CC BY
34
0,0 0,12З 2 0,122 8 2,0 0,034 3 0,03 32 3, 3 0,02З 8 0,02 З1 8,
0,1 0,187 З 0,186 6 0,З 0,04З 1 0,04 48 7 0, 0,032 6 0,03 26 0, 0
0,2 0,273 0,272 0,0ЗЗ 0,0З 0, 0,039 0,03 0,
З 2 0,З З З2 З 1 90 3
0,3 0,377 6 0,374 З 0,8 0,063 7 0,06 36 2 0, 0,044 0 0,04 41 0, 2
0,4 0,471 0,493 0,069 0,06 о, 0,046 0,04 0,
6 4 4,4 4 91 4 9 70 2
0,З 0,688 0,699 0,072 0,07 о, 0,047 0,04 0,
4 6 1,6 З 2З 0 6 78 4
0,6 0,473 0,483 0,074 0,07 о, 0,047 0,04 0,
3 З 2,1 0 39 1 3 74 2
0,7 0^9 0^8 0,074 0,07 о, 0,046 0,04 0,
1 0 0,3 9 49 0 8 71 6
0,8 0,2З6 3 0,2З3 6 1,1 0,07З З 0,07 З4 о, 1 0,047 4 0,04 73 0, 2
0,9 0,170 2 0,169 0 0,7 0,076 3 0,07 63 0 0, 0,0З0 З 0,0З 0З 0, 0
1,0 0,077 0,077 0,077 0,07 о, 0,077 0,07 0,
1 3 0,3 З 73 3 1 73 3
* - данные взяты из работы [1
При использовании ЕЫ-метода интенсивность раскладывается в ряд Фурье, а индикатриса рассеяния в ряд по полиномам Лежандра, но решение выражается через собственные функции линейного оператора. Для определения коэффициентов этого разложения необходимо подставить эти ряды в интегральное уравнение и получить систему линейных алгебраических уравнений, решив которую можно найти коэффициенты, а затем искомое решение.
Основные преимущества метода: возможность рассчитывать вертикально неоднородные атмосферы без существенного увеличения времени расчетов; определение пропущенной и отраженной радиации; независимость времени вычислений от числа направлений и оптической толщи.
Недостатки метода: невозможность заранее оценить точность метода; увеличение вычислительного времени пропорционально увеличению числа слагаемых разложения индикат-
Библиографический список
рисы рассеяния и пропорционально квадрату числа слагаемых в разложении интенсивности в ряд.
Таблица 5
Результаты расчетов угловой зависимости яркости в единицах солнечной постоянной методом Монте-Карло и ЕЫ-методом
* - данные взяты из работы [4]
В целом соответствие результатов расчетов по трем моделям признано удовлетворительным. Из анализа данных следует, что в подавляющем большинстве случаев относительное различие не превышает 1 %, т.е. находится в пределах погрешности расчетов методом Монте-Карло.
Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что существенных различий между результатами расчетов не наблюдается. Метод Монте-Карло обладает огромным модер-низационным потенциалом и пригоден для решения практически любых задач атмосферной оптики, он может применяться для задач со сферической и плоской геометрией, а так же позволяет выделять компоненты однократного и многократного рассеяния. Это является его неоспоримым преимуществом в ряду других, однако этот алгоритм обладает двумя существенными недостатками: статистическая изменчивость результатов и большие затраты вычислительных ресурсов. В то же время, развитие вычислительной техники и разработка новых модификаций метода Монте-Карло уже в ближайшее время приведут к тому, что эти недостатки будут несущественными.
cos (z) / = 0o / = 90o / = 180°
Я F Ямс dя, Я F Ямс dя, Я F Ямс dя,
N % N % N %
0,0 0,12 0,122 0,03 0,03 0,02 0,02
29 8 0,1 31 32 -0,3 49 З1 -0,8
- 0,18 0,186 0,04 0,04 0,03 0,03
0,1 68 6 0,1 48 48 0,0 24 26 -0,6
- 0,27 0,272 0,0З 0,0З 0,03 0,03
0,2 2З 2 0,1 З2 З2 0,0 88 90 -0,З
- 0,37 0,374 0,06 0,06 0,04 0,04
0,3 З9 З 0,4 37 36 0,2 39 41 -0,З
- 0,49 0,493 0,06 0,06 0,04 0,04
0,4 1З 4 -0,4 92 91 0,1 67 70 -0,6
- 0,68 0,699 0,07 0,07 0,04 0,04
0,З З3 6 -2,1 48 2З 3,2 9З 78 3,6
- 0,48 0,483 0,07 0,07 0,04 0,04
0,6 З3 З 0,4 39 39 0,0 73 74 -0,2
- 0,3З 0^8 0,07 0,07 0,04 0,04
0,7 88 0 0,2 47 49 -0,3 68 71 -0,6
- 0,2З 0,2З3 0,07 0,07 0,04 0,04
0,8 ЗЗ 6 0,7 З4 З4 0,0 72 73 -0,2
- 0,16 0,169 0,07 0,07 0,0З 0,0З
0,9 96 0 0,4 62 63 -0,1 01 0З -0,8
- 0,07 0,077 0,07 0,07 0,07 0,07
1,0 7З 3 0,3 7З 73 0,3 7З 73 0,3
1. Хвостова, Н.В. Метод определения альбедо местности по яркости неба для мониторинга экологических и климатических систем / Н.В. Хвостова // Мир науки, культуры, образования. - 2007. - № 3(6).
2. AERONET-A federated instrument network and data archive for aerosol characterization / B.N. Holben [et al.] // Remote Sens. Environ. - 1998.
3. Пясковская-Фесенкова, Е.В. Исследование рассеяния света в земной атмосфере / Е.В. Пясковская-Фесенкова. - М.: Изд. АН СССР, 1957.
4. Ленобль, Ж. Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах / Ж. Ленобль. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990.
5. Журавлева, Т. Б. Численное моделирование угловой структуры яркости неба вблизи горизонта при наблюдении с Земли. Часть 1. Аэрозольная атмосфера / Т.Б. Журавлева, И.М. Насретдинов, С.М. Сакерин // Оптика атмосферы и океана. - 2003. - Т. 16. - № 5-6.
Статья поступила в редакцию 12.09.09
УДК ЗЗ1.16
В.П. Галахов, канд. географ. наук, доц. с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: [email protected]
ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА ТАЕЖНОЙ ЗОНЫ ОБСКОГО БАССЕЙНА ОТ ИЗМЕНЧИВОСТИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК (ПО ИССЛЕДОВАНИЯМ В БАССЕЙНЕ РЕКИ ВАСЮГАН)
Определены первичные предикторы имитационной модели составляющих водного баланса бассейна реки Васюган в створе Майск. Рассмотрено влияние климатических изменений на составляющие водного баланса бассейна.
Ключевые слова: бассейн реки Васюган, имитационная модель, водный баланс.
Бассейн реки Васюган, общей площадью 61 800 км2, расположен в таежной зоне Западно-Сибирской равнины. Васюган впадает в Обь на расстоянии 2 169 км от устья. Длина реки 1 082 км. На водосборе Васюгана имеется 49 217 озер, общей площадью 989 км2 [2].
В бассейне Васюгана расположено 7 водомерных постов. Для исследований был выбран пост Васюган-Майск с площадью водосбора 3730 км2. Межгодовая изменчивость среднего годового расхода представлена на примере водомерного поста Майск (рис. 1). Как видно из рисунка, водность может от года к году колебаться весьма значительно, но изменения водности
Рис. 1. Колебания средне годового в расхода в створе Васюган-Майск, 1955-2007 гг.
Условия формирования стока в бассейне однотипны, что хорошо демонстрируется графиками связи средних годовых расходов. Внутригодовой ход их расходов во времени неравномерен и в значительной степени зависит от площади водосбора. Если для больших и средних водосборов весь год можно разбить на два характерных периода (половодье и летнее-осенне-зимняя межень, рис. 2), то для малых водосборов сток в летнее-осенний период в значительной степени зависит от жидких осадков.
Дни
Рис. 2. Хронологический ход расходов во времени на водомерном посту Васюган-Майск по годам: 1966 - средне водный, 1971 -многоводный, 1967 - минимально водный
Для моделирования поверхностного стока был использован алгоритм имитационной модели, опубликованный в [1]. При численных экспериментах весь бассейн Васюгана был разбит сеткой со стороной квадрата 30 км. Поскольку бассейн характеризуется довольно редкой сетью осадкомерных постов (14) более дробное деление не даст улучшения результатов моделирования. В связи с редкой сетью постов мы отказались от моделирования стока на малых бассейнах: например, Гор-чак-Майск (Б = 97 км2).
Для оценки первичных предикторов в модель использован период с 1956 по 1965 гг. [3-4]. В соответствии с алгоритмом балансовый год (с октября предшествующего года по октябрь расчетного) разбивается на три характерных периода формирования стока: период зимней межени (ноябрь-апрель),
период половодья (апрель), период летне-осенней межени (май-октябрь).
Оценка стока за период зимней межени проводилась по кривым истощения, построенным на основе материалов непосредственных наблюдений. Периоды летне-осенней межени использовались в том случае, если осадки были либо равны испарению, либо были меньше (рис. 3). По слою стока в предшествующий зимней межени период (слой стока октября предшествующего года) в соответствии с кривой истощения
Рис. 3. Кривая истощения водомерного поста Васюган-Майск
Для оценки стока в период половодья использовался самый простой алгоритм: рассчитывалась сумма твердых осадков (с октября предшествующего года по апрель расчетного) которая умножалась на коэффициент талого стока. Осадки за ноябрь-март балансового года, как правило, выпадают в твердом виде. Их фазовое состояние за октябрь предшествующего года зависит от температуры воздуха. В соответствии с исследованиями Н.Ф.Харламовой [5] доля твердых осадков вычислялась в зависимости от приземной температуры воздуха и учитывалась при расчете суммы твердых осадков за зимний период (рис. 4). Суммы осадков в виде рассредоточенных параметров определялись в узловых точках (ДЬ = 30 км) методом интерполяции между осадкомерными пунктами. Затем определялось среднее для всего бассейна. В зависимости от приземной температуры в узловых точках для каждого месяца определялось испарение, которое затем также осреднялось.
Рис. 4. Вероятность выпадения жидких осадков в зависимости от приземной температуры воздуха
Коэффициенты талого стока определялись в зависимости от осеннего увлажнения, в качестве которого использовался слой стока октября предшествующего балансового года (рис. 5). Считалось, что талый сток формируется в мае, хотя в некоторые годы часть его стекает в апреле.
слой стока октября предыдущего года, мм
Рис. 5. Зависимость коэффициента талого стока от осеннего увлажнения
Попытаемся разработать схему учета перераспределения талого стока между маем и апрелем. Очевидно, самый простой способ - оценка абсолютной величины слоя стока в зависимости от температуры воздуха, которая может характеризовать таяние. В модели мы будем увязывать слой стока апреля не с температурой воздуха, а с испарением в апреле, которое зависит от температуры воздуха и уже обобщено для всего бассейна (рис. 6). Примем также следующее: если испарение в апреле более 20 мм, то слой стока в апреле будет постоянным
Рис. 6. Зависимость стока апреля створа Васюган-Майск от величины испарения в апреле (обобщенный по бассейну термический режим)
Численные эксперименты показали, что для рек таежной зоны (в отличие от рек степной и лесостепной зоны [1]) применение метода «шарнира» неприемлемо особенно в случае значительной разницы между осадками и испарением. Поэтому сток в теплый период определялся с помощью дифференцированных коэффициентов дождевого стока. Если увлажнение предыдущего месяца (разница осадки-испарение: Х - Е) меньше 10 мм, то:
К ст. = 0,0015(Х - Е) - 0,0201 (1)
Если увлажнение предыдущего месяца более 10 мм, то:
К ст. = 0,0025(Х - Е) - 0,032 (2)
Рассмотрим результаты расчетов на имеющемся независимом материале в период с 1967-68 по 1984-85 балансовые годы, при этом используется метод «шарнира» при (Х-Е) < 20 мм и уточненная зависимость коэффициента дождевого стока от увлажнения при (Х-Е) > 20 мм (табл. 1). При данном алгоритме расчета среднее квадратическое отклонение равно 28,4 мм, что вполне подходит для наших исследований зависимости стока от метеорологических параметров.
Таблица 1
Реальный и рассчитанный по модели поверхностный сток створа Васюган-Майск
Балансовый год Yизмеренное, мм Yрассчитанное, мм Разница, мм
1967-68 29,78 47,26 -17,48
1968-69 154,6 126,8 +27,8
1975-76 49,82 86,00 -36,18
1976-77 72,77 75,80 -3,03
1977-78 102,0 105,7 -3,7
1978-79 177,1 148,0 +29,1
1981-82 45,51 56,4 -10,89
1984-85 236,8 284,4 -47,6
Для оценки влияния изменения метеорологических характеристик на поверхностный сток воспользуемся разработанным алгоритмом (с использованием коэффициентов стока для жидких осадков). Вначале просчитаем год средний по водности с использованием средних многолетних метеорологических характеристик: температур и осадков (табл. 2).
Таблица 2
Водный баланс реки Васюган в средний многолетний по водности год (пост Майск), мм
Месяц Х Е РОТ Y 1 измеренный Y - 1 расчетный
11 0 1,30 0 3,996 2,75
12 0 0,50 0 2,08 1,60
1 0 0,50 0 1,400 1,02
2 0 0,50 0 0,999 0,696
3 128,20 2,47 0 1,03 0,497
4 23,80 7,52 0 11,95 0,37
5 44,45 34,45 0 62,18 81,58
6 71,26 43,71 27,55 21,68 17,01
7 82,38 37,86 44,52 9,48 8,88
8 80,43 35,89 44,53 7,32 6,54
9 50,89 19,31 31,58 4,62 4,03
10 38,39 7,05 31,34 5,39 3,01
Сумма 519,80 191,10 179,50 132,10 128,00
Измеренные и рассчитанные величины поверхностного стока демонстрируют довольно хорошую сходимость. Необходимо напомнить, что начало снеготаяния в модели приурочено к маю, поэтому реальный талый сток будет равен не 62,18 мм, а 73,68 мм (сток апреля и мая: 62,18+11,5). Рассмотрим, каким образом будет влиять изменение термического режима при неизменных осадках (табл. 3).
Таблица 3
Влияние изменения термического режима на поверхностный сток, пост Васюган-Майск
А Т, оС Y расчетный Y - средн. Yрасчеm, мм Y - средн. Y % 1 расчет, /и
-2,0 145,7 +17,7 +14
-1,0 137,3 +9,3 +7
0,0 128,0 0,0 0,0
+1,0 113,1 -14,9 12
+2,0 98,8 -29,2 23
+3,0 84,1 -43,9 34
+4,0 72,8 -55,2 43
Как видим, ничего катастрофического не произойдет. Даже при потеплении на 4 оС поверхностный сток уменьшится на 43 %, т.е. будут наблюдаться маловодья. Попытаемся подобным же образом определить влияние изменения годовой суммы осадков при неизменных современных средних многолетних температурах. Внутригодовое распределение осадков оставим современным (табл. 4).
Таблица 4
Влияние изменения увлажнения на поверхностный сток, пост Васюган-Майск
А Х, мм Y расчетный Y - средн. "^расчетн^ мм Y - средн. Y % расчетн.
+300 340,8 +212,8 166
+200 253,7 +125,7 98
+150 213,4 +85,4 67
+100 177,1 +49,1 38
+50 144,6 +16,6 13
0,0 128,0 0,0 0
-50 98,4 -29,6 23
-100 74,51 -53,5 42
-150 57,20 -70,8 55
-200 41,32 -86,68 68
-250 26,11 -101,89 80
-300 12,76 -115,24 90
Примечание: средняя многолетняя сумма осадков по бассейну равна 519,8 мм.
Судя по полученным данным численных экспериментов, наиболее значительное влияние на поверхностный сток оказывает изменение увлажнения. Причем при изменении суммы осадков за год на 50 % будут наблюдаться катастрофические явления: при уменьшении поверхностный сток уменьшится на 80 %, при увеличении - более чем в два раза.
Работа выполнена в рамках интеграционной программы Президиума СО РАН «Разработка научных и технологических основ мониторинга и моделирования природно-климатических процессов на территории Большого Васюганского болота».
Библиографический список
1. Галахов, В.П. Формирование поверхностного стока в условиях изменяющегося климата (по исследованиям в бассейне Верхней Оби) / В.П. Галахов, О.В. Белова. - Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2009.
2. Ресурсы поверхностных вод. Гидрологическая изученность. - Вып. 2. - М: Гидрометеоиздат, 1967. - Том 15.
3. Справочник по климату СССР, вып. 20. Томская, Новосибирская, Кемеровская области и Алтайский край. Метеорологические данные за отдельные годы. Часть 1. Температура воздуха. - Л: Гидрометеоиздат, 1970.
4. Справочник по климату СССР, вып. 20. Томская, Новосибирская, Кемеровская области и Алтайский край. Метеорологические данные за отдельные годы. Часть II. Книга 1. Атмосферные осадки. - Новосибирск, 1977.
5. Состояние природных комплексов равнин и гор в условиях глобального изменения климата: Отчет по гранту Минобразования. Проект А 03-2.13-534 / Н.Ф. Харламова. - Барнаул: АлтГУ, 2002.
Статья поступила в редакцию 3.08.09
УДК 504.453.054.669.018.674
А.Н. Эйрих, канд. техн. наук, н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: [email protected],
Е.И. Третьякова, канд. хим. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: [email protected] Т. С. Папина, д-р хим. наук, доц. зав. центром ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: [email protected]
АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ РЕЧНЫХ ЭКОСИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ РЕКИ ОБЬ)
Рассматриваются особенности распределение тяжелых металлов в донных отложениях и поровой воде р. Обь. Показано, что для получения достоверных данных необходим отбор 3-5 параллельных проб донных отложений. На месте отбора в каждой пробе необходимо проводить pH и Eh измерения. Отмечено, что изменения окислительно-восстановительных условий влияют на содержание микроэлементов в системе донные отложения - поровая вода.
Ключевые слова: донные отложения, поровая вода, тяжелые металлы, окислительно-восстановительные условия.
Среди множества элементов, оказывающих влияние на качество донных отложений (ДО), следует выделить тяжёлые металлы (ТМ), т.к. они не разлагаются и не исчезают в ДО, а лишь перераспределяются по компонентам речной экосистемы, меняя форму своего существования [1]. Накопление тяжёлых металлов в донных отложениях представляет опасность для качества вод из-за возможного вторичного загрязнения - выноса микроэлементов из ДО в воду.
Эко-аналитический контроль любых водных объектах включает в себя следующие последовательные стадии: отбор пробы, консервацию, пробоподготовку, инструментальный анализ, а также интерпретацию полученных результатов. При эко-аналитическом контроле водных объектов необходимо уделять большое внимание вопросам отбора репрезентативной (представительной) пробы и интерпретации полученных результатов. Получение пробы донных отложений на крупных водотоках представляет серьезную задачу. Ошибки, допущенные на начальных стадиях контроля не исправляются последующими стадиями, а только суммируются при переходе от предыдущей стадии к последующим [2].
Основные правила отбора проб при исследовании водного объекта изложены в нормативных документах [ГОСТ 17.1.5.01-80; ГОСТ 17.1.5.05-85; ГОСТ Р 51592-2000]. При отборе проб донных отложений должен соблюдаться ряд требований.
1. Проба донных отложений должна характеризовать водный объект или определенную часть его за определенный промежуток времени.
2. Место отбора проб донных отложений выбирают в соответствии с целями исследования. Отбор проб обязателен в местах, в которых донные отложения достигают максимального развития.
3. Пробы донных отложений отбирают с интервалом, обеспечивающим возможность оценки степени загрязненности донных отложений в характерные фазы гидрологического режима водотоков.
4. Для отбора проб донных отложений используются различные способы в зависимости от характера и свойств ДО, загрязняющих веществ и от гидрологического режима водного объекта.
