Стохастичне моделювання рядів річного стоку в умовах водогосподарських перетворень - Річний стік річок Нижнього Подніпров'я

Виконана реалізація моделі формування річного стоку на етапі "природний стік - водогосподарські перетворення - побутовий стік", розробленої в ОДЕКУ (Н. С. Лобода, 2005). Модель має стохастичний характер й базується на рівняннях водогосподарських балансів, представлених в імовірнісній формі. У стохастичній моделі водозбір розглядається як природна система, яка підлягає зовнішнім й внутрішнім впливам. Початковому стану системи відповідають статистичні характеристики річного стоку у природних, тобто не порушених господарською діяльністю, умовах. Під внутрішнім антропогенним впливом розуміють вплив водогосподарських перетворень, які проводяться у межах водозборів, під зовнішнім - вплив змін клімату. Загальний вигляд динаміки природної системи у часі такий

, (1)

Де - початковий стан системи;

- оператор, який описує перетворення стоку під впливом внутрішніх чинників, представлених показниками водогосподарських перетворень;

- зовнішній вплив, обумовлений змінами клімату.

Початковий стан системи задавався у вигляді статистичних параметрів природного річного стоку, методика визначення яких наведена у розділах 2 та 3. Оператор перетворення в стохастичній моделі річного стоку () представлений у вигляді так званих "функцій відгуку" імовірнісних характеристик стоку на водогосподарські заходи. Стохастична модель складається з двох блоків. Перший блок дозволяє виконувати генерування природного стоку. Другий - генерування побутового стоку на основі рівнянь водогосподарських балансів, представлених у імовірнісному виді.

При генеруванні рядів природного стоку вхідними параметрами є параметри природного стоку, які визначаються за моделлю "клімат - стік". Генерування рядів природного річного стоку виконано за стохастичною моделлю (Д. І. Раткович, М. В. Болгов, 1997), у якій генерується послідовність забезпеченостей з лінійною кореляцією між сумісними членами з використанням двовимірної щільності розподілу двох випадкових величин, кожна з яких рівномірно розташована на ділянці від 0 до 1. Довжина генерованих рядів природного річного стоку становить 2000 елементів.

Для імітаційного стохастичного моделювання використані рівняння водогосподарських балансів такого виду:

- при наявності на водозборі штучних водойм, коли втрати стоку зумовлені додатковим випаровуванням з водної поверхні,

; (2)

- при наявності на водозборі сільськогосподарських масивів, коли втрати стоку обумовлені використанням місцевого стоку,

; (3)

- при наявності на водозборі сільськогосподарських масивів, які зрошуються водами річки-донора, отже, виникає додатковий приплив зворотних вод

, (4)

Де - шар побутового та природного річного стоку із заданою забезпеченістю ;

- зрошувальна норма-нетто з ймовірністю перевищення ;

- коефіцієнт корисної дії зрошувальної системи;

- площа масивів, що зрошуються, виражена в частках від загальної площі водозбору ;

- величина сумарної площі водної поверхні штучних водойм () при НПР (нормальний підпорний рівень), виражена в частках від загальної площі водозбору;

- випаровування з водної поверхні, ;

- сумарні опади, ;

- коефіцієнт зворотних вод, які утворюються за рахунок втрат води на інфільтрацію при зрошуванні сільськогосподарських масивів й надходять до русла річки підземним шляхом.

Невипадкові складові водогосподарських балансів приймаються постійними у кожному імітаційному експерименті.

Імітаційне стохастичне моделювання дозволило отримати оператори водогосподарських перетворень, так звані "функції відгуку" водозборів на водогосподарські перетворення, які представляються у вигляді залежностей статистичних параметрів від показників водогосподарських перетворень. Для практичного застосування запропоновано використовувати функції відгуку, представлені через так звані "коефіцієнти антропогенного впливу".

, (5)

Де та - значення шуканого статистичного параметру в умовах, порушених господарською діяльністю та природних умовах, відповідно.

При наявності різних видів водогосподарських перетворень коефіцієнти антропогенного впливу підсумовуються (Н. С. Лобода, 2005). На першому етапі оператори перетворення представлялися у графічному вигляді. Але використання великої кількості графіків ускладнює вирішення практичних задач. Результати імітаційних стохастичних експериментів були узагальнені шляхом застосування методу покрокової множинної регресії з метою отримання аналітичних форм опису функцій відгуку. Для території Нижнього Подніпров'я отримані залежності, які описують вплив основних водогосподарських перетворень.

Рівняння множинної регресії для визначення коефіцієнтів антропогенного впливу при вилученні води на зрошення за рахунок місцевого стоку для території, яка досліджується, надається у вигляді наступних регресійних залежностей

, (6)

, (7)

, (8)

Де - коефіцієнт впливу зрошування за рахунок місцевих водних ресурсів на статистичний параметр, під яким слід розуміти середню багаторічну величину стоку, коефіцієнт варіації, коефіцієнт асиметрії ; - коефіцієнти рівнянь множинної регресії; - безрозмірна характеристика середнього за весь вегетаційний період рівня зволоження грунту, при якому розвиток відповідної сільськогосподарської культури є оптимальним.

Коефіцієнти антропогенного впливу при зрошуванні сільськогосподарських масивів за рахунок стоку річок-донорів можуть бути розраховані за наступними регресійними рівняннями:

; (9)

; (10)

, (11)

Де - коефіцієнти впливу зрошування за рахунок річки-донора на статистичний параметр ; - коефіцієнти рівнянь множинної регресії.

Значення коефіцієнтів рівнянь лінійної множинної регресії змінюються в залежності від норм кліматичного стоку, які у межах Нижнього Подніпров'я приймають значення 10, 20, 30, 40 .

Загальний вигляд аналітичних рівнянь для оцінки коефіцієнтів антропогенного впливу при наявності на водозборах штучних водойм можна представити таким чином

, (12)

Де - коефіцієнти впливу додаткового випаровування з поверхні штучних водойм на статистичний параметр ;

- коефіцієнт, який залежить від норми кліматичного стоку.

Отримані функції відгуку дозволяють оцінювати диференційний та інтегральний (сумарний) вплив водогосподарських факторів на статистичні параметри річного стоку в залежності від заданої норми кліматичного стоку, виду водогосподарських заходів та відповідного набору антропогенних чинників (, , , , ).

На основі отриманих функцій відгуку водозборів на водогосподарські перетворення можливе наукове обгрунтування стратегії використання водних ресурсів: по заданих коефіцієнтах антропогенного впливу установлюються порогові або критичні значення масштабів водогосподарських перетворень. Наприклад, змінам середньобагаторічних величин річного стоку на 10, 50 та 70 % відповідають значущі змінення водних ресурсів, руйнування та невідновне руйнування водогосподарської системи, відповідно.

Похожие статьи




Стохастичне моделювання рядів річного стоку в умовах водогосподарських перетворень - Річний стік річок Нижнього Подніпров'я

Предыдущая | Следующая