CC BY
27НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Гидрометеорология и экология № 4 2016
УДК 556.13(476)
Доктор геогр. наук А.А. Волчек 1
ОЦЕНКА ИЗМЕНЕНИЯ СТОКА РЕКИ ВИЛИИ НА ТЕРРИТОРИИ БЕЛАРУСИ
Ключевые слова: сток, среднегодовой, максимальный, минимальный, летне-осенний, зимний, однородность, изменения, прогноз
Изложены обобщенные результаты исследований колебаний стока р. Вилии за период инструментальных наблюдений. Сделан вывод о неоднородности во временных рядах стока обусловленный как естественно-климатическими, так и антропогенными изменениями гидрологического цикла. По створу с. Михалишки гидрологические ряды наблюдений приведены к бытовому стоку, средний многолетний расход составляет - 59,7 м3/с, максимальный -1570 м3/с, наименьший летне-осенней межени - 22,0 м3/с, зимней межени - 17,3 м3/с, экологический сток - 21,1 м3/с. Приведены прогнозные оценки изменения стока по сценариям развития климата А1В: прогнозируется некоторое увеличение зимнего и уменьшение летнего стока, при этом произойдет некоторое изменение гидрографа весеннего половодья в сторону увеличения максимальных расходов и продолжительности самого половодья; В1 отмечается некоторое уменьшение максимальных расходов весеннего половодья, но при этом произойдет некоторое увеличение времени спада нисходящей ветви гидрографа. В летние месяцы сток существенно не изменится. При возникновении возможных дефицитных периодов в качестве компенсационных мер могут быть использованы водные ресурсы Вилейского водохранилища.
Введение. Водным ресурсам присуща динамика, а их комплексное и рациональное использование невозможно без прогноза колебаний и изменений во времени. Характер колебаний водных ресурсов определяется климатическими факторами, но, начиная со второй половины 20 века, роль антропогенной составляющей в ряде случаев становится соизмеримой с природными воздействиями. Таким образом, можно констатировать, что
1 Брестский ГТУ, Республика Беларусь 32
конец 20 - начало 21 века характеризуется направленной климатической изменчивостью и повышением антропогенной нагрузки на сток рек, особенно малых. Это не могло не сказаться на факторах формирования стока малых рек, их гидрологическом режиме и гидроэкологическом состоянии. Кроме того, воздействие антропогенных факторов на водный режим рек имеет как разнонаправленный характер, так и однонаправленный, что усиливает трансформацию водного режима.
Основные гидрологические характеристики речного стока не являются стабильными величинами. Под влиянием и при участии комплекса разнообразных по генезису и динамике факторов они непрерывно изменяются как по территории, так и во времени. Совокупность этих причин можно разделить на природные и антропогенные, которые различаются характером и последствиями своего влияния на водные ресурсы. Природные причины определяют пространственно-временные колебания водных ресурсов в зависимости от различий в физико-географических условиях, а также под влиянием годового и векового хода климатических условий влияющих на формирование водных ресурсов. Внутригодовые колебания происходят постоянно и последовательно. Вековые колебания происходят сравнительно медленно, распространяются на довольно обширные территории, носят обычно квазипериодический характер и стремятся к некоторой постоянной величине. Исследования показывают, что в историческое время эти отклонения не носили прогрессирующего характера. Периоды похолодания и потепления, засушливые и влажные чередуются во времени и общее состояние водных ресурсов и их качество существенно не изменяются. Главной особенностью естественных причин является то, что происходящие изменения не имеют односторонней тенденции.
Антропогенные причины являются следствием различных видов человеческой деятельности. Они влияют на водные ресурсы и качество вод сравнительно быстро и односторонне, в чем и состоит их главное отличие от природных причин. Виды хозяйственной деятельности, вызывающие изменения количественных и качественных характеристик водных ресурсов, весьма разнообразны, зависят от физико-географических условий территории, особенностей ее водного режима и характера использования.
Современные антропогенные воздействия на водосборах рек достигли ощутимых масштабов, серьезно влияют на речной сток и напрямую от степени освоения и развития той или иной территории. Беларусь относится к странам, где антропогенные воздействия проявляются в изменени-
ях стока. На процесс колебания стока влияют как антропогенные воздействия, так и природные факторы. Поэтому одной из главных задач является оценка степени влияния этих факторов.
Одной из наиболее нагруженных рек в Беларуси является река Ви-лия. Здесь налицо прямое изъятие воды для питания Вилейско-Минской водной системы, а также влияние современных климатических колебаний. Кроме того, планируется забор воды из реки для нужд Белорусской атомной электростанции (БелАЭС). Проблема усугубляется тем, что р. Вилия является трансграничной рекой Беларусь - Литва.
Целью настоящей работы является объективная оценка изменения режима стока р. Вилии в пределах Беларуси в современных условиях и на ближайшую перспективу для двух сценариев развитии экономики и климата сценарии А1В и В1.
Исходные данные и методы исследования. Река Вилия (литовское название Нярис) протекает по территории Беларуси и Литвы, правый приток р. Неман (р. Нямунас) имеет длину 498 км, в пределах Беларуси 264 км. Площадь водосбора 25100 и 11000 км2, соответственно, со среднегодовым расходом воды в устье около 186 м3/с, средний уклон водной поверхности 0,3 %о. Река берет свое начало из небольшого болота в 1 км северо-восточнее д. Великое Поле Докшицкого района пересекает границу с Литвой в 2 км северо-западнее д. Жернели Островецкого района, впадает в р. Неман на территории Литвы около г. Каунаса. Основные правые притоки на территории Беларуси: Сервич, Нарочь, Стреча; левые притоки: Двиноса, Илия, Уша, Ошмянка. На реке создано Вилейское водохранилище, часть воды из которого по Вилейско-Минской водной системе перекачивается в р. Свислочь. Долина р. Вилии извилистая, хорошо развитая, в верхнем течении шириной 1...3 км, ближе к устью сужается до 0,2...0,4 км. Почти на всем протяжении террасы. Пойма в верхнем течении в основном заболоченная, шириной 200.400 м, ниже прерывистая, шириной 50.70 м, местами до 600 м, на участке между деревнями Стахи и Роздоры Вилейского района много стариц. Русло реки в верховье сильно извилистое, шириной от 1 до 2 м, около устья р. Ушы достигает 40.60 м, местами до 100 м. До впадения р. Болошенки 60.70 м. На реке много островов, осеродков, встречаются порожистые участки. Берега крутые, в верховье торфянистые. Весеннее половодье начинается в конце марта и продолжается около 50 суток. Режим отличается интенсивным весенним половодьем (около 45 % годового стока) и низким стоянием воды в летнюю межень. После ввода в эксплуатацию
Вилейского водохранилища уровенный режим и расход воды ниже плотины в пределах Беларуси зарегулирован. Замерзание реки в верхнем течении наступает в начале декабря, в среднем и нижнем течении в конце декабря начале января. Ледоход на реке начинается во второй декаде марта от устья до верховья. Средняя температура воды летом 18...20 оС. На р. Вилии расположены города Вилейка, Вильнюс и Каунас. Почти все притоки Вилии канализированы. Всего в бассейне реки более 40 каналов общей протяженностью около 300 км [15].
Вилейское водохранилище было создано в первой половине 70-х годов прошлого столетия и введено в эксплуатацию в 1975.76 гг. Расположено в Вилейском районе на р. Вилии при слиянии ее с реками Сервич, Илии, Косутки в 5 км восточнее г. Вилейка. Это самый крупный искусственный водоемом в Беларуси. Площадь водного зеркала составляет 63,8 км2, длиной 27 км и наибольшей шириной 3 км при максимальной глубине 13 м. Длина береговой линии 137 км, объем воды 238 млн. м3, площадь водосбора составляет 4120 км2. Распределение воды осуществляется следующим образом: сброс через плотину в р. Вилию около 75 %, в Вилейско-Минскую водную систему - 20 % и другие нужды 5 % [15].
Одной из задач исследования явилась оценка стационарности временных рядов стока р. Вилии с различной степенью антропогенной нагрузки. Для этих целей использованы временные ряды стока (годового, максимального, минимального летне-осеннего и минимального зимнего) р. Вилии в створах д. Стешицы (площадь водосбора А = 1230 км2 и периодом наблюдений с 1951 по 2014 гг.); г. Вилейка (А = 4190 км2 и периодами наблюдений с 1949 по 1974 гг., с 1976 по 1979 гг. и с 1981 по 2014 гг.); д. Михалишки (А = 10300 км2 и периодом наблюдений с 1946 по 2014 гг.) любезно представленные Брестским областным центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Для удобства расчетов и сопоставимости полученных результатов принят единый расчетный период с 1946 по 2014 гг. продолжительностью 69 лет. Пропущенные и недостающие данные были восстановлены с помощью компьютерного программного комплекса «Гидролог» [3] с привлечением рек-аналогов согласно требованиям [12]. Как правило, для решения задачи восстановления пропущенных данных используются парные линейные уравнения регрессии вида:
<2(1 )=а )+Ь, (1)
где а и Ь - эмпирические коэффициенты.
Значения коэффициента корреляции при 60 совместных годах наблюдений колебались в пределах г = 0,65.0,95, что значительно больше критического значения равного гкр = 0,25.
Систематическое преуменьшение дисперсий исключалось путем дополнительного расчета погодичных (Qi) значений по формуле [12]
^^ + Qn^, (2)
где Qi - погодичные значения гидрологической характеристики, рассчитанное по уравнению регрессии; Qn[ среднее значение гидрологической
характеристики за совместный период наблюдений.
В настоящее время все практические методы гидрологических и водохозяйственных расчетов базируются на принятии гипотезы стационарности естественного процесса многолетних колебаний годового стока, т.е. возможности переноса режимных характеристик определенных в прошлом в будущее в их неизменном виде. Это подтверждает опыт проектирования и эксплуатации многочисленных гидротехнических и водохозяйственных объектов.
Для оценки влияния антропогенных воздействий и природных факторов на сток, исходные временные ряды расходов воды анализировались за различные интервалы осреднения: с 1946 по 2014 гг. (весь период наблюдения, 69 лет); с 1946 по 1976 гг. (период до введения в строй Вилейского водохранилища, 31 год); с 1977 по 2014 гг. (период функционирования Вилейского водохранилища, 38 лет); с 1977 по 1987 гг. (период функционирования Вилейского водохранилища до начала современного потепления климата, 11 лет); с 1988 по 2014 гг. (период функционирования Вилейского водохранилища при современном потеплении климата, 27 лет).
При статистическом анализе временных рядов стока использованы следующие методики:
- для выявления тенденций изменений стока использовались хронологические графики колебаний, разностные интегральные кривые и линейные тренды;
- для оценки различий в статистических параметрах использовался критерий Стьюдента и критерий Фишера:
- °2
/П, О,2 + п2 - О?2
П • п2 -(п + щ -2) (3)
П + п2
О2
Р = °тт, (4)
О22
где <1, 22 - выборочные средние; (Г1 и О2 - выборочные дисперсии; п1 и п2 - объемы выборок.
Полученное значение ^ критерия Стьюдента и Р - критерия Фишера сравнивалось с их критическими значениями при заданном уровне значимости а = 5 %. Если t > ta, принимается гипотеза статистического
различия двух выборочных средних, а при Р > Ра принимается гипотеза
статистического различия в колебаниях рассматриваемых рядов.
При использовании водных ресурсов необходимо обеспечить экологическую устойчивость речных водосборов. Основными элементами, характеризующими возможности эффективного использования речного стока, являются лимитирующие расходы и соответствующие им минимальные уровни воды в периоды летне-осенней и зимней межени. Эти расходы и уровни воды являются одними из определяющих параметров в течение года, как по условиям функционирования водных экосистем, так и по условиям водопотребления и водоотведения. При изъятии части речного стока в реке должен оставаться необходимый его объем, обеспечивающий нормальное функционирование водной экосистемы, и поддерживающий способность речной системы к самовосстановлению.
В настоящее время нет единого подхода для оценки характеристик стока, необходимого для поддержания хорошего экологического статуса водных объектов. В водохозяйственной практике принято, что экологическая безопасность реки обеспечивается сохранением в ней расхода воды в размере 75 % от минимального среднемесячного расхода, в год 95 % вероятности превышения [13]. В Европейском Союзе, начиная с 2000-х годов, дополнительными условиями для экологического функционирования речных экосистем признаются требования по обеспечению условий проточности. Это связано с определенными требованиями к скоростному режиму потока и связанными с ними русловыми процессами, включая заиление и транспорт наносов.
Оценка экологического стока должна включать не только минимальные значения, но и учитывать внутригодовое распределение стока и
изменчивость по годам. Рассматривая более простую реализацию способа переноса обеспеченностей [14], при котором принимаются следующие
перех°ды: о5* > ^, 0э7к5 > ^, О15к > оМес. шлугены значения ж°л°-гического стока для трех основных расчетных обеспеченностей. Возможно два близких варианта выбора перехода обеспеченностей:
• 25% ^ 5%, 50% ^ 25%, 99% ^ 95%;
• 25% ^ 5%, 75% ^ 50%, 99% ^ 95% .
Первый вариант ближе к методу перехода предложенному в [10], только с добавлением одной точки 25% ^ 5% . Второй вариант составлен в большей степени интуитивно, но при этом базируется на подходах описанных выше.
Как и в случае с минимальным месячным стоком, наиболее эффективно описывает исходные данные функция плотности распределения случайной величины Крицкого-Менкеля. Для оценки параметров данной функции решается система дифференциальных уравнений:
1
_{г(у+ь) дл
е
1 - 0,95 = |
0
О 50% I 1 - 0,25 = |
0
О25.
1 - 0,05 = |
у Л ь
1
Г(у+ь) _ _
г(у) I О• ь•г(у)^О,
д
у1 ь
г(у) о
йд
О25% I
Г(у+ь) _ _
г(у) I О• ь•г(у)^О
у
( д Л ь
Г(у+ь) _ _
г(у) I О• ь•г(у)^О
Г(г+ь) д Ль Г(у) О
Г(г+ь) д Ль Г(у) О
йд
йд
(5)
/
где ь, у, О - искомые параметры распределения случайной величины
расхода воды; Г (у) - гамма-функция; Ор% - расход воды в водотоке
Р% -ой обеспеченности, м3/с.
Аналогичное уравнение составляется и для второго варианта переноса обеспеченностей. Решая уравнения, получаем две функции плотности распределения экологического стока. Как видно на рис. 1, для экологического стока кривая несколько сместилась влево и приобрела вид близкий к нормальному закону распределения. Корме этого, используемые два варианта переноса обеспеченностей дали сходные результаты.
Для прогнозных оценок изменения водности р. Вилии адаптирован метод гидролого-климатических расчетов (ГКР), предложенный
у
-1
ь
е
е
0
В.С. Мезенцевым, основанный на совместном решении уравнений водного и теплоэнергетического балансов [11]. Положив в основу гидролого-климатическую гипотезу В.С. Мезенцева [11], нами разработана многофакторная модель, включающая стандартное уравнение водного баланса участка суши с независимой оценкой основных элементов баланса (атмосферные осадки, суммарное испарение и климатический сток) в годовом разрезе. Разработанная модель использована для оценки возможных изменений водных ресурсов рек в зависимости от тех или иных гипотез климатических колебаний и антропогенных воздействий на характеристики водосборов.
Рис. 1. Кривые плотности распределения среднегодового стока (сплошная синяя) и экологического стока (штриховая черная и сплошная красная).
Уравнение водного баланса речного водосбора за некоторый промежуток времени имеет вид:
Ук (I) = Н (I) - Е (I) ±ДЖ (I), (6)
где Ук (I) - суммарный климатический сток, мм; Н (I) - суммарные ресурсы увлажнения, мм; Е^) - суммарное испарение, мм; ДЖ (I) - изменение влагозапасов деятельного слоя почвогрунтов, мм; I - интервал осреднения.
Суммарное испарение находится по формуле:
Е( I) = Ет (I)
1 +
( Ет ^) + у а)1-г(/) ^
п( I )'
кх (I) + я (I)
Ж
+у (I)
НВ
1
"ПО)
(7)
где Ет (I) - максимально возможное суммарное испарение, мм; Жнв -наименьшая влагоемкость почвы, мм; V(I) = Ж(I) / Жнв - относительная влажность почвогрунтов на начало расчетного периода; КХ (I) - сумма измеренных атмосферных осадков, мм; g(I) - грунтовая составляющая водного баланса, мм; г(!) - параметр, зависящий от водно-физических свойств и механического состава почвогрунтов; п(!) - параметр, учитывающий физико-географические условия стока.
Относительная влажность почвы на конец расчетного периода определяется из соотношений
Г ^ (I) Лг (()
V (I +1) = V (I) •
_ср
V
V (I)
Ур (I)=
_1
Г КХ (I) + g (I) + V ^ )
Жнв
Ет (^ ) + V (I )1-г (7 )
(8)
(9)
Полученные значения Vcp (I) сравнивают с относительной величиной полной влагоемкости VПВ . Если Vcp (I) £ VПВ, то принимается расчетное значение относительной средней влажности, в противном случае, когда Vcp (I) > VПВ к расчету принимается Vcp (I) = VПВ, разница
(Уср (I) - VПВ)• ЖНВ относится к поверхностному стоку.
Величина атмосферных осадков в месяцы холодного периода за вычетом величины суммарного испарения переносится на период половодья, т.е. на март.
Максимально возможное суммарное испарение находится по методике, описанной в работе [4].
Суммарные ресурсы увлажнения определяются следующим образом:
Н (I) = КХ (I) + Жнв (V (I) - V (I +1)). (10)
Решение системы уравнений (6) - (10) осуществляется методом итераций до тех пор, пока значение относительной влажности почвогрун-тов на начало расчетного интервала не будет равно значению относительной влажности на конец последнего интервала. При расчете начальное значение влажности принимается равным значению наименьшей влагоём-
кости, т.е. Ж(1) = Жнв, откуда V(1) = 1. Сходимость решения метода ГКР достигается уже на четвертом шаге расчета.
Корректировка климатического стока осуществляется с помощью коэффициентов, учитывающих влияние различных факторов на формирование руслового стока, т.е.
Ур (I)=т •Ук (I), (11)
где УР (I) - суммарный русловой сток, мм; к (I) - коэффициент, учитывающий гидрографические характеристики водосбора.
Моделирование водного баланса исследуемой реки реализовано в виде компьютерной программы и осуществляется в два этапа. На первом этапе производится настройка модели по известным составляющим водного и теплового балансов исследуемой реки. При настройке модели преследуется цель достичь наибольшего соответствия рассчитанного климатического и руслового стоков. Первый этап заканчивается построением графиков климатического и руслового стока и выводом ошибки моделирования.
Хорошее совпадение измеренного и рассчитанного стока свидетельствует о корректности модели. Полученные параметры модели использованы при проведении численного эксперимента.
Второй этап представляет собой непосредственный расчет водного баланса исследуемой реки, используя параметры, полученные при калибровке модели. Расчет элементов водного баланса исследуемой реки производится с учетом конкретных особенностей рассматриваемого водосбора [7].
Результаты моделирования свидетельствуют о высокой точности расчета водного баланса как для практического применения, так и для теоретических исследований, что проверено на большом количестве рек Беларуси с площадью водосбора около 1000 км2, на которых ведутся гидрометрические наблюдения. Таким образом, программа «Баланс» при наличии данных об атмосферных осадках, температуре воздуха, дефиците влажности воздуха на расчетный период и современные значения стока воды реки, а также гидрографических характеристик водосбора позволяет получить прогнозные оценки водного баланса малых рек Беларуси на расчетную перспективу.
Решение уравнения водного баланса для водосбора связано с определением среднего значения тех элементов, наблюдения за которыми ведутся в отдельных точках водосбора. Поэтому одной из главных составляющих моделирования водного режима является корректная оценка климатических характеристик и их осреднение по водосбору. Это, в свою
41
очередь, вызывает необходимость интерполяции и осреднения используемых величин. Применяемые в настоящее время методы оценки среднего значения того или иного балансового элемента на водосборе, по существу, являются вариантами способа нахождения среднего взвешенного. Методы осреднения, как правило, отличаются лишь в части приемов оценки весовых коэффициентов; однако, учету основных факторов формирования балансовых элементов уделяется недостаточное внимание.
Пространственно-временное распределение атмосферных осадков зависит от направления движения циклонов, положения фронтальных разделов, происхождения и мощности воздушных масс, от рельефа местности, экспозиции склонов и ряда других факторов.
Каждый бассейн имеет различную конфигурацию, специфическое строение поверхности с присущей ей гаммой индивидуальных свойств. Поэтому распределение величин осадков и стока по реальным периодам на реальных территориях, как правило, пестрое, а их, так называемые, поля уже в силу этого - неоднородные и анизотропные.
В качестве исходной функции распределения гидрометеорологической характеристики в речном бассейне принимается функция х(р, 1, Н) заданная в табличном виде, в которой 1, р - принимаемые прямоугольные координаты (географическая широта, долгота) расчетного пункта, Н - абсолютная отметка поверхности земли в данном пункте. На основе теоремы Вейерштрасса возможно аналитическое выражение исходной функции распределения гидрометеорологической характеристики, ранее заданной в табличном виде. Это приводит к замене точечных данных наблюдений аппроксимирующей функцией трехмерной нелинейной (полиномиальной) интерполяции.
Нами, на материалах Беларуси, выполнено, с использованием аналогичного подхода, исследование связей климатических характеристик с определяющими их факторами. При этом, использован дифференцированный подход к учету в структуре регрессионной модели трех групп формирующих факторов. Во-первых, - фоновых факторов, определяемых глобальными влагопереносами в атмосфере и, естественно, участвующими в формировании климатических характеристик над всей рассматриваемой территорией. Во-вторых, - региональных факторов, влияющих на ограниченной территории, охваченной инструментальными наблюдениями. В-третьих, - местных факторов, оказывающих свое влияние на режим кли-
матических характеристик в пределах ограниченной и не охваченной инструментальными наблюдениями территории [2].
В зависимости от точности описания структуры месячных норм климатических характеристик, могут использоваться различные регрессионные уравнения. Так, нормы климатических характеристик за различные интервалы осреднения (месяц, сезон, год) в первом приближении, могут быть оценены по линейным регрессионным зависимостям типа [1]:
X] = a1J +а2] 1 + аЪ] • Н + а0у, (12)
где Х1 - месячная (сезонная, годовая) норма ЭВБ в расчетном пункте, мм;
- условные прямоугольные координаты (широта, долгота) расчетного пункта, принимаемые, относительно некоторого пункта, км; Н - абсолютная отметка поверхности земли (в Балтийской системе) в расчетном пункте, м; а1 ■, а2, а3, а0- коэффициенты частных уравнений регрессии для оценки норм климатических характеристик за различные интервалы осреднения.
Зная значения климатических характеристик, можно определить средний их слой для водосборного бассейна по выражению:
_ 1 $21Н2
Ха =--Щ X(<р,Я, Н, (13)
А • АН л тт
где А - площадь водосбора, км; - координаты крайних точек
водосбора, м; АН = Нтах — Н т1П - разность максимальной и минимальной
абсолютных отметок поверхности водосбора, м.
Методика имитационного моделирования апробирована автором практически на всех основных климатических характеристиках. Это дало возможность привлечь дополнительно большой объем гидрометеорологической информации о возможных вариантах значений и изменений, случайных величин входящих в балансовые уравнения.
При настройке моделей по предлагаемой методике возникли проблемы с определением параметров для зимних месяцев. Дело в том, что модель недостаточно точно учитывала участившиеся в последнее время оттепели. Поэтому нами проведена корректировка модели, учитывающая оттепели. Полученная при настройке модели разница между русловым и климатическим стоком относилась к стоку, сформировавшемуся во время оттепелей, которая фиксировалась в настройках модели. При прогнозиро-
вании стока будущего эта составляющая добавлялась непосредственно к стоку, а ее величина отнималась от атмосферных осадков соответствующего месяца и на период половодья переносились осадки за вычетом суммарного испарения и стока в период оттепелей. Причем величина стока в период оттепелей корректировалась с учетом прогнозируемой температуры соответствующего месяца. В первом приближении величину этого стока можно принять из соотношения месячных температур воздуха и величины стока, в период оттепелей полученной при настройке модели.
Прогнозные оценки изменения стока р. Вилии в створе с. Михалишки осуществлялись по следующей схеме. Настраивалась модель по средним многолетним данным по речному стоку, атмосферным осадкам, температуре воздуха и дефициту влажности воздуха. Полученные параметры сохранялись в памяти машины. Затем вводились прогнозные величины для соответствующей перспективы по тем метеостанциям, которые были использованы при настройке модели. Считывались параметры настройки модели, и осуществлялась прогнозная оценка. Полученные значения климатического стока сравнивались между собой по соот-у пР■
ношению А = -100%.
кл. Т/' СОв.
кл.
Полученные результаты и их анализ. На рис. 2 представлен хронологический ход годовых, максимальных, минимальных летне-осенних и минимальных зимних расходов воды р. Вилии на трех гидрологических постах: у д. Стешицы, г. Вилейка и с. Михалишки. Как видно на графиках имеет место уменьшение годового стока в створе с. Михалишки, г. Вилейка и неизменный сток в створе д. Стешицы. В первых двух случаях это обусловлено изъятием стока в ВМВС, а в створе находящемся выше водохранилища заметных изменений не произошло. Для максимального стока по всей реке наблюдается существенное снижение максимальных расходов воды. Это обусловлено природными факторами (повсеместно на территории Беларуси наблюдается снижение максимальных расходов воды весеннего половодья [8, 9]. Общая тенденция изменения минимального стока на территории Беларуси это повсеместное увеличение зимнего стока, вызванное современным потеплением в холодный период. Это вызывает частые оттепели и повышение стока, летний сток не изменился за исключением Полесья, где произошло некоторое повышение стока, вызванное крупномасштабными мелиорациями и сработкой вековых запасов грунтовых вод верхних горизонтов [5]. Колебания минимального стока, в
створах г. Вилейка и с. Михалишки, как в летне-осенний, так и в зимний период определены режимом работы водохранилища и носят предсказуемый характер.
а
Q, м /с
100 80 60 40 20 о
Лг
1940 19"0 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Год
б
Q, м3/с
70 г 60
40 30 20 10
0
w^JUvwm^
, ■ " ---
1980
Год
Рис. 2. Хронологический ход стока р. Вилии в различные сезоны года. - годовой сток, б - максимальный сток, с - минимальный летне-осенний сток, д - минимальный зимний сток. 1 - Вилейка, 2 - Стешицы,
3 - Михалишки.
д
а
В табл. 1 представлены выборочные оценки основных статистических параметров рассматриваемых временных рядов стока за различные периоды осреднения. Эмпирические кривые обеспеченности для всех периодов осреднения соответствуют трёхпараметрическому гамма-распределению, а соотношение коэффициента асимметрии (С*) к коэффициенту вариации (Су), как правило, не превышает С* = 1...2СУ. Поскольку функция распределения вероятностей стока при таких оценках параметров незначительно отличается от функции нормального распределения, применение параметрических критериев для проверки статистических гипотез можно считать допустимым. Гистограммы, построенные для рассматриваемых расходов воды, свидетельствует, что распределение близко к нормальному.
Таблица 1
Статистические параметры расходов воды р. Вилии за различные периоды
осреднения
Вид стока
средний максимальны минимальный минимальный
годовой й летне-осенний зимний
Парамет Стешицы Вилия Михалишки Стешицы Вилия Михалишки Стешицы Вилия Михалишки Стешицы Вилия Михалишки
0СР Период осреднения 1946... 2014 гг.
8,27 24,0 63,7 61,6 152 319 3,73 8,81 32,1 4,16 8,80 30,7
С 0,19 0,27 0,19 0,72 1,09 0,88 0,22 0,30 0,19 0,31 0,30 0,34
С 1,11 0,47 0,35 1,90 2,32 2,67 0,95 -0,52 0,95 0,67 -0,52 0,88
бр=5% 11,4 32,8 72,1 147 507 872 5,17 12,2 38,2 6,48 12,2 48,3
бр=10% 10,5 30,4 68,9 117 360 659 4,75 11,2 36,9 5,84 11,2 43,0
Qp=90% 6,58 18,2 55,8 23,3 24,9 94,5 2,91 6,80 28,3 2,71 6,79 20,5
бр=95% 6,32 16,9 53,4 18,5 16,3 72,2 2,76 6,43 27,3 2,42 6,43 18,5
бср Период осреднения 1946... 1976гг.
8,09 27,5 67,6 79,2 255 463 3,51 8,25 31,6 3,59 8,25 29,3
СУ 0,19 0,23 0,18 0,72 0,79 0,77 0,22 0,36 0,20 0,29 0,36 0,33
С* 1,05 0,08 0,38 1,27 1,37 1,77 1,86 -1,40 1,43 0,36 -1,40 1,44
Вид стока
средний максимальны минимальный минимальный
о. годовой й летне-осенний зимний
р е I ра С Стешицы Вилия Михалишки Стешицы Вилия Михалишки Стешицы Вилия Михалишки Стешицы Вилия Михалишки
QР=5% 9,78 37,5 80,5 207 689 1234 4,89 13,1 43,6 5,10 13,1 46,6
6р=10% 9,39 35,0 77,1 161 534 953 4,49 11,6 40,1 4,69 11,6 41,2
Qp=90o% 7,07 21,0 59,7 25,9 86,0 166 2,74 5,88 24,8 2,67 5,88 21,0
QР=95% 6,82 19,4 57,7 19,9 66,0 131 2,59 5,45 23,5 2,46 5,45 19,5
QCP Период осреднения 1977- 2014 гг.
8,43 21,2 60,5 47,3 67,5 202 3,91 9,27 32,5 4,62 9,26 31,7
С 0,19 0,24 0,18 0,49 0,51 0,48 0,20 0,25 0,18 0,29 0,25 0,35
С 1,16 0,71 0,16 0,33 0,59 1,43 0,46 1,08 0,51 0,56 1,09 0,55
QР=5% 10,2 29,1 71,4 93,2 134 402 5,42 13,0 38,4 6,55 13,0 49,9
QР=10% 9,80 26,9 68,9 80,3 114 334 4,98 11,9 37,1 6,02 11,9 45,0
QР=90% 7,38 16,4 53,2 21,0 31,5 109 3,03 7,28 28,7 3,47 7,27 21,0
QР=95% 7,11 15,5 51,3 16,4 25,6 94,9 2,85 6,90 27,4 3,22 6,89 18,8
Qср Период осреднения 1977- 1987 гг.
8,26 21,1 61,2 60,1 78,3 237 4,34 7,02 34,4 4,00 7,02 29,0
С.V 0,15 0,18 0,15 0,33 0,45 0,40 0,15 0,24 0,14 0,33 0,24 0,32
С> -0,21 -0,39 -0,77 0,02 -0,24 2,59 0,33 -0,29 1,15 0,26 -0,29 0,49
QCP Период осреднения 1988 - 2014 гг.
8,50 21,2 60,2 42,1 63,2 188 3,74 10,2 31,8 4,87 10,2 32,8
С 0,21 0,26 0,20 0,54 0,53 0,51 0,21 0,19 0,19 0,26 0,19 0,36
С 1,24 0,83 0,34 0,65 0,99 1,31 0,81 2,92 0,60 0,91 2,90 0,47
Примечание: Q приведено в м3/с.
Анализ однородности рядов стока. Рассмотрим устойчивость выборочных статистик (средних, коэффициентов вариации) для периодов осреднения 1946.1976 гг. и 1977.2014 гг. (оценка влияния ВМВС) и 1977. 1987 гг. и 1988.2014 гг. (до и в период современного потепления климата) применительно к анализируемым видам стока и створам
р. Вилии. В табл. 2 приведены матрицы статистических критериев Стью-дента (t) и Фишера (F).
Таблица 2
Статистические критерии для различных интервалов осреднения и видов стока р. Вилии в исследуемых створах
Период Створ
д. Стейшицы г. Вилейка с. Михалишки
t F t F t F
Годовой
1946. .1976 - 1977. .2014 0,90 1,19 4,56 1,50 2,50 1,29
1977. 1987 - 1988. .2014 0,47 2,06 0,04 2,06 0,28 1,25
Максимальный
1946. .1976 - 1977. .2014 2,93 6,00 5,13 34,4 3,93 13,7
1977. 1987 - 1988. .2014 1,21 1,33 1,21 1,12 1,45 0,53
Минимальный летне-осенний
1946. .1976 - 1977. .2014 2,13 1,55 1,57 1,55 0,62 1,27
1977. 1987 - 1988. .2014 2,43 1,43 5,04 1,38 1,61 1,61
Минимальный зимний
1946. .1976 - 1977. .2014 3,67 1,79 1,55 1,55 0,96 1,34
1977. .1987 - 1988. .2014 1,85 1,10 5,02 1,39 1,06 1,61
Примечание: Выделенные значения статистически значимы.
Рассмотрим изменение стока р. Вилии, вызванное строительством ВМВС, т.е. сравним изменения происшедшие со стоком за периоды 1946... 1976 гг. и 1977.2014 гг.
Как показал совместный анализ табл. 2 и 3 средний годовой сток на р. Вилии в створах г. Вилейка и с. Михалишки, за рассматриваемые периоды, уменьшился на 6,3 и 7,2 м3/с соответственно, причем различия являются статистически значимыми. Это обусловлено изъятием воды в ВМВС. В створе д. Стейшицы имеет место тенденция увеличения среднего годового стока. Увеличение составляет 0,34 м3/с. Хотя величина статистически не значима, тенденция вызвана мелиорацией, как и на территории Полесья [8]. Как показал анализ дисперсий, изменений в структуре колебания среднегодового стока р. Вилии не отмечается, значения F -критериев не превышали критических. Максимальные расходы воды существенно уменьшились и составили 31,9; 187,5; 261 м3/с соответственно, при этом изменился характер и существенно уменьшилась амплитуда колебаний. Это вызвано наполнением водохранилища в этот период и частыми зимними оттепелями. Минимальный летне-осенний сток реки увеличился во всех рассматриваемых створах и составил - г. Вилейка и с. Михалишки 1,02 и 0,9 м3/с (статистиче-
ски не значимо) соответственно, и определено планом управления водохранилищем, то статистически значимое увеличение стока в створе д. Стейшицы равное 0,4 м3/с вызвано мелиоративными воздействиями [8]. Характер колебаний минимального летне-осеннего стока, судя по F -критериям, существенных изменений не претерпел по всем рассматриваемым створам. Аналогичная картина произошла и с минимальным зимним стоком. Увеличение стока составило 1,03, 1,01 и 2,4 м3/с соответственно. В створе д. Стейшицы увеличение произошло, причем статистически значимо, вследствие зимних оттепелей, выше водохранилища помимо климатического фактора, решающую роль сыграл антропогенный фактор - попуски воды из водохранилища. Характер колебаний минимального зимнего стока существенных трансформаций не претерпел.
Определенный интерес представляет оценка изменения стока при современном потеплении климата. С этой целью сравнивались два периода: 1977. 1987 гг. (ввод в эксплуатацию водохранилища до начала современного потепления) и 1988.2014 гг. (начало современного потепления). Как показал анализ, статистически значимых изменений в стоке не произошло. Исключение составил минимальный летне-осенний сток в створах д. Стейшицы и г. Вилейка. В первом случае произошло уменьшение стока на 0,6 м3/с, а во втором - рост на 3 м3/с.
Таким образом, проверка гипотезы об однородности рассматриваемых параметров годового, максимального, минимальных летне-осеннего и зимнего стока для периодов с разными интервалами осреднения основана на использовании критериев Стьюдента и Фишера. Как показал анализ, для некоторых отрезков расхождения в параметрах существенны и могут быть признаны статистически достоверными.
Скорость изменения временных рядов расходов воды р. Вилии в рассматриваемых створах оценивалась с помощью линейных градиентов ( а) численно равных произведению коэффициента регрессии линейных трендов (а ) на 10 лет. Градиент характеризует изменение расхода воды в м3/с за 10 лет. Значения градиентов стока и их значимость с помощью коэффициентов корреляции ( г ) приведены в табл. 3.
Для всего рассматриваемого периода (1946.2014 гг.) статистически значимые линейные отрицательные градиенты имеют место для среднегодовых расходов воды в створах г. Вилейка и с. Михалишки -1,53 и -2,10 м3/с в 10 лет, соответственно. Это вызвано изъятием воды для ВМВС. Во всех створах градиенты максимальных расходов воды отрицательны и статисти-
чески значимые и составляют -10,2, -47,9 -71,9 м3/с за 10 лет, соответственно. Здесь налицо действие двух факторов антропогенного - наполнение водохранилища и природного - современного потепления климата. Для минимального стока статистически значимый положительный градиент наблюдался в зимний период в створе д. Стейшицы и составил 0,24 м3/с за 10 лет, что характерно для всей территории Беларуси [6].
Таблица 3
Статистические параметры линейных трендов изменения расходов воды р. Вилии за различные периоды осреднения
средний годовой
рт
е м а
ра
С
Сток
максимальный
минимальный летне-осенний
минимальный зимний
ы ц
и
а
е т С
л и В
и
к
ш
и
л
а
ы ц
и
ш е т С
л и В
и
к
ш
и
л
а
ы ц
и
а
е т С
л и В
и
к
ш
и
л
а
ы ц
и
ш е т С
л и В
и
к
ш
и
л
а
Период осреднения 1946.. а 10 -0,02 -1,53 -2,10 -10,2 -47,9 -71,9 0,03 г -0,02 -0,48 -0,35 -0,46 -0,58 -0,51 0,07 Период осреднения 1946. а 10 -0,63 -2,11 -5,62 -23,7 -83,5 -151 -0,02 г -0,38 -0,31 -0,41 -0,38 -0,38 -0,38 -0,02 Период осреднения 1977.. а 10 -0,20 0,16 -0,33 -7,06 -0,24 -12,8 -0,34 г -0,13 0,04 -0,03 -0,34 -0,01 -0,15 -0,47 Период осреднения 1977. а-10 -2,36 -3,86 -12,7 17,1 16,6 -52,3 -1,22 г -0,64 -0,33 -0,47 0,29 0,16 -0,18 -0,61 Период осреднения 1988.
а-10 -0,61 0,66 г -0,27 0,09
0,83 -4,51 11,9 0,06 -0,16 0,28
12,5 -0,31 0,10 -0,32
2014 гг. 0,31 0,12 0,23 0,04 1976 гг. -1,59 -0,64 -0,49 -0,09 2014 гг. 1,40 -0,13 0,66 -0,02 1987 гг. 3,38 -4,39 0,67 -0,30 2014 гг. 0,82 2,27 0,33 0,29
0,24 0,31 0,37 0,23
0,95 0,18
-0,24 -1,56 -0,63 -0,21 -0,49 -0,06
0,24 0,20
1,39 2,94 0,66 0,30
-0,11 3,38 0,17
-0,03 0,67 0,01
-0,11 0,80 4,75
-0,07 0,32 0,32
Примечание: Выделенные значения статистически значимы.
Для периода наблюдений (1946.1976 гг.) наблюдается повсеместное снижение стока. Статистически значимо уменьшился среднегодовой сток в створах д. Стейшицы и с. Михалишки, градиент -0,63 и -5,62 м3/с в 10 лет соответственно; максимальный сток во всех створах: -23,7, -83,5, -151 м3/с в 10 лет; минимальный сток как летне-осенний, так и зимний статистически значимо уменьшился в створе г. Вилейка и составил -1,59 и -1,56 м3/с в 10 лет соответственно.
В период с 1977 по 2014 гг. (время функционирования ВМВС) преобладает тенденция уменьшения стока. Статистически значимо уменьшался максимальный и минимальный летне-осенний сток в створе д. Стейшицы -7,06 и -0,34 м3/с в 10 лет, соответственно. Статистически значимое увеличение градиента минимального стока в створе г. Вилейка вызвано особенностями управления водным режимом водохранилища.
В период с 1977 по 1987 гг. (период работы водохранилища до начала современного потепления) наблюдалось преобладание уменьшения градиента стока, повторяя, как правило, предыдущий период.
В период современного потепления климата статистически значимых градиентов не наблюдалось. Это обусловлено влиянием водного режима водохранилища.
Таким образом, в результате выполненного анализа во временных рядах стока р. Вилии установлена статистическая неоднородность, т.е. в бассейне реки имеет место интенсивная хозяйственная деятельность, существенно нарушающая естественный гидрологический режим.
Современные статистические оценки стока р. Вилии -с. Михалишки. Для рек, в бассейнах которых имеет место интенсивная хозяйственная деятельность, существенно нарушающая естественный гидрологический режим, определение расчетных гидрологических характеристик производят по двум расчетным схемам [12]:
- приведение гидрологических рядов наблюдений к естественным однородным стационарным условиям;
- гидрологические ряды наблюдений приводят к бытовому стоку за весь период наблюдений в предположении, что сложившийся комплекс хозяйственной деятельности с учетом реальных планов развития народного хозяйства действовал с начала наблюдений.
В нашем случае целесообразно воспользоваться второй схемой. Для оценки водных ресурсов р. Вилии на территории Беларуси необходимо получить параметры временных стоковых рядов в створе с. Михалишки. Как видно из данных табл. 2, нарушение в однородности временных рядов стока р. Вилии в створе с. Михалишки имеет место для среднегодовых и максимальных расходов воды. Восстановление стока за весь период наблюдений произведен методами регрессии в период с 1946 по 1976 гг., а в качестве реки-аналога использован створ д. Стейшицы на р. Вилли. Восстановленные ряды проверялись на однородность с использованием статистических методов. Определение основных расчетных гид-
рологических характеристик производились по данным за весь период наблюдений (1946.2014 гг.) без введения поправок на хозяйственную деятельность табл. 4. При этом, для среднегодовых расходов воды использовалось распределение Пирсона III типа, а для максимальных расходов воды - трехпараметрическое гамма распределение Крицкого-Менкеля, которые рекомендуются [12]. Минимальные расходы воды не требуют восстановления, так как попуски воды из водохранилища в маловодья регулировались в рамках естественного стока.
Таблица 4
Статистические параметры характерных расходов воды р. Вилии в створе с. Михалишки за расчетный период 1946.2014 гг.
Сток
Параметр средний годовой максимальный минимальный летне-осенний минимальный зимний
Qp, м3/с 59,7 262 32,1 30,7
0р=1% , м3/с 89,1 973 41,9 59,8
QP=5% , м3/с 78,9 621 38,2 48,3
QP=10%, м3/с 73,9 490 36,9 43,0
QP=25% , м3/с 71,4 413 34,5 35,9
QP=50% , м3/с 58,7 222 31,9 29,5
QP=75% , м3/с 55,0 149 29,9 24,3
QP=90% , м3/с 46,9 104 28,3 20,5
QP=95% , м3/с 44,2 84,5 27,3 18,5
QP=99% , м3/с 35,5 58,0 25,7 15,4
C 0,18 0,71 0,19 0,34
CJCV 2,89 2,81 4,95 2,58
Таким образом, полученные обеспеченные величины стока р. Вилия в створе с. Михалишки могут послужить основой для принятия тех или иных управленческих решений.
Экологический сток. Река Вилия и ее притоки имеют важное природоохранное значение для обеспечения благоприятных условий для проходных, полупроходных и других видов рыб, а также для сохранения биологического и ландшафтного разнообразия прилегающих территорий. Литовская часть р. Вилии (Нерис) является зоной «Натура-2000», которая создана для охраны лосося, выдры, речной миноги, горчака и других видов рыб.
Специалистами ЦНИИКИВР с использованием математического моделирования водного режима, с учетом условий проточности по скоростному режиму и анализа расчетных глубин потока р. Вилии в створе с. Михалишки получены значения экологического стока равного 20,8 м3/с. Это соответствует уровню воды - 118,5 м БС при средней скорости течения - 0,4 м/с.
Используя вышеприведенную методику, автором определен экологический и свободный сток р. Вилии в створе р. Михалишки. Так как при приведении рядов стока к однородным условиям использовалась вторая схема, которая учитывает влияние существующих потребителей на водосборе, то экологический и свободный сток определен с учетом этих потребителей (табл. 5).
Таблица 5
Внутригодовое распределение стока р. Вилии в створе д. Михалишки
Водность года
средний маловодный очень маловодный
Месяц естественный экологический свободный естественный экологический свободный естественный экологический свободный
Март 90,9 67,9 22,9 86,5 67,9 18,5 84,9 67,9 16,9
Апрель 128 90,9 37,3 152 90,9 60,9 114 90,9 22,7
Май 67,5 48,0 19,5 54,3 48,0 6,3 59,9 48,0 12,0
Июнь 56,1 28,9 27,2 38,0 28,9 9,1 36,1 28,9 7,21
Июль 44,4 24,3 20,1 49,5 24,3 25,2 30,3 24,3 6,06
Август 35,9 21,1 14,9 30,6 21,1 9,6 26,3 21,1 5,25
Сентябрь 36,2 21,1 15,1 33,3 21,1 12,3 26,3 21,1 5,25
Октябрь 43,6 23,3 20,3 39,5 23,3 16,2 29,1 23,3 5,81
Ноябрь 54,9 25,5 29,4 48,6 25,5 23,1 31,9 25,5 6,36
Декабрь 46,3 28,8 17,6 52,8 28,8 24,0 36,0 28,8 7,18
Январь 40,9 23,4 17,5 41,8 23,4 18,5 29,2 23,4 5,83
Февраль 59,5 21,6 37,9 33,5 21,6 11,9 26,9 21,6 5,38
Год 58,7 35,4 23,3 55,0 35,4 19,6 44,2 35,4 8,82
Внутригодовое распределение экологического стока осуществлялось по процентному распределению естественного стока очень маловодного года р. Вилии в створе с. Михалишки. Полученные результаты тесно коррелируют с результатами других авторов и использованием других методик, поэтому значения экологического стока вполне соответствуют ре-
альным значениям. Как видно из данных таблицы резерв свободного стока в самые маловодные месяцы составляет 5,25 м3/с.
Расчетный экологический сток является величиной условной и зависит от принятой модели расчета. Поэтому реальные данные больших обеспе-ченностей, наблюдаемые на реке могут служить определенным ориентиром при оценке экологического стока. Анализ минимальных расходов воды р. Вилия в створе с. Михалишки за весь период инструментальных наблюдений дал следующие результаты: наименьший расход периода открытого русла составил 22,0 м3/с и наблюдался два раз с 02.07 по 03.07.1954 г.; наименьший расход зимнего периода составил 17,3 м3/с и наблюдался 26.12.1986 г. В табл. 6 представлены результаты анализа особо маловодных периодов за весь период наблюдений р. Вилия в створе с. Михалишки.
Таблица 6
Оценка особо маловодных периодов р. Вилия в створе с. Михалишки
Год Количество суток маловодного периода Дата Среднесуточный расход воды, м3/с
1950 7 4.01 23,4
5.01 22,5
6.01 22,9
7.01 23,5
8.01 23,4
9.01 23,1
10.01 23,1
4 14.01 22,30
15.01 20,70
16.01 21,80
17.01 22,80
1954 1 27.11 22,10
1955 1 1.12 21,40
1961 1 31.12 23,10
1976 2 27.12 23,00
28.12 22,80
1988 1 2.12 23,20
1992 14 15-28.08 23,10
3 1.09 22,50
2.09 22,50
3.09 23,10
2002 2 3.12 21,70
4.12 22,50
Прогнозные оценки изменения стока р. Вилии на территории Беларуси. Водным ресурсам присуща динамика, а их комплексное и рациональное использование невозможно без прогноза колебаний и изменений во времени. Характер колебаний водных ресурсов определяется климатическими факторами, но, начиная со второй половины 20 века, роль антропогенной составляющей в ряде случаев становится соизмеримой с природными воздействиями. Таким образом, можно констатировать, что конец 20 - начало 21 века характеризуется направленной климатической изменчивостью и повышением антропогенной нагрузки на сток рек, особенно малых. Это не могло не сказаться на факторах формирования стока малых рек, их гидрологическом режиме и гидроэкологическом состоянии. Кроме того, воздействие антропогенных факторов на водный режим рек имеет как разнонаправленный характер, что взаимно компенсируется их влиянием, так и однонаправленный, что, в свою очередь, усиливает трансформацию водного режима.
В настоящее время на территории бассейна р. Вилии гидрологический режим водных объектов определяется не только естественными колебаниями метеорологических элементов, но и антропогенными факторами. При этом роль последних с каждым годом усиливается, несмотря на некоторый экономический спад, недоучет их может привести к значительным ошибкам при определении расчетных параметров.
В ходе исследования использовалась климатическая информация, а именно временные ряды наблюдений за температурой воздуха, атмосферными осадками с 1961 по 2010 гг. по метеостанциям, равномерно расположенным по бассейну р. Вилии.
Тенденции изменения метеорологических характеристик в бассейне р. Вилии представлены в работе [16]. В обобщенном виде результаты оценок тенденций метеорологических характеристик по метеостанции г. Вилейка представлены в табл. 7.
Таблица 7
Обобщение результатов расчета метеорологических характеристик в бассейне р. Вилии за период с 1986 по 2010 в сравнении с периодом с
1961.1986 гг.)
Интервал осреднения
5 8 д
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 о
3 6 Г
Изменение температуры воздуха, °С
2,8 2,3 1,5 1,1 0,1 0,4 1,4 0,7 0,0 0,0 0,0 0,5 1,9 0,9 0,8 0,0 0,9
Изменение количества осадков, %
16 22 5 -19 9 14 0 1 -1 4 -18 -12 6 -2 5 -5 1
По рассмотренной методике выполнены прогнозные оценки по р. Вилии в створе с Михалишки для двух сценариев развития климата А1В и В1 в двух вариантах. Первый вариант без учета оттепелей и второй вариант с учетом оттепелей. Детальный анализ изменения стока бассейна р. Неман, в т.ч. и р. Вилии в створе с. Михалишки выполнен в работе [16]. Исходя из анализа полученных прогнозных оценок изменения стока рек бассейна Немана, предпочтение следует отдавать варианту 2. На рис. 3 представлены графические материалы настройки модели прогнозирования стока по 2 варианту.
Сток, мм 40
35
30
25
20
15
10
5
0
; ;
- 1
-- - 2
— . ■. ■
—
■ '
0 1
5
Месяц
б 7
10 11 12
Рис. 3. Измеренный (1) и рассчитанный (2) сток р. Вилии в створе с. Михалишки (результаты настройки модели).
На рис. 4 представлены современные и прогнозные значения речного стока для различных прогнозных климатических сценариев по варианту 2.
120 100
80 Й0 40 20
— 1
— з
ч-— —-
■■- ____
1 3 5 Месяц 7 9 11
Рис. 4. Современный (1) и прогнозные (2 - прогноз А1В, 3 - прогноз В1) гидрографы стока р. Вилии в створе с. Михалишки.
В табл. 8 приведены результаты расчетов прогнозных оценок для различных сценариев климата и двух вариантов модели. Полученные значения стока характеризуют средние многолетние величины. Как видно из данных табл. 8 существенных изменений стока не произойдет, так как прогнозные климатические параметры значимо не изменились. По вариан-
ту А1В прогнозируется некоторое увеличение зимнего и уменьшение летнего стока, при этом произойдет некоторое изменение гидрографа весеннего половодья в сторону увеличения максимальных расходов и продолжительности самого половодья. По сценарию В1 отмечается некоторое уменьшение максимальных расходов весеннего половодья, но при этом произойдет некоторое увеличение времени спада нисходящей ветви гидрографа. В летние месяцы сток существенно не изменится.
Таблица 8
Прогнозные оценки изменения стока р. Вилии в створе с. Михалишки
Параметр Интервал осреднения
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Год
Современный, м3/с 54,2 53,3 81,4 122 69,5 52,4 47,4 45,5 45,4 50,2 55,3 53,1 60,8
Вариант 1
Прогноз А1В, % 135 119 182 181 167 121 160 119 114 122 129 162 135
Прогноз В1, % 145 121 160 158 161 120 132 91 106 145 140 189 145
Вариант 2
Прогноз А1В, % 119 112 99 113 176 110 109 67 70 100 105 115 119
Прогноз В1, % 99 100 103 91 138 129 140 90 106 118 104 118 99
Перспективы новых водопользователей в водосборе. Полученные уточненные гидрологические характеристики стока воды р. Вилии в створе с. Михалишки в той или иной степени учитывают существующую структуру водопотребителей и водопользователей необходимую для принятия обоснованных проектных решений. Одним из важных потребителей в бассейне р. Вилии в ближайшее время станет производственное водоснабжение Белорусской АЭС. Территория Островецкой площадки АЭС располагается в северо-западной части Беларуси в пределах Островецкого района Гродненской области примерно в 2,6.3,0 км юго-восточнее населенного пункта Гоза. Река Вилия рассматривается в качестве основного источника технического водоснабжения Белорусской АЭС. Атомная электростанция с реакторами ВВЭР-1000 представляет собой сложный комплекс производственных зданий и сооружений, технологически связанных между собой. Для обеспечения надежного бесперебойного питания водой необходима постоянная подпитка свежей воды для двух энергоблоков -2,54 м3/с, для четырех энергоблоков - 5,08 м3/с.
При проведении гидрологических изысканий на Островецкой площадке размещения АЭС и оценки воздействия на окружающую среду Белорусской АЭС в 2008... 2009 гг. обоснована общая достаточность водных ресурсов р. Вилии как источника производственного водоснабжения АЭС.
Минимальный расчетный среднемесячный расход 95 % обеспеченности в р. Вилии - с. Михалишки составляет 26,3 м3/с. Следовательно, минимальный допустимый расход воды в р. Вилии после забора воды для производственного водоснабжения Белорусской АЭС при любых гидрологических условиях должен составлять не менее 21,1 м3/с.
При возникновении возможных дефицитных периодов в качестве компенсационных мер могут быть использованы водные ресурсы Вилей-ского водохранилища, которое, исходя из своего большого полезного объема, может рассматриваться как наиболее надежный резервный источник производственного водоснабжения БелАЭС.
Анализ планируемого на перспективу изъятия воды из Вилейского водохранилища для целей перекачки по ВМВС и для других водопользователей позволил специалистам ЦНИИКИВР сделать вывод о целесообразности и принципиальной возможности использования Вилейского водохранилища в качестве основного резервного источника производственного водоснабжения Белорусской АЭС. Существенный фактор, который нужно учитывать при организации попусков из Вилейского водохранилища - относительная удаленность данного водохранилища (более 100 км) от участка размещения поверхностного водозабора Белорусской АЭС, что обуславливает время добегания от водохранилища до требуемого участка в 3.4 суток. Поэтому при возникновении дефицита воды в контексте выполнения экологических ограничений на краткосрочный период до подхода дополнительных объемов из Вилейского водохранилища, в случае необходимости могут быть, в щадящем режиме (не на полный диапазон сра-ботки) произведены попуски из Ольховского водохранилища (водохранилища Ольховской ГЭС) и (или) Снигянского водохранилища (водохранилища Рачунской ГЭС).
Таким образом, дополнительное безвозвратное водопотребление АЭС и планируемый на перспективу рост безвозвратных изъятий в бассейне реки, которое по данным ЦНИИКИВР, не превысит 10 % стока 95 % обеспеченности, не окажет существенного воздействия на гидрологический режим р. Вилии.
Заключение. На основе комплексного анализа гидрометрической информации по р. Вилии в створах д. Стешицы, г. Вилейка и с. Михалишки за период с 1946 по 2014 гг. за среднегодовыми, максимальными, минимальными летне-осенними и зимними расходами воды установлена неоднородность во временных рядах среднегодовых расходов
воды по створам г. Вилейка и с. Михалишки; максимальных расходов воды по всем рассматриваемым створам; минимальных летне-осенних и зимних расходам воды в створах г. Вилейка и д. Стешицы.
По створу с. Михалишки гидрологические ряды наблюдений приводят к бытовому стоку за весь период наблюдений в предположении, что сложившийся комплекс хозяйственной деятельности с учетом реальных планов развития экономики действовал с начала наблюдений. Для створа с. Михалишки средний многолетний расход составляет - 59,7 м3/с, максимальный - 1570 м3/с, наименьший летне-осенней межени - 22,0 м3/с, зимней межени - 17,3 м3/с.
Для створа с. Михалишки определен экологический сток, который равен 21,1 м3/с, построены гидрографы экологического стока и определен свободный сток в годовом разрезе для различных по водности лет.
На основе гидролого-климатической гипотезы и многофакторной модели, включающей стандартное уравнение водного и теплоэнергетического балансов речных водосборов с независимой оценкой основных элементов баланса (атмосферные осадки, суммарное испарение и климатический сток) в годовом разрезе получены прогнозные характеристики изменения стока по двум сценариям развития климата А1В и В1.
Наибольшее влияние на объем и режим стока р. Вилии оказывает функционирование Вилейско-Минской водной системы. Для переброски поверхностных вод в бассейн р. Днепр ежегодно изымается более 110 млн. м3 воды, что составляет около 91 % забираемых из поверхностных водных объектов бассейна вод. Объем изъятия воды составляет менее 10 % от годового стока 95 % обеспеченности в створе с. Михалишки, следовательно, заметного влияния на изменения стокового режима реки оказать не может.
Для обеспечения надежного бесперебойного питания водой Белорусской АЭС необходима постоянная подпитка свежей воды для двух энергоблоков - 2,54 м3/с, для четырех энергоблоков - 5,08 м3/с. Минимальный расчетный среднемесячный расход 95 % обеспеченности в р. Ви-лия в створе с. Михалишки размещения водозабора производственного водоснабжения составляет 26,3 м3/с. Дополнительное безвозвратное водо-потребление АЭС и планируемый на перспективу рост безвозвратных изъятий для нужд водопользования в бассейне реки не превысит 10 % стока 95 % обеспеченности.
При возникновении возможных дефицитных периодов в качестве компенсационных мер могут быть использованы водные ресурсы Вилей-
ского водохранилища с привлечением Ольховского и Снигянского водохранилищ, что может рассматриваться как наиболее надежный резервный источник производственного водоснабжения БелАЭС.
Таким образом, дополнительное безвозвратное водопотребление АЭС и планируемый на перспективу рост безвозвратных изъятий для нужд водопользования в бассейне реки не окажет существенного воздействия на гидрологический режим р. Вилия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валуев В.Е., Волчек А.А., Мешик О.П., Цилиндь В.Ю. Инженерные расчеты воднобалансовых характеристик // «Наука и мир»: Сб. тез. докл. XXI научно-технической конф., Брест. политехн. институт. -Брест, 1994. - Ч. II. - С. 89-90.
2. Валуев В.Е., Волчек А.А., Юрченко Н.Т. К вопросу интерполяции, осреднения и инженерных расчетов воднобалансовых характеристик / Воспроизводство плодородия мелиорируемых земель Сибири // Тр. СибНИИГиМ. - Красноярск. - 1991. - С. 21-39.
3. Волчек А. А. Автоматизация гидрологических расчетов // Водохозяйственное строительство и охрана окружающей среды: Тр. межд. науч-но-практ. конф. по проблемам водохозяйственного, промышленного и гражданского строительства и экономико-социальных преобразований в условиях рыночных отношений - Биберах - Брест - Ноттингем, 1998. - С. 55-59.
4. Волчек А.А. Методика определения максимально возможного испарения по массовым метеоданным (на примере Белоруссии) // Научно-техническая информация по мелиорации и водному хозяйству (Мин-водхоз БССР) - 1986. - № 12. - С. 17-21.
5. Волчек А.А., Волчек Ан.А. Половодья на реках Беларуси: закономерности формирования и прогноз // Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. - 216 c.
6. Волчек А.А., Грядунова О.И. Минимальный сток рек Беларуси. -Брест: БрГУ им. А.С. Пушкина, 2010. - 169 с.
7. Волчек А.А., Парфомук С.И. Оценка трансформации водного режима малых рек Белорусского Полесья под воздействием природных и антропогенных факторов (на примере р. Ясельда) // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. - Екатеринбург, 2007. -№1. - С. 50-62.
8. Логинов В.Ф., Волчек А. А. Водный баланс речных водосборов Беларуси. - Минск: Тонпик, 2006 - 160 с.
9. Логинов В.Ф., Волчек А.А. Колебания годового стока воды р. Неман у г. Гродно // Водные ресурсы. - 2006. - То. 33. - №6. - С. 635-663.
10. Маркин В.Н. Внутригодовое распределение экологического стока малых рек / Природообустройство и рациональное природопользование -необходимые условия социально-экономического развития России -М.: МГУП, 2005.
11. Мезенцев В.С. Гидролого-климатическая гипотеза и примеры ее использования // Водные ресурсы. - 1995. - Том 22. - №3. - С. 299-301.
12. Расчетные гидрологические характеристики. Порядок определения. Технический кодекс установившейся практики ТКП 45-3.04-168-2009(02250). - Минск: РУП «Стройтехнорм», 2010. - 55 с.
13. «Рекомендации по расчету минимально допустимых расходов воды, не подлежащих изъятию из рек в условиях Республики Беларусь». Приказ Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды № 3 от 8.01.2003 г.
14. Фащевский Б.В. Экологическое обоснование допустимой степени регулирования речного стока. - Минск, 1989. - 22 с.
15. Блаютны скарб Беларус : Рэю, азёры, вадасховщы, турысцю патэн-цыял водных аб'ектау / Маст.: Ю.А. Тарэеу, У.1. Цярэнцьеу - Мн.: Бе-лЭн, 2007. - 480 с.
16. The Strategic Framework for Adaptation to Climate Change in the Neman River Basin / United Nations Development Programme in Belarus and United Nations Economic Commission for Europe // V.N. Korneev, A.A. Volchak, L.N. Hertman et al. - Brest: 2015. - 64 p.
Поступила 20.12.2016 Геогр. гылымд. докторы А.А. Волчек
БЕЛАРУС АЙМАГЫНДАГЫ ВИЛИИ 0ЗЕН1 АГЫНЫНЬЩ еЗГЕРУШ БАГАЛАУ
Тушн свздер: агын, орташа жылдьщ, ец жогаргы, ец темен, жазгы-^зп, ^ыс^ы, бiркелкi, езгерю, болжау
Аспаптъщ бацылау мерз1мтдег1 Валии озеш агыныныц цозгалысын зерттеу нэтижелер1 келт1ртген. Гидрологиялъщ циклдщ табиги-климаттъщ жэне антропогенд1к ыщалдарга нег\зделген агындыныц уацыт аралыц турацсыз езгер1стер1не цорытынды жасалган. Михалишки ауыглындагы жармада бацылаудыц
гидрологиялыц катары турмыстыц агындыга кетгрыген, орташа копжылдыц агынды - 59,7м3/с, ец жогаргы - 1570м3/с, жазгы-кузг сабадагы ец томенг - 22,0 м3/с, цысцы сабадагы - 17,3 м3/с, экологиялыц агынды - 21,1 м3/с цурайды. Климаттыц А1В даму сценарилары бойынша агынды езгерШн болжау багалары келт^ртген: кейбгр цысцы агындыныц улгайганы жэне жазгы агындыныц азайганы болжанды, сонымен цатар квктемг1 су тасу гидрографыныц максималды агындыглар есуШен жэне су тасу узацтыгыныц взгеру1не байланысты озгергендШ байцалады; В1 кектешг1 су тасудагы максималды агындардыц азайганы кер1нед1, б1рац гидрограф бутагыныц темендеу уацытыныц артцаны байцалады. Жазгы айларда агынды айтарлыцтай взгермейд1. Мерз^мдердщ жетжпеуштШ туындаганда орнын толыцтыру шаралары реттде Вилей суцоймасы суресурстарын цолдануга болады.
Volchek А.А.
DRAIN CHANGES ASSESSMENT OF THE VILIA RIVER ON THE TERRITORY OF BELARUS
Keywords: drain, annual average, maximal, minimal, summer-autumn, winter, homogeneity, changes, predictions
Generalized research results of the Vilia river discharge oscillations during the instrumental observations period are presented. A conclusion is made about discharge time series non-homogeneity caused by both natural climate and anthrpogenous changes of the hydrology cycle. Hydrological series are casted to a non-regulated stream flow at the Mikhalishki village cross-section: medium long-term water discharge is 59,7 m3/s, maximal one is 1570 m3/s, minimal ones for summer-autumn low-water season and for winter low-water season are 22,0 m3/s and 17,3 m3/s respectively, and ecological water discharge is 21,1 m3/s. Predictive assessments for the water discharge changes are given according to A1B climate development scenario: some increase of the winter discharge is predicted as far as decrease of the summer one, along with some changes in the spring flood hydrographer towards increase of the maximal discharges and flood duration; B1 notes some decrease of the spring flood maximal discharges with increased drop time of the hydrographer descending branch. Summer time drain will undergo no substantial changes. In case of possible deficiency period Vileyka Reservoir water resources can be used as a compensation measures.
