Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методика моделирования региональных характеристик стока и показателей экологического состояния регионов, зависящих от стока 10
1.1. Существующие цели прогноза стока 10
1.2. Основные методы моделирования стока для решения задач прогноза и управления в водном хозяйстве и гидротехнике 11
1.3. Проблемы учета региональной специфики управления природопользованием и водопользованием. Специфические особенности динамики сложных систем и возможности их формализации 17
1.4. Базовые принципы методологии интегрального моделирования. Эффект аутостабилизации в природе и в моделях 21
1.5. Минимальные модели 22
1.6. О возможности применения системного анализа для формального описания природного территориального комплекса 24
1.7. Обзор методов интегрального геоэкологического моделирования и прогнозирования. Существующие методы моделирования стока 29
1.8. Выводы 32
Глава 2. Моделирование поверхностного стока, пополнения грунтовых водозапасов и морфодинамики гидросети 34
2.1. Общие принципы 34
2.2. Моделирование динамики стока. Моделирование поверхностного стока и пополнения грунтовых водозапасов 36
2.3. Моделирование грунтового стока и грунтовых водозапасов 37
2.3.1. Моделирование динамики грунтовых вод и грунтового питания рек 37
2.3.2. Влияние внутригодовой неравномерности осадков на формирование стока
2.4. Моделирование влияния растительности на сток, увлажнение территории и характеристики приземного микроклимата 44
2.4.1. Моделирование влияния растительности на температуру приземного слоя воздуха и скорость ветра 44
2.4.2. Моделирование влияния леса на структуру стока 45
2.4.3. Моделирование влияния растительности на испарение 47
2.4.4. Моделирование влияние леса на осадки. Результирующее влияние леса на сток 50
2.5. Моделирование процессов эрозии и динамики верхних звеньев гидросети. Описание блока морфодинамики гидросети 55
2.5.1. Имитационная модель интенсивности склоновых процессов 55
2.5.2. Система гидросети и сети временных водотоков. Параметры распределения по глубинам и моделирование их динамики во времени... 52
2.5.3. Моделирование изменений густоты овражно-бал очно-долинной сети 61
2.5.4. Изменения ширины днищ и крутизны бортов долин. Оценки и возможности их моделирования 64
2.5.5. Блок морфодинамики гидросети как минимальная модель динамики густоты и глубины расчлененности рельефа. Исследование с помощью пространственной модели развития эрозионной сети 65
2.5.5.1. Постановка задачи. Описание пространственной модели развития эрозионной сети 65
2.5.5.2. Верификация модели 71
2.5.5.3. Результаты имитационных экспериментов 73
2.5.6. Некоторые вопросы верификации блока морфодинамики гидросети 77
2.5.7. Учет неоднородности территории при оценке и моделировании динамики состояний элементов природных территориальных комплексов 82
2.5.7.1. Типы местности в пределах регионов и основные принципы моделирования динамики геоэкосистем с учетом неоднородности территории 82
2.5.7.2. Понятие структурной однородности территории и проблемы ландшафтного районирования для информационного обеспечения модели 87
2.6. Моделирование динамики заболоченности 90
2.7. Моделирование динамики мерзлотных условий 94
2.7.1. Общая постановка задачи 94
2.7.2. Основные переменные и концептуальная схема построения модели 96
2.7.3. Основные зависимости блока динамики мерзлотных условий 103
2.7.4. Моделирование динамики термокарста 105
2.7.5. Верификация блока динамики мерзлотных условий 107
2.8. Общая структура модели стока 111
2.8.1. Схема строения модели динамики стока и составляющих 111
2.8.2. Программная реализация модели стока 111
2.8.3. Функциональная схема программной реализации модели 113
Глава 3. Верификация модели динамики вод суши 118
3.1. Верификация блока на примере моделирования ряда локальных ситуаций 118
3.2. Верификация блока на примере моделирования динамики стока Волгис 1913 по 1980 гг 120
Глава 4. Примеры использования модели для решения практических задач 126
4.1. Прогноз изменений стока и морфодинамики гидросети вследствие глобального потепления климата для оценки перспектив развития речного транспорта России 126
4.2. Использование прогнозов изменений морфодинамики гидросети в Северных районах Тюменской области (СРТО) вследствие глобального потепления для оценки проблем газовой отрасли 138
4.2.1. Ключевые проблемы работы отрасли на территории Западной Сибири, обусловленные спецификой природных условий 138
4.2.2. Опасные природные явления на территории севера Западной Сибири, влияющие на функционирование газовой промышленности. Природные явления, влияющие на переходы газопроводов через реки... 140
4.2.3. Влияние изменений климата на функционирование газовой промышленности 147
4.2.4. Формулировка задачи для геоэкологических исследований с целью оценки влияния глобального потепления на функционирование газовой промышленности 150
4.3. Общая характеристика геоэкологических и геокриологических условий севера Западной Сибири и прогноз их изменений в результате глобального потепления
4.4. Проблемы транспортировки газа и их возможное обострение в связи с изменениями природной среды вследствие глобального потепления
4.4.1. Участки переходов газопроводов через реки
4.4.2. Линейные участки газопроводов
4.4.3. Проблемы освоения новых месторождений в условиях изменения природной среды вследствие глобального потепления климата
4.4.4. Выводы 167
Заключение
Литература
Приложение
- Основные методы моделирования стока для решения задач прогноза и управления в водном хозяйстве и гидротехнике
- Моделирование динамики стока. Моделирование поверхностного стока и пополнения грунтовых водозапасов
- Верификация блока на примере моделирования динамики стока Волгис 1913 по 1980 гг
- Использование прогнозов изменений морфодинамики гидросети в Северных районах Тюменской области (СРТО) вследствие глобального потепления для оценки проблем газовой отрасли
Введение к работе
Практическая актуальность экологических проблем, связанных с взаимодействием общества с окружающей средой, с изменением климата, с участившимися случаями природных катастроф в настоящее время диктует необходимость качественных прогнозов и обоснованности принимаемых решений на всех уровнях управления. Остановимся на некторых из них:
Использование возобновимых ресурсов, к которым относятся водные ресурсы, ресурсы почв, растительности, ресурсы территориальные (территория, доступная для любого вида деятельности по своим инженерно-геологическим условиям). Данные ресурсы обеспечивают функционирование и могут лимитировать хозяйственную деятельность отраслей сельского, лесного, водного, рыбного хозяйств, рекреации и индустрии отдыха, строительства, транспорта. Возможное недополучение продукции в перечисленных типах хозяйства при недостаточных запасах или плохом качестве данных типов ресурсов составляет суть проблем природопользования.
Истощительная эксплуатация возобновимых ресурсов, ухудшение их состояния в результате загрязнения среды, уничтожение их части при изменении структуры земельного фонда могут привести к невозможности их естественного самовосстановления в рамках экосистем. Эта ситуация грозит уже не только недополучением продукции в вышеперечисленных отраслях, а может привести к неизбежному кризису этих отраслей вследствие невосстановимого исчезновения ресурсов. Кроме того, необратимая деградация среды обитания ведет к коренному ухудшению эко-токсикологической обстановки жизни человеческой популяции, причем деградация биотических компонентов экосистем протекает обычно параллельно с резким ухудшением здоровья популяции.
Выше перечисленные проблемы, связанные с подрывом способности экосистем к самовосстановлению, составляют суть вопросов экологической
безопасности. Эти вопроськобычно; фигурируют при рассмотрении-, решений: в; ситуации; так называемых "ползучих" кризисов, обусловленных в,первую очередь экологическими причинами.
3) Можно; выделить и собственно экологические проблемы, суть которых состоит в сохранении некоторого разнообразия природной среды и очагов нетронутой природы для обеспечения общекультурных, научных и эстетических задач, а также с целью* создания некоего минимального резерва для возможного восстановления природной среды, если это потребуется для обеспечения экологической безопасности в дальней перспективе.
Наиболее актуальны с точки зрения практического управления проблемы природопользования и; экологической безопасности. К задачам такого типа;в прикладном аспекте их применения относятся:
а)задачи: оценки ущерба для возобновимых,и территориальных ресурсов данной? местности от строительства или продолжения* функционирования; какого-либо; объекта для целей; обоснования; природоохранных платежей; и ресурсных исков;
б) задачи планирования» природоохранных мероприятий для-* выхода из
экологических кризисов;
в) задачи прогноза наступления так называемых "ползучих"
экологических кризисов;
г) задачи прогноза динамики национального богатства стран и регионов в
части возобновимых ресурсов для целеш определения стратегии
ресурсопользования;
д) задачи комплексной оценки изменения? природно-ресурсного
потенциала конкретных территорий в, случае глобальных изменений
климата.
Для решения упомянутых проблем- необходим анализ экологического : состояния и экологический прогноз для всех видов ресурсов территории. Особо здесь следует выделить роль прогноза^ так как; экологическое состояние в принципе не может быть абсолютно неизменным, поэтому даже в простейших случаях оценки: текущего состояния необходим элемент прогноза;
Основой изучения данных проблем всегда является* ответ на вопрос «что будет, если». Ответ на этот вопрос должен удовлетворять ряду требований: 1) быть оперативным; 2) основываться на уже имеющейся информации в рамках традиционного природоведения; 3) быть компактно представленным, доступным для изучения и использования.
Одним из путей возможного решения задачи экологического прогноза является синтез методов традиционного естествознания и использования современных информационных технологий и мощных вычислительных средств. Проблема водных ресурсов является одной из ключевых, и к ней в полной мере относятся все перечисленные задачи. Большая часть существующих методик и моделей не рассматривает вопросы одновременного моделирования таких составляющих как:
морфодинамики гидросети и собственно стока;
динамики мерзлоты и собственно стока;
динамики болот и собственно стока.
Между тем все основные региональные тенденции изменения стока связаны с этими факторами - поверхностный сток с морфодинамикой и заболоченностью, фунтовый - с мерзлотой. Более того, без учета изменения этих факторов любое прогнозирование тенденций изменения стока является некорректным.
До сих пор недостаточно изучена проблема влияния леса на сток. Хотя влияние это общепризнанно, однако формализации различных гипотез и проверка их в рамках имитационных экспериментов не проводились. Вопросам моделирования динамики стока и эволюции объектов гидросферы суши для целей информационной поддержки управления природопользованием на региональном уровне, особенно с учетом упомянутых проблем, и посвящена данная работа.
В главе 1 анализируются методы экологического прогноза и имитационного моделирования в экологии. Делается вывод о невозможности решения ряда важнейших задач экологической экспертизы с помощью качественных методов прогнозирования. Другим следствием является
заключение о существовании ряда принципиальных ограничений' в имеющихся методах экологического моделирования. Методологическое исследование причин имеющегося кризиса в моделировании динамики экосистем регионального уровня позволяет сделать вывод о необходимости использования в моделировании таких общесистемных концепций, как концепция системообразующих факторов и концепция состояния сложных систем, что соответствует теоретическим понятиям о типизации состояний геоэкосистем в науках о Земле. На базе этих утверждений строится методика создания, верификации и эксплуатации имитационных моделей, основывающаяся на использовании знаний традиционного описательного естествознания, в целом имеющих качественный характер. Рассматриваются погрешности результатов работы моделей, построенных на базе вышеописанных принципов.
Далее приводится описание разработки модели динамики вод суши. Показано; что многие проблемы моделирования^ стока и динамики» запасов грунтовых вод можно успешно решить, используя методику комплексного геоэкологического моделирования, что не совсем традиционно для гидрологии, одной из немногих наук о Земле, имеющей свою собственную школу моделирования.
В главе 2 приведено формализованное описание морфодинамики гидросети региона как целостной! системы в ее взаимодействиях с экологическими и гидрологическими факторами, описаны модели динамики заболоченности и модели динамики мерзлоты. Изложение материала включает: общую структуру моделей, вывод основных формул, исследование моделей на минимальность. Приведено описание программной реализации моделей.
В главе 3 даны примеры верификации моделей вод суши и морфодинамики гидросети.
В главе 4 даются примеры применения разработанного блока моделей для решения ряда реальных проблем регионального природопользования.
Основные методы моделирования стока для решения задач прогноза и управления в водном хозяйстве и гидротехнике
Метод моделирования стока - это средство описания и воспроизведения естественного процесса речного стока, когда необходим анализ будущего режима работы исследуемой водохозяйственной системы.
Как показали многочисленные исследования закономерностей колебаний речного стока, этот процесс носит во многом вероятностный характер (как и большинство геоэкологических процессов). Поэтому прогнозирование стока также может быть осуществлено в вероятностной форме, когда каждой величине ожидаемого притока ставится в соответствие вероятность ее появления или, как принято в гидрологии, определенная обеспеченность (вероятность превышения).
Это положение было сформулировано С.Н. Крицким и М.Ф. Менкелем в разработанной ими теории регулирования речного стока, наиболее полно изложенной в монографии [59].
Однако, говоря о вероятностном характере речного стока, они не отвергали принцип причинности для его описания и считали, что «...в основе вероятностного описания речного стока лежат не прагматические соображения и не полнота наших знаний о процессе, а принципиальные соображения о сложной системе взаимодействующих причин и условий формирования стока, многие из которых поддаются только вероятностному описанию».
Ограниченные возможности постановки гидрометеорологических наблюдений, определяющих характер гидрологического режима, сложность и неравномерность природных процессов, многообразие физико-географических условий являются причиной того, что, имея правильное физическое представление о гидрологических процессах в целом, классическая гидрология не может дать достаточно полного математического их описания и рассчитать гидрологические характеристики с высокой степенью точности.
Отметим, что при обосновании вероятностного характера формирования стока смешиваются две принципиально различные группы стокообразующих факторов. При всем многообразии ландшафтных и геоморфологических условий их вполне возможно достаточно точно и подробно описать, а в настоящее время и спрогнозировать.
В то же время будущие метеорологические факторы, от которых зависит гидрологический прогноз, вносят в него наибольшую неопределенность и обусловливают существенную роль в них элемента вероятности. И эта неопределенность будет тем больше, чем более детальные (во времени и в пространстве) гидрологические модели применяются.
Действительно, если прогноз среднегодовых характеристик температуры и осадков для больших территорий является хотя и трудной, но принципиально возможной задачей, то детальный прогноз конкретных реализаций погодного режима (с точностью до декады, а тем более суток) достаточно затруднителен.
Таким образом, принципиальное положение о стохастическомхарактере колебаний речного стока предопределяет методическую основу анализа гидрологических характеристик, используемых для обоснования параметров и способов управления водохозяйственными системами. Основой всех водохозяйственных расчетов являются наблюденные последовательности гидрологических данных. Моделирование в этом случае есть математическое выражение вероятностных закономерностей, присущих колебаниям рассматриваемых гидрологических характеристик [109]. В основе вероятностных методов прогноза принимается гипотеза о стационарности процесса стока. Но эта относительная устойчивость гидрологического режима свойственна естественному, неизмененному речному стоку.
Основное внимание при гидрологическом прогнозировании уделяется связям стока, осадков и температур [7, 13, 14, 25, 36, 42, 59, 69, 80, 109, 126, 144].
Вероятностные закономерности отражаются в виде функций распределения вероятностей ожидаемых величин стока. При этом влияние на сток климатических и метеорологических характеристик исследуется для конкретных бассейнов, причем, чем длиннее ряды наблюдений, тем выше точность выявленных закономерностей. Но длинные ряды наблюдений охватывают принципиально различные ситуации на водосборах, обусловленные такими стокообразующими факторами (помимо температур и осадков), как структура земельного фонда, залесенность, заболоченность, расчлененность рельефа верхними звеньями гидросети, глубина грунтовых вод.
Изменения этих факторов за последние 100 лет в большинстве речных бассейнов, интересующих практиков (например, бассейн Волги), были весьма значительными [14] в результате водохозяйственной деятельности и гидротехнического строительства. Но не только чисто гидрологические и гидротехнические факторы, упоминаемые Великановым [14], были коренным образом изменены. Не меньшими были и косвенные воздействия. Например, после затопления водохранилища Чебоксарской ГЭС заболоченность Марийского Полесья возросла с 10-15% до 40-45%.
Сильно менялась и структура земельного фонда Центральной России (что не связано с гидротехнической деятельностью непосредственно, поэтому не привлекает внимание гидрологов). Так, распаханность и залесенность некоторых регионов Центральной России изменились за последние 100 лет в полтора раза.
Впрочем, вопрос о влиянии на сток залесенности и заболоченности так и остается нерешенным в современной гидрологии. Экспериментальные данные, полученные на основе наблюдений на парных водосборах или на основе наблюдений до и после антропогенных изменений на водосборе, часто приводили к прямо противоположным выводам для разных физико-географических условий [57, 68, 69, 127].
В этой ситуации строить статистические закономерности связи стока, осадков и температур на основе максимально возможных длинных рядов, охватывающих периоды с существенно отличающимися показателями структуры земельного фонда, расчлененности рельефа верхними звеньями гидросети и т.п. - не корректно.
Моделирование динамики стока. Моделирование поверхностного стока и пополнения грунтовых водозапасов
Схематизируя региональные процессы формирования стока, можно считать, что выпавшие атмосферные осадки в дальнейшем: 1) испаряются; 2) стекают по поверхности, формируя поверхностный сток; 3) фильтруются вглубь, пополняя грунтовые водозапасы. Эти тенденции и определяют динамику стока. Для ее моделирования будем полагать, что: где - RWS поверхностный сток (мм/год), PWG - пополнение грунтовых водозапасов (мм/год), EVR - испарение (мм/год), R - осадки (мм/год). Индекс р означает потенциально возможную в данных условиях интенсивность соответствующего процесса при избытке осадков. Здесь: ВМ„,..., ВМ53), (2.2.3) где fR - функция, Нтях, Кн, ап,.. .,а53, Dlb. . .,DS3 - описаны в блоке морфодинамики гидросети, В1Ь. . .,В5з, ВМ1Ь. . .,ВМ5з - биомасса и мортмасса растительности (т/га). CLW - коэффициент задается таблично в зависимости от NL - номера «типа литологической ситуации» (регионы, сложенные песком, глиной, суглинками и т.п.), т.е. от водонепроницаемости слагающих исследуемую территорию пород. Для каждого литологического типа задан ряд коэффициентов, характеризующих интенсивность испарения -CLHF, стока - CLW, фильтрации - CLG (таблица 2.3.1). Характеризуя выражение (2.2.3), следует отметить, что оно передает зависимость поверхностного стока от: а) рельефа (Нтах, Кн, ац,...,а5з); б) залесенности, заболоченности и структуры земельного фонда (Dn,...,D53, В1Ь...,В53, ВМи,..., ВМ53); в) литологии (CLW). где fP - функция, характеризующая влияние структуры земельного фонда и растительности на сток. EVR? - потенциальное испарение, которое вычисляется по известным эмпирическим зависимостям как функция от среднегодовой температуры Т и показателя увлажненности Hf [16, 17]. Затем "величина потенциального испарения уточняется с учетом влияния транспирации. В целом формулы (2.2.1)-(2.2.4) представляют собой обобщение многочисленных эмпирических зависимостей [42, 85, 118] и дают возможность формализовать существующие закономерности влияния на поверхностный сток и пополнение грунтовых водозапасов залесенности, заболоченности, распаханности, расчлененности местности и литологии слагающих пород. Следует отметить, что для одних и тех же R и Т значения RWS, PWG и EVR могут существенно различаться.
Очевидно, что чем больше RWS и PWG, тем меньше при прочих равных условиях возможное испарение EVR и тем больше дефицит влажности воздуха, который зависит от разности (EVRP - EVR). Но дефицит влажности определяет и эффективное увлажнение территории, оцениваемое через показатель Hf. Чтобы учесть влияние на эффективное увлажнение реальных деталей строения территории, для корректировки Hf вводится поправка как функция от разности EVR при заданных характеристиках строения территории и EVR, рассчитанного при заданных R, Т и неких "нормативных" характеристиках рельефа, литологии и земельного фонда. Динамика верхнего горизонта грунтовых вод описывается балансовым уравнением: A WGW = PWG - RWG - EGW - PWDG, (2.3.1) где AWGW - изменение водозапасов первого от поверхности горизонта грунтовых вод, PWG - пополнение водозапасов за счет осадков, RWG верховой грунтовый сток, EGW - испарение с поверхности грунтовых вод, PWDG - фильтрация в более глубокие горизонты. Размерность всех показателей - мм/год. Процесс формирования верхового грунтового стока связан с процессом "сработки" грунтовых водозапасов. Если допустить, что PWG, EGW, PWDG близки к нулю, то сработка грунтовых водозапасов и грунтовый сток RWG будут связаны только с падением уровня грунтовых вод [85]: где HGW - глубина уровня грунтовых вод (м), HWP - глубина водоупора (м), DH0 - значение в начальный момент времени t, а 0. где HWP - средняя глубина верхнего водоупора, К - коэффициент, зависящий от литологии, определяется пористостью, влагоемкостью и т.д. Выражение (2.3.2.) может быть преобразовано к виду: Учтем только ту часть грунтовых вод, которая может быть дренирована речной сетью данной глубины. Тогда: где Hmax - максимальная глубина долин, а коэффициент пропорциональности должен зависеть от литологии и густоты дренажа [37]. где CLG зависит от литологии (таблица 2.3.1.), a DH преобразуется к виду: В упрощенном виде можно представить темп фильтрации вод из верхних горизонтов вглубь - PWDG как некую фиксированную долю от где коэффициент KRDF :13 является региональной характеристикой. В этом случае глубинный подземный сток RWDG (мм/год) может быть представлен как многолетнее среднее от значений PWDG. Испарения с поверхности грунтовых вод EGW тем интенсивнее, чем меньше глубина их зеркала HGW, больше сухость климата (меньше Hf) и выше температура. По данным Ковды В.А. [51], даже в экстрааридных жарких районах грунтовое испарение близко к нулю при HGW 2 м. Испарение с поверхности грунтовых вод ведет к увеличению влажности почвы, изменению условий почвообразования и развития растительности, увеличивает значение- показателя Hf в гидроморфных условиях. Обозначим изменение Hf вследствие близкого залегания грунтовых вод через DHfi.
Верификация блока на примере моделирования динамики стока Волгис 1913 по 1980 гг
Вопрос о динамике стока Волги, его прогнозировании и причинах, определяющих его колебания, актуальны в научном и практическом плане. Поэтому верификация модели динамики вод суши проводилась на примере моделирования стока Волги. Натурные данные о суммарном стоке Волги и о стоке с определенных частей её бассейна были предоставлены Институтом водных проблем РАН в рамках работ по программе «Глобальные изменения природной среды и климата».
Схема расположения моделируемых водосборов представлена на рис. 3.3. Годовой слой стока с указанных водосборов определялся на основе данных об объеме годового стока в отмеченных створах.
Моделирование стока проходило по следующей схеме. С помощью модели стока рассчитывался годовой слой стока для всех ландшафтно-экологических регионов, входящих в каждый из водосборов. Детальность ландшафтно-экологического районирования характеризует рисунок 3.3. Моделированием был охвачен период с 1913 по 1980 гг. Выбор временного интервала определялся исходя из соображений обеспеченности данными как гидрологического, так и климатического характера. Кроме того, период с 1913 по 1980 гг. обеспечен данными о динамике структуры земельного фонда на всех выделенных водосборах. Ряды метеоданных, необходимых для работы модели для всей указанной территории за весь исследуемый период, были получены в рамках совместных работ с рядом организаций по заданию Комитета по экологии и ресурсам Верховного Совета РСФСР.
Далее проходила привязка значений соответствующих метеопараметров к конкретным территориям. Использовались ряды метеоданных, осредненных по административным областям как наиболее доступные.
При этом если ландшафтно-экологический регион находился одновременно в нескольких административных областях, использовались последовательно ряды метеоданых всех областей, составляющих данный регион. Например, если ландшафтно-экологический регион одновременно находится в Московской и Калужской областях, то расчетные ряды слоя годового стока получали, соответственно, на основе «московского» и «калужского» рядов метеопараметров. Полученные таким образом ряды гидрологических характеристик затем усреднялись, и в итоге для каждого ландшафтно-экологического региона были получены значения годового слоя стока с 1913 по 1980 гг. Далее для каждого водосбора суммировались гидрологические ряды с весовыми коэффициентами, равными доле площади каждого ландшафтно-экологического региона в данном водосборе. Так были получены средние значения годового слоя стока для каждого выделенного водосбора с 1913 по 1980 гг. Сравнение результатов моделирования с натурными данными представлено на рис. 3.4.-3.10. Формальная оценка адекватности зависимости проводилась путем анализа статистического распределения ошибок аппроксимации - разности между вычисленными и натурными значениями (невязки). Прогноз динамики стока в каждой точке ряда в этом случае представлен неким диапазоном возможных значений, величина которого определяется доверительным интервалом невязки путем стандартной процедуры на основе анализа натурного ряда.
Мерой надежности прогнозирования будет уровень оправдываемое прогноза - доля расчетных точек, в которых реальная невязка не выходит за пределы теоретически вычисленного доверительного интервала. Доверительный интервал невязки был определен при доверительной вероятности 80%. Распределение ошибок аппроксимации было признано нормальным (табл. 3.2). Достоверно попадают в заданный доверительный интервал 70-80% расчетных значений. Все это дает возможность получить количественную оценку точности и надежности гидрологических прогнозов с помощью модели динамики вод суши, что необходимо при использовании этих прогнозов для принятия решений в области природопользования и в инженерной практике. Как видно из таблицы 3.2, результаты прогноза в целом соответствуют принятым в традиционной гидрологии стандартам точности прогнозирования (рис. 3.4-3.10).
Прежде всего, стоит остановиться на рассмотрении соотношения натурных и расчетных данных по бассейну Волги в целом (рис. 3.4.). Моделью адекватно передаются межгодовые амплитуды колебания годового стока, долгосрочные тенденции его изменения, и многолетние средние значения. Заметим, что многолетние средние натурные и расчетные значения стока для данного ряда различаются всего на 2%. Это весьма высокий показатель для гидрологических прогнозов.
Основными источниками погрешностей и несоответствия расчетного и натурного ряда служат периоды с 1924 по 1927 гг. и с 1942 по 1947 гг. (рис. 3.4.). Расхождение данных определяется неадекватностью имеющейся гидрологической и метеорологической информации, обусловленной дезорганизацией гидрометеослужбы в период после гражданской войны, а также в период Отечественной войны и восстановления народного хозяйства. Следует отметить, что высокая- степень соответствия натурных и расчетных данных была бы невозможна без учета реальной динамики земельного фонда на водосборах. Так, период с 1949 по 1970 гг. характеризовался1 последовательным ростом распаханности водосбора Волги и падением залесенности. В целом по бассейну Волги доля пашни за этот период увеличилась, на 15%. Без учета этого фактора расчетные данные стока, как показали имитационные эксперименты, существенно отличались.
Соотношение натурных и расчетных данных по некоторым водосборам представлено на рис. 3.5.-3.10. Эти водосборы имеют различные ландшафтно-экологические и климатические характеристики и выбраны, чтобы продемонстрировать степень адекватности работы модели при моделировании стока в существенно различающихся природных условиях.
Использование прогнозов изменений морфодинамики гидросети в Северных районах Тюменской области (СРТО) вследствие глобального потепления для оценки проблем газовой отрасли
Из 47,8 трлн. м разведанных запасов газа в России 36,9 трлн. м или 77% сосредоточено в Западной Сибири [123]. Причем подавляющее большинство газовых месторождений Западной Сибири находится на территории ее северных районов в зоне распространения вечной мерзлоты. Это так называемые «северные районы Тюменской области» (СРТО).
Поэтому при исследовании проблем функционирования и развития газовой отрасли имеются в виду в первую очередь вопросы работы объектов газовой промышленности на севере Западной Сибири в СРТО. Именно возможное изменение мерзлотных условий вследствие глобального потепления климата и их негативное гипотетическое влияние на добычу и транспортировку газа выдвигается как одна из основных угроз для экономики России, которая определяется этим потеплением [93, 94].
Вместе с тем, без предварительной проработки вопроса о влиянии мерзлоты на функционирование хозяйства в соответствующих районах не следует делать однозначный вывод о катастрофичности этого процесса для добычи и транспортировки газа. Поэтому разработанная модель и соответствующие методики комплексного геоэкологического прогноза были использованы для решения этой задачи. Предварительное исследование проблемы позволило выделить вопросы, которые надо изучить в рамках оценки влияния глобального потепления на функционирование газовой отрасли: 1) Влияние деградации мерзлоты на транспортировку газа. Это объясняется тем, что газопроводы являются протяженными объектами; и в гораздо большей степени подвержены влияниям природной среды, чем относительно компактные места добычи газа. Кроме того, обслуживание коммуникаций требует постоянной готовности ремонтных служб к работе в разных местах в отдалении от баз, что осложняет эксплуатацию газопроводов. При этом проблема обслуживания газопроводов подразделяется на две основные задачи: а) обслуживание переходов через реки и крупные линейные эрозионные формы; б) проблема обслуживания линейных участков газопроводов. Эти задачи требуют отдельного рассмотрения, ибо имеют различную специфику, а влияние природных факторов на работу газопроводов по-разному проявляется в рассматриваемых ситуациях. 2) Влияние изменений мерзлотных условий и вообще природной среды на возможности освоения новых месторождений газа.
Характеризуя систему газопроводов в исследуемом регионе, следует отметить, что на территории Тюменской области проложены следующие системы магистральных газопроводов: Уренгой-Новопсков, Ямбург-Центр, Перегребное-Пунга-Ухта, СРТО-Торжок, СРТО-Нечерноземье. Газопроводы проложены, в основном, в одном техническом коридоре, наибольшие отклонения трасс от этого коридора не превышают 15 км. В географическом отношении на участке от месторождений газа до Уральского хребта трассы газопроводов расположены в границах 63-67 северной широты и 65-74 восточной долготы.
В административном отношении трассы газопроводов расположены на территории Надымского, Пуровского, Приурального районов Ямало-Ненецкого автономного округа и Белоярского, Березовского, Октябрьского районов Ханты-Мансийского автономного округа Тюменской области.
Трассы газопроводов проходят по Западно-Сибирской равнине. До широты компрессорной станции "Надымская" трасса пересекает тундру и лесотундру с прерывистым распространением многолетнемерзлых пород. Далее она проходит по территории северной тайги. Протяженность трасс газопроводов на территории Тюменской области значительна, например, длина трассы СРТО-Торжок равна 1006 км, а длина трассы СРТО-Нечерноземье — 1150 км.
Территория прохождения газопроводов расчленена значительным числом малых, средних и крупных водотоков, логов, оврагов, подверженных боковой и донной эрозии. Эти процессы значительно усиливаются вследствие следующих факторов: нарушения естественного состояния грунтов при строительстве, подпруживания паводкового стока инженерными сооружениями (насыпи автодорог), расположением подводных или балочных переходов в излучинах. В результате происходит размыв русла и оголение береговых участков дюкеров или подмыв опорных частей оснований балочных переходов. Отступание размываемых берегов вызывает расширение подрусловых таликов, которое способствует "сходу" опор трубопроводов с пойм в русло.
Прокладка трубопроводов вблизи берегов озер влечет за собой нарушение равновесного состояния прибрежных грунтов. Воздействие озерного волнения (абразия) на грунты с разрушенной структурой усиливается, что вызывает рост аварийных ситуаций.
Основными особенностями тундровых рек являются их повышенная извилистость и аномально широкие поймы, являющиеся следствием крайне интенсивной их боковой эрозии. Поймы, долины» и придолинные части междуречий лесотундровых и северотаежных рек заняты преимущественно лесами, существенно регулирующими поверхностный и внутрипочвенный сток, а также характер прохождения половодий и паводков на реках. Помимо этого, корневые системы деревьев и подлеска обусловливают относительно высокую противоэрозионную устойчивость пойменных почвогрунтов. Все это вместе взятое существенно ограничивает боковую эрозию лесотундровых рек в естественных условиях.
В зоне тундры поймы заняты преимущественно тундровыми растительными сообществами, способными противостоять поверхностному смыву, но обладающими низкой противоэрозионной способностью по отношению к речному потоку. Более того, моховые и лишайниковые покровы имеют очень низкую регулирующую способность по отношению к поверхностному и внутрипочвенному стокам (коэффициент стока в этих условиях достигает 0,7- 0$), что обусловливает резкие подъемы и спады половодий и паводков на тундровых реках, "залповый" характер их развития и прохождения.
Извилистость рек связана с регрессивной аккумуляцией наносов, что сопровождается подъемом уровня воды в реке, расширением русла и усилением боковой эрозии.
Развитие русел идет различными темпами в периоды с повышенной и пониженной водностью рек. Во влажные периоды наблюдаются усиление глубинной эрозии, вынос наносов вниз по течению, сужение и спрямление русел. В сухие, наоборот, идет заполнение русел наносами, расширение русел, обострение боковой эрозии. Удовлетворительный прогноз руслоформирования невозможен без прогноза влажных и сухих климатических циклов в предстоящие 30 и более лет (расчетный период эксплуатации трубопроводных систем).
