Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физико-географические факторы формирования стока в бассейне Верхней Оби 10-62
1.1 Общая характеристика основных факторов формирования стока горных рек 10-13
1.2 Географическое положение, геолого-орографические условия и морфометрические характеристики бассейна Верхней Оби 13-27
1.3 Климатические условия 27-37
1.4 Почвенно-растительный покров бассейна и его влияние на сток.. 37-46
1.5 Подземные воды, озера и болота и их влияние на сток рек 46-52
1.6 Основные гидрологические характеристики рек бассейна Верхней Оби 52-59
1.6.1. Питание и водный режим 52-54
1.6.2. Оро-гидрологические районы 54-59
1.7. Классификации рек бассейна Верхней Оби по типам питания и внутригодовому распределению стока 60-61
Выводы; 62
Глава 2. Годовой сток рек бассейна Верхней Оби и закономерности его пространственной корреляции 63-106
2.1. Характеристика исходных данных 63-65
2.2. Методы расчета нормы годового стока 65-75
2.2.1. Статистический подход 65-68
2.2.2. Учет циклических колебаний водности в расчетах нормы годового стока. 68-75
2.3. Факторы и закономерности пространственной корреляции годового стока 76-104
2.3.1. Точность оценок выборочных коэффициентов парной корреляции годового стока 76-81
2.3.2. Территориальная изменчивость пространственной корреляции речного стока 81-98
2.3.2.1. Исследование зависимости пространственной корреляции годового стока от превышения высот водосборов 81-87
2.3.2.2. Зависимость парной корреляции стока от расстояния между центрами тяжести бассейнов 87-92
2.3.2.3. Зависимость парной корреляции стока от разницы лесистости бассейнов 93-95
2.3.2.4. Коэффициенты парной корреляции по группам рек с различными типами водного питания 96-98
2.3.3. Анализ комплексного воздействия физико-географических факторов на пространственную корреляцию годового стока 98-101
2.3.4. Методика расчета нормы годового стока рек бассейна Верхней Оби 101-104
Выводы 105-106
Глава 3. Ландшафтная индикация годового стока рек бассейна Верхней Оби 107-154
3.1. Развитие метода ландшафтной индикации речного стока 107-116
3.1.1. Исторический экскурс 107-110
3.1.2. Стокоформирующие комплексы (СФК) 110-111
3.1.3. Ландшафтно-гидрологические системы 111-114
3.1.4. Последовательность ландшафтно-гидрологического анализа... 114-116
3.2. Типы ландшафтов бассейна Верхней Оби и характеристика их стокооборазующей роли 116-152
3.2.1. Ландшафтная характеристика бассейна Верхней Оби 116-126
3.2.2. Способ оценки стокоформирующей роли разных типов ландшафта в бассейне Верхней Оби с применением процедуры оптимизации 126-147
3.2.2.1 Обоснование СФК 126-130
3.2.2.2 Характеристика основных стокоформирующих комплексов в бассейне Верхней Оби 130-134
3.2.2.3 Методика оптимизации нормы годового стока для выделенных СФК ... 135-137
3.2.2.4 Результаты оптимизации 137-147
3.2.3 Карта годового стока 147-152
Выводы 153-154
Заключение 155-158
Библиографический список использованной литературы 159-172
Приложение 173-183
- Географическое положение, геолого-орографические условия и морфометрические характеристики бассейна Верхней Оби
- Факторы и закономерности пространственной корреляции годового стока
- Типы ландшафтов бассейна Верхней Оби и характеристика их стокооборазующей роли
- Методика оптимизации нормы годового стока для выделенных СФК
Введение к работе
Основные направления гидрологических исследований в бассейне Верхней Оби включают разработку методов расчета характеристик годового, максимального и минимального стока рек, типов водного питания и внутригодово-го распределения стока (A.M. Комлев, 1966, 1992; Б.В. Фащевский, 1967, 1970; Д.А. Бураков и др., 1980; М.В. Тронов, 1948; В.А. Семенов, 1986; В.П. Галахов, P.M. Мухаметов, 1999; В.В. Паромов, 2002 и др.). В последнее десятилетие в ИГ СО РАН выполнен ряд исследований в области ландшафтной гидрологии. Объектом этих исследований стали реки Восточной и Средней Сибири (А.Н. Ан-типов, Л.М. Корытный, 1981; А.Н.Антипов, СВ. Марунич, С.Ф. Федоров и др. 1989; А.Н.Антипов, В.Н. Федоров, 2000; О.В. Гагаринова, 2001 и др.). Алтай в ландшафтно-гидрологическом плане практически не изучен.
Пространственная структура колебаний различных гидрологических характеристик на равнинных территориях бывшего СССР многократно освещалась в литературе. Что же касается оценки пространственной изменчивости характеристик речного стока в горных районах, то эта область знаний исследована недостаточно.
Диссертация посвящена разработке следующих наименее изученных для Алтая вопросов:
• применение ландшафтной индикации для картографирования годового стока;
• анализ закономерностей его территориально-временной изменчивости и пространственной корреляции.
Исследование этих вопросов представляет цель нашего исследования.
Объектом исследования является бассейн Верхней Оби до г. Барнаула, в пределах которого находятся Алтайские горы и предгорные равнины.
Предмет исследования - применение ландшафтно-гидрологического и статистического подходов к изучению годового стока рек бассейна Верхней Оби.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести анализ синхронности (асинхронности) колебаний речного стока и привести параметры стока к многолетнему периоду наблюдений.
2. Оценить влияние физико-географических условий на территориальное распределение стока.
3. Исследовать факторы и закономерности пространственной корреляции годового стока с учетом изменчивости ландшафтно-гидрологических характеристик в горах.
4. Выделить стокоформирующие комплексы на основе исследования ландшафтов.
5. Провести ландшафтное картографирование нормы годового стока и оценить точность ее расчета по данным о ландшафтной структуре речного бассейна.
Эти задачи определили объем работы, логику ее построения и методику исследования.
В диссертации применялись методы гидрологического анализа и синтеза, метод ландшафтной индикации, математические (статистические) методы, в том числе метод оптимизации для оценки стока различных стокоформирующих комплексов (СФК).
Метод гидрологического анализа и синтеза позволяет, используя информацию опорных пунктов наблюдений, установить закономерности формирования и пространственно-временного распределения стока с учетом влияния на него физико-географических условий. Данный подход был реализован по двум основным направлениям:
• традиционный метод гидрологической аналогии;
• ландшафтная индикация и ландшафтное картирование речного стока. В работе использовались статистические и графические программные средства обработки информации: Microsoft Excel (статистический анализ, регрессия), Corel Draw и Powent Point (картографическое представление результатов).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Выполнено комплексное исследование пространственно-временных закономерностей многолетних колебаний годового стока рек бассейна Верхней Оби, включая пространственную корреляцию рядов, динамику цикличности, влияние атмосферной циркуляции.
2. Вместо широко известной корреляционной функции г = f(L), выражающей связь коэффициентов парной корреляции (г) от расстояния (L) между центрами тяжести бассейнов, для горных территорий предложены зависимости г =f(L, Л/д, АН), где А/л и АН соответственно разница лесистости и высот центров тяжести сравниваемых бассейнов. Зависимости г = f(L, 4/л, АН) рекомендуются для районов с примерно одинаковым соотношением типов водного питания рек.
3. На основе анализа ландшафтной карты Алтая (МГУ, ИГ СО РАН, 1982) и материалов гидрологических наблюдений установлено, что ландшафтные комплексы могут выступать индикаторами стока рек бассейна Верхней Оби. Этот вывод подтверждает перспективность применения для исследования стока алтайских рек ландшафтно-гидрологического направления, активно разрабатываемого в ИГ СО РАН для бассейна р. Ангары и других территорий. Исследуемая территория отличается исключительным разнообразием природных условий, обусловленным сложным геологическим строением, контрастным рельефом, особенностями климата, различиями территориального распределения тепла и влаги. Ландшафтная индикация годового стока реализована путем синтеза ландшафтных компонентов в стокоформирующие комплексы (СФК) с применением математического метода оптимизации.
4. Впервые выполнено ландшафтное картирование годового стока рек бассейна Верхней Оби и получены оценки погрешностей расчета нормы модуля годового стока на основе информации о ландшафтной структуре речных бассейнов.
Практическая значимость предлагаемого исследования состоит в том, что в нем предложена система методик, на основе которых могут быть даны оценки нормы годового стока рек при отсутствии или недостаточности материалов наблюдений. Данные о речном стоке используются для оценки водных ресурсов, в процессе проектирования и эксплуатации систем водопотребления в сельском и коммунальном хозяйстве и промышленности. Достоверные сведения и расчетные значения характеристик речного стока необходимы для оценки загрязнения окружающей среды и разработки водоохранных мероприятий.
Основные защищаемые положения следующие:
• Ход водности по годам за период инструментальных наблюдений на реках Алтая имеет общие черты, хотя в различных районах и высотных зонах заметны его отклонения, как по знаку, так и амплитуде изменений. Степень синхронности колебаний годового стока может быть описана матрицей коэффициентов парной корреляции и временным ходом коэффициентов корреляции на скользящих отрезках временного ряда различной продолжительности.
• Территориальное распределение пространственной корреляции годового стока определяется комплексным воздействием физико-географических факторов. Установлены зависимости парной корреляции от расстояния между центрами тяжести бассейнов, превышения их высот, разницы лесистости и угла отклонения прямой, соединяющей центры тяжести бассейнов рек от направления западного переноса («угол отклонения» ф).
• Оценка нормы годового стока исследуемых рек при недостаточности данных наблюдений должна выполняться путем приведения временных рядов к многолетнему периоду с привлечением данных наблюдений пунктов-аналогов на основе рассмотренных выше результатов комплексного исследования пространственно-временных закономерностей многолетних колебаний годового стока, - с учетом пространственной корреляции временных рядов и динамики цикличности.
• Ландшафтная индикация годового стока рек бассейна Верхней Оби позволяет рассмотреть речной бассейн как совокупность ландшафт-но-гидрологических комплексов (ЛГК), которые вносят определенный вклад в сток замыкающего створа. Каждой выделенной группе ландшафтов, представляющей стокоформирующий комплекс (СФК), на основе применения метода оптимизации установлена определенная величина модуля ландшафтного стока, что открывает возможность расчета нормы стока на ландшафтной основе. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемой литературы, трех приложений. Основной текст изложен на 172 страницах и включает 78 таблиц и 36 рисунков. Список литературы содержит 155 источников. Во введении обосновывается актуальность темы, цель и задачи исследования, формулируются основные положения, выносимые на защиту. В главе 1 рассмотрены физико-географические факторы и закономерности формирования стока. Глава 2 посвящена комплексному исследованию пространственно-временных закономерностей многолетних колебаний годового стока рек бассейна Верхней Оби. В главе 3 рассмотрены проблемы ландшафтной индикации годового стока рек, выделены основные стокоформирующие комплексы, выполнено ландшафтное картирование годового стока рек и получены оценки погрешностей расчета нормы модуля годового стока на основе информации о ландшафтной структуре речных бассейнов. В заключении подведены итоги исследования, сформулированы основные выводы.
Работа выполнена на кафедре физической географии Новосибирского государственного педагогического университета под руководством профессора, доктора географических наук Д.А. Буракова. В процессе работы над диссертацией автор пользовался консультациями к.г.н., профессора В.М. Кравцова, к.г.н., доцента Н.В. Гуляевой. Всем им автор выражает искреннюю признательность за поддержку и помощь.
Автор искренне благодарит Д.А. Буракова за научное руководство работой и поддержку во время подготовки диссертации.
Географическое положение, геолого-орографические условия и морфометрические характеристики бассейна Верхней Оби
Современный облик бассейна Верхней Оби определяется происхождением, историей формирования территории, и результатом взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов.
В начале кайнозоя здесь существовал пенеплен, образовавшийся на месте горных сооружений. В дальнейшем он был деформирован новейшими тектоническими движениями. На юго-востоке пенеплен был в основном приподнят и расчленен, в результате чего здесь возникли горы, а на северо-западе наоборот, опущен и погребен под неотектоническими отложениями, где были сформированы пластово-аккумулятивные и пластово-денудационные равнины. В отличие от интенсивного поднятия и расчленения пенеплена в районе Горного Алтая в неоген-четвертичное время поднятие Салаира было слабым и не создало на месте разрушенных структур предшествующих орогенентических циклов ясно выраженного горного рельефа.
Современное тектонические структуры это: на северо-западе - Западно-Сибирская платформа, на востоке и юго-востоке Алтае-Саянская складчатая система, включающая Горный Алтай и Салаирский кряж. Платформа имеет двухъярусное геологическое строение. В ее основе палеозойский фундамент, выполненный смятыми в складки в виде антиклиналей и синклиналей осадочными (глинистыми сланцами, известняками, песчаниками), метаморфическими (мраморы) и магматическими породами (гранитами, диабазами). Фундамент глубоко опущен и прикрыт мощной толщей осадочных отложений, образующих чехол платформы [57].
В пределах платформы различают Томь-Колыванский выступ как обнажение складчатого и метаморфизированного фундамента, ряд впадин и террас. В целом фундамент платформы испытывает поднятие в направлении с запада на восток и юго-восток бассейна в виде структурных террас или ступеней, разделенных крутыми ступенеобразными изгибами горизонтально залегающих отложений [4].
Платформенный чехол сложен как морскими, так и континентальными отложениями мезозойского и кайнозойского возраста. В составе пород преобладают песчаные, глинистые рыхлые отложения, встречаются их уплотнения -алевролиты и аргиллиты, залегающие горизонтально или близко к горизонтальной форме. На границе Западно-Сибирской платформы и Алтае-Саянской складчатой системы заложен Горловский краевой прогиб.
Горный Алтай - это сложный комплекс древних складчато-глыбовых структур, сжатых на юге и веерообразно расходящихся на севере. Породы палеозоя смяты в антиклинории и синклинории. Эти структуры разбиты разломами с образованием межгорных прогибов. Имеется большое количество разрывных нарушений сбросового и надвигового типа. Впадины Алтая представляют собой прогибы, усложненные разломами. Дно впадин по сравнению с окружающими хребтами - это участки замедленного поднятия, лишь немногие являются территорией абсолютного опускания. Геологические породы, слагающие горную складчатость - кристаллические сланцы, метаморфические и осадочные (песчаники, известняки, мергель и др.). Эти толщи пронизаны интрузивными и эффузивными породами. Среди четвертичных отложений преобладают аллювиальные и ледниковые, особенно велика их мощность в долинах рек и межгорных котловинах (в Джугджурской котловине - 100-200 м, Чуйской 200-500 м, Уймонской около 200 м, Бертекской около 200 м, Курайской 200-500 м). Широко распространены галечники, пески, слагающие речные террасы [57]. Салаирский кряж представляет асимметричный мегаантиклинорий, образованный различными по масштабу складками, где доминируют древние до-кембрийские и кембрийские отложения. В пределах складчатой области и пограничной зоны наблюдаются разломы. Главные линии разломов имеют северо-западное направление, соответствующее основному направлению древней складчатости [57]. Основные морфоструктуры: Приобское плато, Бие-Чумышская возвышенность, Предалтайская равнина, примыкающие к горным поднятиям Салаира и Алтая (рис. 1.1) [31]. Граница между равнинной и горной частями бассейна местами прослеживается четко в виде уступа достигающего высоты 350 м, и второго с относительной высотой 550-600 м. В пределах Приобского плато получили развитие морфоскульптурные элементы флювиальной группы. Здесь представлена густая сеть речных долин, с полого выпуклыми междуречьями, растущими оврагами. Кроме того, плато прорезает система прямолинейных, параллельных друг другу ложбин, часто занятых долинами рек, системой озер и болот. Ложбины делят плато на систему плосковерхих гряд-увалов, вытянутых с юго-запада на северо-восток. Происхождение грядового рельефа пока неясно, более известны две гипотезы: тектоническая и эрозионная. Современная поверхность Салаира представляет поверхность выравнивания (пенеплен) высотой 400-500 м, на севере снижаясь до 300-350 м. Усложняет кряж сеть балок и долин рек, придающих вид системы сложно ветвящихся увалов, разделенных узкими долинами и логами. Встречаются многочисленные останцы высотой 100-200 м, состоящие в основном из слабо выветриваемых горных пород - кварцитов (г. Синюха, 618 м - наивысшая точка Салаирского кряжа), диоритов (горы Паланга, Колетка, 529 м, Мохнатая, 555 м), габбро, гранитов, и др. К западу от Салаирского плоскогорья располагается Предсалаирская равнина, отделенная от Бийско-Чумышской возвышенности долиной р. Чумы-ша. Особенность территории - спокойный сглаженный рельеф. Эрозионные останцы немногочисленны и не достигают большой высоты. С. С. Воскресенский выделил в пределах Алтая пять морфо-генетических типов морфоскульптур, ареалы распространения которых разобщены территориально, но близких по генетическим и морфологическим данным [31]. Среди них следующие: 1) высокогорный ледниковый рельеф; 2) среднегорный эрозионный рельеф; 3) низкогорный эрозионный рельеф; 4) древний эрозионный рельеф плато, в слабой мере измененный последующими процессами; 5) аккумулятивный рельеф межгорных впадин и предгорий. Комплекс морфоскульптур высокогорных ледниковых областей составляют: кары, троги, ригели, висячие долины притоков, карлинги и т.п. Наибольшие их распространения на Катунском, Чуйских хребтах, Сайлюге-ме и в меньшем количестве на других хребтах Алтая, что обусловлено рель-ефообразующей деятельностью современного и древнего ледников. На данный морфоскульптурный комплекс приходится около 2 4% площади горной территории. Часть древнеледниковых форм относительно хорошо сохранилась, другая в значительной мере преобразована эрозией. Среднегорный эрозионный рельеф - самый распространенный тип рельефа, на который приходится около половины территории Алтая. Благоприятные условия для его развития - это значительное количество осадков (особенно западной части Алтая), и реки берущие начало из ледников, многоводные от самых источников, также наличие значительных уклонов, что определяет большие скорости течения. Данный тип увеличивает свою площадь за счет уничтожения древней поверхности выравнивания и месте горноледникового рельефа.
Факторы и закономерности пространственной корреляции годового стока
Для анализа степени синхронности (асинхронности) колебаний годового стока с применением корреляционного анализа нами использованы результаты наблюдений Западно-Сибирского УГМС по 2001 г включительно. Наиболее длинный ряд имеет р. Бия - ст. Бийск (1895-2001 гг.). Выше показано, что продолжительность наблюдения на 86 гидрологических пунктах существенно различается (от 1 года до 106 лет, табл.2.1, Приложение 2).
Встречаются реки, для которых продолжительность наблюдений не превышает 5-Ю лет. Следовательно, важно рассмотреть вопрос о влиянии выбора периода наблюдений (начало, конец, продолжительность) на количественную оценку коэффициентов парной корреляции годового стока. Для дальнейшего анализа было отобрано 46 бассейнов с периодом совместных наблюдений, превышающим 20 лет (табл. 2.1, Приложение 2) [47, 48].
Некоторые из рассмотренных бассейнов имеют достаточно длительные ряды наблюдений (совместный период с 1932 по 2001 г.г.) (табл. 2.8), что позволяет рассчитать коэффициенты парной корреляции по десятилетиям, двадцатилетиям, тридцатилетиям и так далее.
В результате появляется возможность проследить за изменениями коэффициентов корреляции на различных отрезках временного ряда. В табл. 2.9-2.14 и на рис.2.11-2.19 (Приложение 2) приведены коэффициенты парной корреляции при различном выборе года начала (окончания) этих отрезков и для различной их продолжительности (10, 20, 30 и т.д. лет). Как и следовало ожидать, с увеличением продолжительности изменчивость коэффициентов корреляции уменьшается. Если продолжительность отрезков временной оси превышает 30 40 лет, то отклонения коэффициента корреляции от его многолетнего значения становятся минимальными. К этому же следует добавить, что амплитуда колебаний коэффициента парной корреляции (г) по 10-, 20-, 30- и т.д. - ле-тиям зависит от значения г за многолетний период: чем выше г, тем меньше амплитуда его колебаний (табл. 2.9-2.14, рис. 2.11-2.19). Отмеченные особенности вполне согласуются с теоретическими выводами об оценке случайных погрешностей выборочных данных.
Из приведенных данных следует, что целесообразно проводить анализ рядов с продолжительностью свыше 40 лет совместных наблюдений, однако число таких парных вариантов существенно сократится относительно всех имеющихся пар.
Отмечается общая закономерность снижения коэффициента парной корреляции для большинства бассейнов рассматриваемой территории с конца 90-х - начало 2000-х, что объясняется тем, что амплитуда колебаний стока за последнее десятилетие несколько снизилась. Эта закономерность подтверждается интегрально-разностными кривыми, на которых в начальные периоды наблюдений размах колебаний стока был значительней, чем в последние 15-20 лет.
Показатели точности оценок выборочных коэффициентов корреляции, установленные непосредственно по материалам наблюдений, характеризуют данные табл. 2.15, где в шестом столбце приводится величина стандартного отклонения выборочных коэффициентов корреляции для отрезков времени (п = 20, 30 и т.д. лет), а седьмом столбце - амплитуда колебаний (т.е. разница максимального и минимального значений коэффициента корреляции). Максимальное отклонение рассчитанных выборочных коэффициентов корреляции от их многолетних значений относятся к случаям, когда выборка включает данные за последние 10-15 лет, причем выборочные значения г меньше многолетних. Представляет интерес сравнение показателей случайных ошибок выборочных значений коэффициентов корреляции (столбцы 6 и 7, табл. 2.15), полученных по данным наблюдений, с теоретическими их оценками. Согласно В.И. Романовскому [107], при достаточно больших п (более 20-25) средняя квадратическая ошибка коэффициента парной корреляции определяется по формуле:
Эти результаты показывают, что теоретические оценки сг оказываются в ряде случаев больше выборочных (шестой столбец), рассчитанных непосредственно по данным наблюдений за и-летние периоды.
Дело в том, что, теоретический аппарат оценки случайных погрешностей выборочных данных разработан применительно к нормально распределенным и не зависимым статистическим данным. Принятый в настоящей работе расчет выборочных коэффициентов корреляции по скользящим я-летиям приводит к сильной зависимости коэффициентов парной корреляции, что дополнительно подтверждается результатами расчетов, представленных в табл. 2.9-2.14, Приложение 2, в которой коэффициенты корреляции по скользящим я-летиям имеют четко выраженный сглаженный ход с высоким коэффициентом автокорреляции. Следовательно, приведенные теоретические и выборочные оценки, строго говоря, несопоставимы, так как теоретический аппарат для оценки случайных погрешностей коэффициентов корреляции скользящих я-летий не разработан. Теоретические оценки средней квадратичной ошибки по формулам (2.12) и (2.13) характеризуют отклонения коэффициентов корреляции только за счет случайной флуктуации выборочных данных. Территориальная изменчивость этих коэффициентов существенно больше за счет пространственной неоднородности условий формирования стока. Эти вопросы будут рассмотрены ниже.
Расчеты выборочных коэффициентов корреляции по скользящим я-летиям выполнены нами с той целью, чтобы оценить возможное влияние на тесноту парных связей изменения календарных сроков начала и окончания совместных наблюдений, которые могут существенно различаться для исследуемых пунктов. Большинство рассматриваемых нами рядов наблюдений заканчиваются в 2001 г. Следовательно, коэффициенты парной корреляции в этих случаях окажутся несколько заниженными, поскольку включение последнего периода дает снижение тесноты связей годового стока. Это обстоятельство окажется более заметным при длительности рядов совместных наблюдений меньше 30 лет, и в случае средней и низкой корреляции. Таким образом, наши результаты дают некоторый «запас прочности», то есть более осторожные (несколько заниженные) оценки тесноты корреляционных связей годового стока.
Типы ландшафтов бассейна Верхней Оби и характеристика их стокооборазующей роли
Напомним, что в широком понимании ландшафты - это геокомплексы, которые отличаются однородностью совокупности взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов. Изучению ландшафтов, их классификации посвящены труды ряда ведущих исследователей: Л.С. Берга [18,19], Н.А. Солнцева [119,120], СВ. Калес-ника [65], А.Г. Исаченко [61-64], Г.Д. Рихтера [103], B.C. Преображенского [100], Н.А. Гвоздецкого [35,36], А.Е. Фединой [142], Ф.Н. Милькова [92], Д.Л. Арманда [14], Н.А. Солнцева [118-120], В.Б. Сочавы [123-127], В.А. Николаева [94], Г.С. Самойлова [109-112] и др. Согласно Н.А. Солнцеву [118] ландшафту отвечают следующие условия: однородный геологический фундамент территории; однотипная история развития; общность климатических условий (внутри ландшафтов может изменяться местный климат). Морфологическими частями ландшафта является набор простых территориальных комплексов - урочищ и фаций. Естественные границы, разделяющие ландшафты, представляют, переходные полосы разной ширины. Причинами смены ландшафтов нередко являются постепенные изменения климатических (зональных, азональных, с высотой или по экспозиции склонов), геолого-геоморфологических и других условий. Они приводят к изменению во всех элементах ландшафта, хотя пространственные переходы проявляются по-разному: границы климатические - более расплывчатые, геолого-геоморфологические - более четкие, а почвенные и геоботанические могут быть как расплывчатыми, так и более четкими. Две трети бассейна Верхней Оби - это горная территория, где ландшафтная дифференциация приобретает ярусное строение. Причиной высотной поясности является изменение теплового баланса и условий увлажнения с высотой. С климатической высотной поясностью связана смена типов почв, растительного и животного мира и других компонентов природного комплекса, оказывающих влияние на речной сток. Важными факторами ландшафтной дифференциации гор служат [103], [62]: 1. Абсолютная высота горной системы. Чем выше горная система, тем ярче проявление смены природных процессов. Кроме того, чем выше горная система, тем больше ее роль в деформации фронтальных разделов между воздушными массами. 2. Географическое положение горной системы. 3. Экспозиция склонов.
Отмечается дифференциация ландшафтов по склонам разной экспозиции (наветренных и подветренных), солярная (инсо-ляционная) и ветровая (циркуляционная) экспозиции. 4. Сложность горной системы. Сложная дифференциация поверхности, т.е. чередование горных хребтов, замкнутых и полузамкнутых межгорных и внутригорных котловин, вытянутых как вдоль горных хребтов, так и поперек им. Межгорные котловины, особенно лежащие внутри сложных горных стран, окруженные высокими хребтами, представляют собой достаточно изолированные с самостоятельными особенностями трансформации воздушных масс территории. И как следствие проявление инверсии вертикальной зональности. По Е.А. Рихтеру можно отметить следующие их проявления: на днищах малых межгорных котловин формируются геокомплексы более холодные, чем те, что лежат выше по склону; на днищах обширных, обычно замкнутых котловин формируются более сухие и жаркие геокомплексы, чем те, что занимают прилегающие подножья горных систем. Систематизировать ландшафты достаточно сложно. Существует ряд работ в области теории классификации ландшафтов и конкретных классификационных построений. Среди них Н.А. Гвоздецкого (1961), А.Г. Исаченко (1965, 1975), В.Б. Сочавы (1972), М.А. Глазовской (1964), В.А. Николаева (1979) и др. Общие вопросы географической классификации отражены в работах Н.И. Михайлова (1956), Д.Л. Арманд (1975) и др. Ниже для выявления стокоформирующей роли ландшафтов мы используем ландшафтную карту Алтая (1982), составленную Алтайской комплексной экспедицией МГУ, ИГС и ДВ СО АН СССР (Иркутск), и опубликованную в Атласе Алтайского края [4]. За основу в ней принято структурно-генетическое деление природных комплексов в виде многоступенчатой иерархии таксонов (В.А. Николаев, 1979): отдел, система, подсистема, класс, подкласс, группа, тип, подтип,род, подрод, вид, подвид (табл. 3, Приложение 3). Главной единицей картографирования являются виды ландшафтов, которые группируются в классификационные категории более высоких таксономических рангов. Крупными классификационными категориями наземных ландшафтов являются классы: равнинных и горных ландшафтов, дифференцированные по важнейшим морфотектоническим признакам и типу проявлений природной зональности. Классы, состоят из подклассов: возвышенных, низменных, низинных ландшафтов на равнинах, высокогорных, среднегорных, низкогорных, межгорно-котловинных, горно-долинных в горах. Далее по степени дренированности и своеобразию геохимического режима в каждом классе выделены группы дренированных (элювиальных и неоэлювиальных), слабодренированных (полугидроморфных) и недренированных (гидроморфных) ландшафтов. По основным биоклиматическим признакам ландшафты разделены на типы и подтипы. Находясь в той или иной группе, они образуют либо зональные (свойственны главным образом элювиальной группе), либо интразональ-ные ряды (представители, как правило, гидроморфной группы).
Методика оптимизации нормы годового стока для выделенных СФК
Расчеты MJlj на основе этой системы уравнений выполняются путем решения обратной задачи. Подобный подход одним из первых применил М.В. Болгов для оценки "поясного стока" [20]. В.Н. Федоров (1992) и О.В. Га-гаринова (2001) осуществляют решение систем линейных уравнений (3.1, 3.2) относительно MHj методом сингулярного разложения, который, по мнению авторов, позволяет получить достаточно устойчивые результаты.
В настоящей работе мы используем метод оптимизации, позволяющий отыскать такие значения неизвестных параметров (М/7/), для которых некото рый критерий качества, характеризующий сходимость вычисленных и измеренных величин нормы годового стока, достигает экстремума (минимума). Различные модификации оптимизационных процедур, применяемые в гидрологии, рассматриваются, например, в [85].
Метод оптимизации широко применяется для определения параметров гидрологических моделей стока по наблюдениям на входе и выходе. В нашем случае входными величинами являются площади ландшафтных ареалов fy для бассейнов исследуемой территории, наблюдения на выходе - нормы модулей годового стока этих бассейнов, искомые параметры - нормы модуля стока MJIj для каждого СФК. За критерий качества т, характеризующий точность оптимизации, принят известный в гидрологических прогнозах показатель т: где s - средняя квадратичная ошибка расчетов годового стока по уравнению (3.1, 3.2), а- стандартное отклонение нормы годового стока по совокупности всех рассматриваемых рек.
Возможность получения наилучшего результата зависит от достигнутого уровня развития как ландшафтного метода в целом, так и гидрологии ландшафтов. Качество решения конкретной задачи зависит от точности и детальности применяемой ландшафтной карты и от представительности исходной выборки данных о речном стоке, которая должна быть не только большой по объему, но в которую также должны входить бассейны, представительные в отношении наборов СФК. Принципиально важно, что метод оптимизации позволяет осуществлять поиск в заданном интервале, заключенном между возможными максимальными и минимальными значениями неизвестных параметров. Выбор интервала производится исходя из опыта исследований стока в различных физико-географических условиях. Таким образом, используемый в диссертации подход дает возможность учесть этот опыт, что снижает уровень неопределенности и увеличивает точность получаемого решения.
Таким образом, для успешного решения задачи оптимального поиска необходимо оценить "начальное приближение", т.е. приближенные (предполагаемые) значения ландшафтного стока и их экстремальные (максимальные и минимальные) значения. Величину стока с отдельных СФК в первом приближении удается определить по стоку в замыкающих створах рек, у которых ландшафтная структура бассейна достаточно "проста", т.е. представлена двумя-тремя СФК при ведущей роли какого-либо одного из них (табл. 3.11).
Для предварительной оценки ландшафтного стока нами также учтены данные В.Н.Федорова и А.Н. Антипова [141]. Кроме того, принцип расчета и результаты В.П. Галахова по ледниковым рекам [34], позволили рассчитать сток рек в первом приближении с гляционивальных ландшафтов, их ледниковой и безледниковой составляющих.
На основе исходного материала о величине ландшафтного стока, мы определили в первом приближении предполагаемые значения ландшафтного стока и их экстремальные (максимальные и минимальные) значения с учетом возможных ошибок этой грубой оценки (табл. 3.12). Все указанные материалы положены в основу расчетов ландшафтного стока методом оптимизации. Оптимизационная программа для ПЭВМ составлена проф. Д.А. Бурако-вым. В ней реализован алгоритм Розенброка [85]. Напомним, что расчеты и анализ проводились по семидесяти двум бассейнам рек Верхней Оби (табл. 3.13, Приложение 3). Рассмотрим показатели точности результатов оптимизации. Ход работы мы разбили на 2 этапа. Первый этап охватывал анализ бассейнов всех высотных зон, за исключением содержащих высокогорные гляционивальные ландшафты. Второй этап включает расчет по всем взятым для работы бассейнам [42,46].
