти антропогенного впливу, які являють собою відношення статистичних параметрів в умовах водогосподарської діяльності, до відповідних параметрів природного стоку.

; (10)

; (11)

. (12)

где - коефіцієнти впливу зрошення на норму підземного стоку;

- коефіцієнт впливу зрошення на коефіцієнт варіації підземного стоку;

- коефіцієнт впливу зрошення на коефіцієнт асиметрії підземного стоку;

- норма побутового підземного стоку в умовах зрошення;

- норма природного підземного стоку;

- коефіцієнт варіації природного підземного стоку;

- коефіцієнт варіації побутового підземного стоку в умовах зрошення;

- коефіцієнт асиметрії природного підземного стоку;

- коефіцієнт асиметрії побутового підземного стоку в умовах зрошення.

Отримані функції впливу можуть бути використані для управління водними ресурсами. Так, з рисунку 1 випливає, що значущі зміни норм підземного стоку (підвищення на 10%) на території Північно-західного Причорномор’я виникають при площі 1,5% від загальної площі водозбору, коли йде мова про вологолюбні рослини з рівнем оптимального зволоження ґрунту =1,0. При зрошуванні сільськогосподарських культур, які потребують незначного зволоження (=0,8), значні зміни водних ресурсів можливі лише при досягненні площ зрошування 3,5% при коефіцієнті корисної дії зрошувальної системи 0,95.

Результати, які підтверджують зростання стоку малих річок при використанні води річок-донорів, отримані також шляхом застосування спрощеного гідродинамічного методу до розрахунків припливу підземних вод до оз. Ялпуг. Співставлення результатів показує задовільний збіг даних, отриманих різними методами, показано, що норма підземного припливу зростає на 10% при підвищенні рівня підземних вод на 4 м, при тому як фактично рівні зростають на 16 м.

ВИСНОВКИ

У дисертації приведено теоретичне узагальнення і нове рішення наукової задачі, яке полягає в розробці стохастичних моделей підземного стоку з метою оцінки і передбачення стану підземних водних ресурсів в умовах сільськогосподарських меліорацій на водозборах.

1. В роботі розглянуто два регіони України із вираженими змінами підземного припливу в річки – Західна частина Українського Полісся, що характеризується наявністю осушуваних боліт, і – Північно-західне Причорномор'я, на якому відбувається зрошування сільськогосподарських масивів.

2. На основі застосування моделі множинної регресії встановлені наступні закономірності:

- Просторовий розподіл підземного стоку західної частини Українського Полісся змінюється залежно від довготи положення центрів тяжіння водозборів, зменшуючись в напрямі із заходу на схід, а також від площі водозборів. Середня багаторічна величина підземного стоку зростає із зростанням площі водозбору.

- Просторовий розподіл підземного стоку Північно-західного Причорномор'я залежить від широти положення водозбору і його висоти. У міру просування з півдня на північ, а також при збільшенні висоти середньобагаторічна величина підземного припливу зростає.

- Для обох регіонів багаторічна мінливість коливань річного підземного стоку обумовлена загальним припливом підземних вод, який може бути охарактеризований нормою підземного припливу.

3. На основі аналізу просторової дисперсії статистичних параметрів визначених по даним, визначеним з малою мірою достовірності (коефіцієнт автокореляції r(1) і відношення ) виконано обґрунтування можливості районування цих статистичних параметрів і виділені статистично однорідні райони. У західній частині Українського Полісся виділені 3 статистично однорідних райони для параметра : річки Поліської низовини - =0,21, закарстовані річки Волино-Подільського артезіанського басейну - =0,48 і річки з інтенсивним скиданням дренажних вод (рр. Західний Буг, верхів’я р.Горинь), де значення коефіцієнтів автокореляції можуть досягати 0,8, а - =0,74. В межах розглядуваного району відношення може бути усередненим, і прийнятий рівним 2.

Розглянуті річки Північно-західного Причорномор'я входять в один район для коефіцієнта автокореляції, середнє значення якого = 0,5, і для відношення , середнє значення параметра рекомендується приймати рівним 1,5.

4. Установлено, що норма підземного стоку, розрахована за генетичною формулою А.М. Бефані, може бути розглянута як характеристика природного, тобто непорушеного господарською діяльністю стоку.

5. Досліджена структура полів річного підземного стоку на основі методу головних компонент. Показано, що формування полів підземного стоку західної частини Українського Полісся на рівні перших двох складових розкладання (77 % дисперсії початкових даних) обумовлене атмосферними процесами, а для території Північно-західного Причорномор’я основним предиктором, що визначає характер просторового розподілу полів підземного стоку, є норма інфільтрації опадів у водоносні горизонти, яка залежить як від кліматичних чинників, так і від гідрогеологічних особливостей підстильної поверхні.

6. Запропонована методика відновлення природних рядів підземного річного стоку невивчених водозборів на основі перших амплітудних функцій розкладання і результатів географічного узагальнення статистичних параметрів річного підземного стоку. Як показник природних ресурсів підземного стоку використана норма підземного стоку, розрахована за генетичною формулою А.М. Бефані.

7. Розроблені стохастичні моделі річного підземного стоку, що описують дію основних чинників водогосподарських перетворень в області надмірного (на прикладі західної частини Українського Полісся) і недостатнього (Північно-західне Причорномор’я) зволоження.

8. Установлено, що в результаті осушення боліт в західній частині Українського Полісся відбувається збільшення підземного стоку в річках.

9. Отримані “функції відгуку” статистичних параметрів річного підземного стоку на осушувальні меліорації. Установлено, що в результаті осушення і відведення надмірних ґрунтових вод відбувається збільшення середньобагаторічних величин підземної притоки в річки, зменшення коефіцієнта варіації, а зміна коефіцієнта асиметрії є незначущою.

10. Установлено, що в результаті зрошування сільськогосподарських масивів за рахунок річки-донора також спостерігається збільшення підземної притоки в річки. На основі використання імітаційного моделювання в спрощеній генетичній моделі встановлений зв'язок між змінами рівня ґрунтових вод і підземним живленням річок. Показано, що при підйомі рівня ґрунтових вод на 4 м, норма підземного припливу в річки збільшиться на 10%.

11. Отримані “функції відгуку” річного підземного стоку на водогосподарські заходи у вигляді зрошування за рахунок річок-донорів. Отримано, що в результаті втрат води, що подається на зрошувані поля, і її подальшою фільтрації у водоносні горизонти, відбувається збільшення середньобагаторічних величин річного підземного стоку, зниження його багаторічної мінливості і посилення несиметричності розподілу.

12. Представлені “функції відгуку” у вигляді коефіцієнтів антропогенного впливу залежать від масштабів водогосподарських заходів на водозборах, це дозволяє використовувати їх для оцінки і передбачення можливого стану ресурсів підземних вод у різних водогосподарських ситуаціях.

13. Розроблені моделі підземного річного стоку можуть бути використані з метою аналізу і управління підземними водними ресурсами України.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шаменкова О.И. Оценка нормы грунтового питания рек бассейна Придунайских озер по генетическому методу // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. – 2001. – Вип.43. - С. 258-262.

2. Лобода Н.С., Шаменкова О.И. Обоснование методики расчета подземного стока рек Молдовы и юго-западной Украины на базе метода главных компонент// Метеорологія, кліматологія та гідрологія. – 2001. – Вип.44. - С. 187-192.

3. Лобода Н.С., Шаменкова О.И. Стохастическая модель годового суммарного и подземного стока в условиях осушительных мелиораций (по материалам западной части Украинского Полесья)// Метеорологія, кліматологія та гідрологія. – 2002. – Вип.46. - С. 279-293.

4. Лобода Н.С., Ехнич М.П., Шаменкова О.И. Параметризация гидрологических процессов на основе метода главных компонент // Наукові праці УкрНДГМІ.– К.:Ніка –Центр. –2003. – Вип.251. - С. 32 - 37.

5. Шаменкова О.И. Роль грунтового питания в формировании водного режима водоемов северо-западного Причерноморья (на примере оз.Ялпуг) // Метеорологія, кліматологія та гідрологія. – 2004. – Вип.48. - С. 455-461.

6. Шаменкова О.И. Оценка грунтового стока рек Дунай-Днестровского междуречья с использованием естественных ортогональных функций // Гідрометеорологія і охорона навколишнього середовища. Тези доповідей до ювілейної конференції, присвяченої 70-річчю утворення Одеського державного екологічного університету. – Одеса: ОДЕКУ. – 2002. - С. 224-226.

7. Н.Лобода, М.Ехнич, О.Шаменкова. Выделение основных стокоформирующих факторов на основе параметризации гидрологических процессов при помощи метода главных компонент (на примере рек верхнего Днепра до Могилев-Подольска) // ІІ Міжнародна науково-практична конференція “Ресурси природних вод Карпатського регіону”. Проблеми охорони та раціонального використання. Збірник наукових статей. – Львів. – 2003. - С. 77-82.

8. Шаменкова О.И. Влияние осушения на грунтовый сток рек западной части Украинского Полесья // ІІІ Наукова конференція молодих вчених. Одеський державний екологічний університет. Тези доповідей. – Одеса: ОДЕКУ. – 2003. - С. 54-57.

9. Шаменкова О.И. Влияние орошения на норму грунтового стока северо-западного Причерноморья // ІV Наукова конференція молодих вчених. Одеський державний екологічний університет. Матеріали конференції. – Одеса: ОДЕКУ. – 2004. - С. 76-79.

10. Шаменкова О.И. Стохастическое моделирование годового и подземного стока северо-западного Причерноморья в условиях орошения // Матеріали конференції. V наукова конференція молодих вчених. Одеський державний екологічний університет. – Одеса: ОДЕКУ. – 2005. - С. 55-57.

11. Шаменкова О.И. Подземный сток рек Украины в условиях водохозяйственных преобразований (на примере рек Полесья и Северо-западного Причорномор’я) // Науково-технічна конференція наукових та науково-педагогічних працівників ОДЕКУ. – Одеса: ОДЕКУ. – 2005. - С. 48-49.

12. Шаменкова О.И. Методические подходы к оценке и прогнозированию влияния орошения на подземные водные ресурсы Одесского региона// Регіональноа науково-практична конференція (15-16 червня). “Науково-методичні проблеми покращення довкілля Одеського регіону”.Одеський іноваційно-інфрмаційний центр. Збірник наукових статей. – Одеса: ІНВАЦ. – 2006. - С. 306-311.

13. Loboda N., Shamenkova O. Modelling and reconstraction of time series annual flow under absence observation data (Danube region in Ukraine and Moldova)// Conference abstracts. XXII Conference of Danubian countries on the hydrological forecasting and hydrological bases of water management. 30Augusto-2September. –Brno. Czech Republic. -2004. - P. 80.

АНОТАЦІЇ

Шаменкова О.І. Вплив антропогенних чинників на підземний стік річок зони надмірного і недостатнього зволоження території України. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук. – Спеціальність 11.00.07 – гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія – Одеський державний екологічний університет, Одеса, 2006.

Дисертаційна робота присвячена питанням оцінки і передбачення річного підземного стоку в зонах надмірного і недостатнього зволоження (Українського Полісся і Північно-західного Причорномор’я) в умовах антропогенного впливу.

На основі методу множинної лінійної регресії, сумісного аналізу і головних компонент проведені просторово-часові узагальнення підземного стоку для досліджуваних територій.

Розроблені стохастичні моделі річного підземного стоку, що описують дію основних чинників водогосподарських перетворень в області надмірного (на прикладі західної частини Українського Полісся) і недостатнього (Північно-західне Причорномор’я) зволоження. Стохастичне моделювання рядів побутового підземного стоку виконувалося на основі рівняння водогосподарського балансу. Імітаційна модель дозволяє визначити імовірнісні характеристики (побутового) підземного стоку.

Встановлено, що в результаті осушення боліт в західній частині Українського Полісся та зрошуванні земель Північно-західного Причорномор’я за рахунок річок – донорів відбувається збільшення підземного стоку в річки.

Отримані “функції відгуку” річного підземного стоку на водогосподарські заходи у вигляді осушення і зрошування, які представлені у вигляді коефіцієнтів антропогенного впливу і залежать від масштабів водогосподарських заходів на водозборах. Це дозволяє використовувати їх для оцінки і передбачення можливого стану ресурсів підземних вод в різних водогосподарських ситуаціях.

Ключові слова: підземний стік, головні компоненти, стохастичні моделі, функції відгуку, водогосподарські меліорації.

Шаменкова О.И. Влияние антропогенных факторов на подземный сток рек зоны избыточного и недостаточного увлажнения территории Украины. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук. – Специальность 11.00.07 – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. – Одесский государственный экологический университет, Одесса, 2006.

Диссертационная работа посвящена вопросам оценки изменения и предвидения годового подземного стока в зонах избыточного и недостаточного увлажнения (Украинского Полесья и Северо-западного Причерноморья) в условиях антропогенного влияния.

На основе метода множественной линейной регрессии, совместного анализа и главных компонент проведены пространственно-временные обобщения подземного стока для исследуемых территорий.

Исследовалась структура полей годового подземного стока на основе метода главных компонент, и предложена методика восстановления естественных рядов подземного годового стока неизученных водосборов на основе первых амплитудных функций разложения с использованием результатов географического обобщения статистических параметров годового подземного стока. В качестве показателя естественных ресурсов подземного стока использована норма подземного стока, рассчитанного по генетической формуле А.Н. Бефани.

Разработаны стохастические модели годового подземного стока, описывающие воздействие основных факторов водохозяйственных преобразований в области избыточного (на примере западной части Украинского Полесья) и недостаточного (Северо-западного Причерноморья) увлажнения.

Стохастическое моделирование рядов бытового подземного стока выполнялось на основе уравнения водохозяйственного баланса. Имитационная модель позволяет определять вероятностные характеристики (бытового) подземного стока. Уравнения водохозяйственного баланса представлены в вероятностной (стохастической) форме.

Для территории Украинского Полесья выполнено моделирование подземного стока рек с водосборов, в условиях осушения болот и заболоченных земель. Осушение сопровождается сбросом избыточных вод через дренажи, пополняя прежде всего, подземные воды. Для территории Северо-западного Причерноморья основным антропогенным фактором является орошение земель из рек доноров.

В моделях на первой стадии генерируются ряды естественного подземного стока продолжительностью в несколько тысяч, и на них накладывается фактор антропогенного влияния. В результате моделирования получены “функции отклика”, которые представляют собой статистические зависимости параметров подземного стока от показателей сельскохозяйственных мелиораций. Для практического применения эти зависимости представлены в виде коэффициентов, позволяющих осуществить переход от параметров естественного стока к параметрам бытового.

Установлено, что изменение характеристик подземного притока зависит не только от площади осушаемых или орошаемых массивов, но и от других характеристик мелиоративных систем таких как, глубина залегания грунтовых вод, состав подстилающих почв, климатических характеристик. В границах одного и того же водосбора могут находиться разные мелиоративные системы с разными показателями. Для учета различных комбинаций мелиоративных показателей целесообразным является использования функций отклика в виде коэффициентов антропогенного влияния.

Исследованния показали, что в результате осушения болот в западной части Украинского Полесья, происходит увеличение подземного стока в реки. Получены “функции отклика” статистических параметров годового подземного стока на осушительные мелиорации. Установлено, что в результате осушения и отвода избыточных грунтовых вод происходит увеличение среднемноголетних величин подземного притока в реки, уменьшение коэффициента вариации, а изменение коэффициента асимметрии является незначимым.

Получены “функции отклика” годового подземного стока на водохозяйственные мероприятия в виде орошения за счет рек-доноров. Установлено, что в результате потерь воды подаваемой на орошаемые поля и ее последующей фильтрацией в водоносные горизонты, происходит увеличение среднемноголетних величин годового подземного стока, снижение его многолетней изменчивости и усиление несимметричности распределения. Подтверждение того, что в результате орошения сельскохозяйственных массивов за счет реки-донора также наблюдается увеличение подземного притока в реки, получено но основе использования имитационного моделирования в упрощенной гидродинамической модели и установлена связь между изменениями уровня грунтовых вод и подземным питанием рек. Показано, что при подъеме уровня грунтовых вод на 4 м, норма подземного притока в реки увеличится на 10%.

Представленные “функции отклика” в виде коэффициентов антропогенного влияния, зависят от масштабов водохозяйственных мероприятий на водосборах, что позволяет использовать их для оценки существующего и возможного состояния ресурсов подземных вод в различных водохозяйственных ситуациях.

Ключевые слова: подземный сток, главные компоненты, стохастические модели, функции отклика, водохозяйственные мелиорации.

O. I. Shamenkova. Influence of anthropogenic factors on the groundwater flow of the rivers in the zones of excessive and insufficient