Закономерности формирования элементов водного баланса речных водосборов Беларуси в современных условиях

• Автор: Волчек, Александр Александрович
• Шифр специальности: 25.00.27
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Брест
• Количество страниц: 297 с. : ил. + Прил. (с.298-424: ил.)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. МАТЕРИАЛЫ И НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА

1.1. Условия формирования водных ресурсов Беларуси

1.2. Источники исходной информации

1.3. Методика анализа однородности рядов элементов водного баланса

1.4. Метод оценок средних значений элементов водного баланса

1.5. Методика исследования пространственно-временных колебаний элементов водного баланса

1.6. Оценка точности расчета характеристик статистических полей

1.7. Методы оценки колебаний элементов водного баланса

1.8. Основные проблемы моделирования и прогнозирования элементов водного баланса

1.9. Выводы
2. ОЦЕНКА ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА РЕЧНЫХ
ВОДОСБОРОВ БЕЛАРУСИ
2.1. Обоснование метода расчета суммарного испарения и адаптация его к условиям Беларуси
2.2. Оценка стока малых рек Беларуси при отсутствии данных наблюдений
2.3. Оценка устойчивости статистических характеристик временных рядов элементов водного баланса
2.4. Восстановление гидрометеорологических характеристик и анализ продленных временных рядов
2.5. Выводы
3. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА И ИХ КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА
3.1. Оценка однородности временных рядов элементов водного баланса
3.2. Характеристика пространственно-временных колебаний основных элементов водного баланса Беларуси
3.2.1. Атмосферные осадки
3.2.2. Речной сток
3.2.3. Суммарное испарение
3.2.4. Почвенные влагозапасы
3.2.5. Баланс естественного увлажнения
3.3. Оценки асинхронности элементов водного баланса
3.4. Выводы

4. ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА И ИХ
ПРИЧИНЫ
4.1. Количественная оценка изменения элементов водного баланса
4Л. 1. Атмосферные осадки
4Л .2. Речной сток
4Л.З. Суммарное испарение
4.1.4. Почвенные влагозапасы
4.2. Влияние трансформации ландшафтов Полесья на водный режим
4.3. Изменение гидрохимического режима рек
4.4. Выводы
5. ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО БАЛАНСА
5.1. Анализ автокорреляционных функций с целью моделирования и прогнозирования многолетних колебаний элементов водного баланса
5.2. Анализ цикличности элементов водного баланса как основа моделирования и прогнозирования многолетних колебаний
5.3. Структура многолетней изменчивости стока малых рек
5.4. Прогнозирование годовых расходов воды рек с помощью нейронных сетей
5.5. Оценка изменения водного режима малых рек Полесья при различных сценариях климата будущего
5.6. Оценка влияния прогнозируемого глобального потепления на водные ресурсы минеральных почв Белорусского Полесья
5.7. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Приложение А Вспомогательная информация к расчетам элементов водного баланса
Приложение Б Вспомогательная информация для анализа пространственно-временных колебаний элементов водного баланса . 317 Приложение В Вспомогательная информация для анализа изменений
элементов водного баланса
Приложение Г Вспомогательная информация для прогноза изменения
элементов водного баланса
Приложение Д Решение некоторых прикладных задач с использованием сведений о статистической структуре полей элементов
водного баланса
Приложение Е Акты внедрения результатов исследования

Главным отличием водных ресурсов от других природных ресурсов является их всеобщая потребность и непрерывная возобновляемость, что приводит к изменчивости их во времени и пространстве и усложняет разработку научно обоснованной схемы комплексного и рационального использования водных ресурсов. Все более сложными, требующими значительных затрат средств становятся вопросы обеспечения потребностей в воде, защиты вод от загрязнения и истощения, охраны природы при водохозяйственном строительстве.
В качестве критерия полноты и надежности удовлетворения требований рационального водопользования выступают складывающиеся соотношения между водными ресурсами и потреблением воды - водные и водохозяйственные балансы [380]. Они объективно отражают существующие в природе соотношения между приходом и расходом влаги, сложившейся в речных водосборах, представляют наиболее полную комплексную характеристику водных ресурсов этих водосборов. Ключевым моментом при решении уравнений водного и водохозяйственного балансов является корректное определение составляющих этого уравнения. Элементы водного баланса (ЭВБ) (речной сток, атмосферные осадки, суммарное испарение, влажность почвы и др.) обладают большой изменчивостью, как во времени, так и в пространстве, при этом их колебания отличаются значительной асинхронностью. Установление закономерностей формирования и развития природных процессов с целью их прогнозирования и управления являются основной задачей современной науки. Управление водными ресурсам?! является одной из важнейших практических задач в водном хозяйстве, решение которой возможно лишь на основе познания закономерностей формирования водного режима территории. В то же время ограниченность наших знаний о количественных соотношениях между элементами теплоэнергетического и водного балансов и существующих между ними связях не позволяет полностью раскрыть их природу и механизмы, а, следовательно, предусмотреть и учесть последствия в различных отраслях хозяйственной деятельности и адаптировать их к изменяющимся условиям природной и антропогенной нагрузок. Участившиеся случаи экстремальных составляющих водного баланса приводят к серьезным экономическим ущербам и даже к гибели людей. Это требует более глубокого анализа составляющих теплоэнергетического и водного балансов при проектировании водохозяйственных объектов и управлении водными ресурсами.
Интенсивное использование водных ресурсов неизбежно нарушает естественный режим территории и зачастую не в лучшую сторону. Выявление характера этих нарушений, их количественная оценка, а также прогноз поведения элементов теплоэнергетического и водного балансов необходимы для разработ-

это процентное соотношение близко к нулю. Данная размерность D и будет являться подходящей размерностью для пространства вложения.
После нахождения параметров вложения и задержки можно построить вложение временного ряда в псевдофазовое пространство (л:(г),л(? + г) л(/ + (Л^-1)г)) размерности N = 2[m] + l, где т - фрактальная размерность временного ряда, а [.] - целая часть числа. При этом, зная (N-1) координату, можно однозначным образом определить оставшуюся, т.к. временной ряд лежит на поверхность в псевдофазовом пространстве задержек. Тем самым задача прогнозирования временного ряда сводится к задаче аппроксимации функции многих переменных функциями одного переменного. Данная проблема может быть решена с использованием двухслойных нейронных сетей прямого распространения без обратных связей [387].
Возьмем нелинейный многослойный персептрон (MLP) с как минимум (D1) нейроном в распределительном слое (где D является размерностью пространства вложения), единственным скрытым слоем нейронов с нелинейной функцией активации и одним нейроном в последнем слое. При обучении сети, на нейроны распределительного слоя подаются значения [.*(/), x(t+z) x(t+(D2)т) а в качестве цели берется значение x(t+(D-l)r). Такая конструкция нейронной сети позволяет аппроксимировать динамику системы и прогнозируемые значения будут сходиться к аттрактору, подобному исходному.
Результаты математического моделирования требуют всестороннего осмысления и принятия решения, что является сложной, со многими неизвестными задачей. В ряде работ нами затрагивался вопрос оптимизации экологоадаптивного природопользования [46,47, 381].
Таким образом, можно констатировать, что проблема анализа и оценки закономерностей многолетних колебаний ЭВБ и их долгосрочного прогноза была и остается одной из актуальных и сложных проблем гидрологии.
1.9. Выводы
1. Разработана и реализована методика качественной и количественной оценки пространственно-временных колебаний ЭВБ, предложены алгоритмы, разработан и реализован пакет прикладных программ для исследования статистической структуры полей ЭВБ речных водосборов. Методика позволяет выделить статистически однородные (на заданном уровне статистической значимости) ряды ЭВБ при обоснованных параметрах масштабности явления. Это позволяет использовать несинхронные ряды наблюдений с различным числом реализаций.
2. Разработана и апробирована методика имитационного моделирования основных ЭВБ, позволяющая привлечь дополнительный объем гидрометеорологической информации для воднобалансовых расчетов.