ИСТИНА

На втором этапе темы исследовались закономерности многолетних колебаний речного стока и разрабатывались долгосрочные прогнозы изменения водных ресурсов для целей обеспечения устойчивого функционирования водохозяйственного комплекса в бассейне реки Дон. Получены следующие основные результаты. 1. Выявлены пространственные и временные закономерности формирования речного стока и его составляющих, обусловленные произошедшими за последние десятилетия изменениями климатических и антропогенных факторов, ландшафтной структуры водосборов. Для анализа формирования стока на водосборах применен воднобалансовый подход на основе обобщения данных воднобалансовых станций; Результаты наблюдений за гидрологическим режимом водных объектов позволяют сделать вывод о том, что для исследуемых характеристик гидрологического режима гипотеза стационарности неприемлема, и это особенно отчетливо проявляется для минимального зимнего и летнего стока в бассейнах рек Волги и Дона, а также для характеристик стока весеннего половодья в бассейне р. Дон. В результате исследований выявлено, что изменение климата и сельскохозяйственной деятельности на современном этапе разнонаправлено действует на склоновый сток. При этом климатический фактор оказывает в несколько раз большее влияние на его изменение. На основе анализа данных водобалансовых станций показано, что современные изменения климата привели к резкому снижению весеннего поверхностного склонового стока (на 40–74% на уплотненной пашне и 33–83% на зяби) и усилению инфильтрации (соответственно на 24–32% и 22–41%). Эти изменения связаны с тем, что рост температуры воздуха в холодный период года привел к участившимся оттепелям и уменьшению вследствие этого запасов воды в снеге перед половодьем, а также к снижению глубины промерзания почвогрунтов почти в 2 раза. В то же время величина осадков за холодный период по рассматриваемой территории практически не изменилась. Показано, что все большую роль в формировании склонового и речного стока играют урбанизированные территории. Величина стока, формируемого на них, в настоящее время соизмерима со стоком с сельскохозяйственных угодий. Отмечается довольно устойчивая доля поверхностного склонового стока на территории бассейна Дона в стоке речного половодья, возрастание гидрологической роли площади гидрографической сети в южных степных районах. В целом выявлено уменьшение весеннего поверхностного склонового стока в бассейне Дона после 2000 г. в 2,3 раза (с 8,6 до 3,8 мм) по сравнению с периодом 1978-2013 гг. 2. Проведен анализ многолетних колебаний максимального, минимального и годового стока и разработаны соответствующие стохастические модели. В основу предлагаемого подхода к вероятностному описанию динамики многолетних колебаний гидрометеорологических характеристик в условиях неопределенности климатических изменений положена гипотеза смены условно стационарных периодов, характеризующихся относительно устойчивыми условиями формирования речного стока. Выявление влияния изменений климата на сток рек бассейна Дона и разработка стохастических моделей сезонных и многолетних колебаний гидрологических характеристик стока основана на результатах статистического анализа рядов наблюденных значений стока. Для каждой характеристики была определена дата перелома, которая разделяет ряд на два условно-стационарных периода, характеризующих нелинейный отклик речной системы на происходящие глобальные климатические изменения в регионе и выполнено районирование территории. Анализ полученных результатов показал, что на всей территории водосбора произошли значительные изменения максимального стока. Максимальный срочный расход по всей территории уменьшился в среднем в два раза, а для отдельных водосборов сток уменьшился в 4-5 раз. Статистические параметры распределений (коэффициент вариации и отношение коэффициента вариации к коэффициенту асимметрии) увеличились. Суммарный слой стока весеннего половодья уменьшился в среднем в полтора раза, коэффициент вариации изменился незначительно, соотношения коэффициента вариации к коэффициенту асимметрии выросло. На всей исследуемой территории бассейна Дона произошло увеличение минимального стока, причем наибольший рост отмечается в зимний период. Наибольшее увеличение минимального стока произошло в районах с самым интенсивным ростом температуры воздуха за зиму. Этот рост обусловлен увеличением частоты и продолжительности оттепелей, уменьшением промерзаемости почвы и, как следствие, увеличением питания грунтовых вод, а также подъемом их уровня, которое обеспечивает базовое питание рек. Проведенные исследования позволили установить факт нарушения стационарности (однородности) для большинства рядов 30-ти дневного минимального стока на территории бассейна р. Дон, относящийся к разным годам. Картирование результатов дает основание выделить районы с примерно одинаковой датой смены фазы водности. Для годового стока рек бассейна Дона так же выявлено, что основные статистические параметры различаются для двух периодов до/после 1980 г. Для большей части рядов отмечается заметное увеличение коэффициента автокорреляции после 1980 г., по сравнению с предыдущим периодом, с одновременным уменьшением коэффициента вариации. Относительно коэффициента автокорреляции надо заметить, что он в целом низкий для рек бассейна Дона, и практически это означает увеличение связности в гидрологических рядах при уменьшении вариативности процесса (группировки маловодных и многоводных лет становятся длительнее с меньшей дисперсией величин стока). 3. Проведена адаптация водобалансовой модели формирования стока с водосбора р. Дон для сценарных расчетов и водообеспечения; Для оценки компонент водного баланса в работе адаптирована к условиям бассейна Дона распределенная гидрологическая модель «Гидрограф», представляющая собой систему с распределенными параметрами, описывающую процессы формирования стока в бассейнах с различными физико-географическими характеристиками. Гидрологическая модель в концептуальном виде учитывает наличие на водосборе различных бассейновых емкостей, имеющих характерное время истечения и объем, в том числе с характеристиками скоростей влагообмена до десятков и сотен лет. Система стоковых элементов учитывает, что при увеличении площади бассейна увеличивается количество дренируемых горизонтов подземных вод. Результатами моделирования является сток воды в замыкающем створе и распределенные переменные состояния ландшафтов – характеристики снежного покрова, температура и влажность почвы на разных глубинах, глубина протаивания и промерзания. Для оценки параметров в пределах исследуемых бассейнов выделяются однородные природные зоны, так называемые стокоформирующие комплексы (СФК), по которым производится систематизация параметров модели. Для выделения СФК производится анализ сочетаний различных типов почвы, растительности и топографических условий. Модель позволяет применять ее в задаче оценки изменений гидротермического режима ландшафтов и речного стока в связи с прогнозируемыми изменениями климата. В качестве входной метеорологической информации для моделирования задаются суточные данные по температуре и влажности воздуха, количеству осадков для метеорологических станций в пределах или вблизи каждого водосбора. Это позволяет учитывать современные климатические изменения при задании метеоусловий, их интерполяции и экстраполяции в расчетные точки. В работе были использованы данные 80-ти метеорологических станций за период, начиная с 1966г. Моделирование стока было проведено для рек Дон, Ворона, Воронеж, Медведица. В тексте отчета приведены примеры гидрографов стока воды. Необходимо отметить, что качество моделирования резко падает после 1993 года. Это может быть результатом понижения качества гидрологических наблюдений (сокращение измеренных расходов воды), роста антропогенной составляющей, и влияния климатических факторов, не учитываемых достаточно надежно при моделировании в силу неопределенности механизмов воздействия на гидрологическую систему. 4. Изучение возможных вариантов использования водных ресурсов на современном и будущем уровне развития бассейнового водохозяйственного комплекса выполнено в части анализа документов стратегического планирования отрасли и данных статистической отчетности. Из основных результатов необходимо отметить, что за 10 лет площадь орошаемых земель в бассейне р. Дон сократилась с 1032 до 725 тыс.га (30 %). Одна из главных причин сложившегося положения дел заключалась в отсутствии необходимого финансового обеспечения отрасли как со стороны хозяйств – водопотребителей, так и со стороны водохозяйственных эксплуатационных организаций. Практически была разрушена централизованно управляемая система мелиорации земель в стране. Утвержденная Правительством РФ Государственная комплексная программа повышения плодородия почв, составная частью которой мелиорация земель, выполнялась неудовлетворительно. Так, в целом по бассейну р. Дон площадь орошаемых сельскохозяйственных угодий за 1990-2000 гг. снизилась в 1,4 раза, а площадь фактически политых земель – в 2,4 раза. Таким образом, если в начале 1990–х гг. поливалось 85 – 93 % орошаемых земель (большая часть из вновь оборудованных оросительной сетью земель сдавалась после окончания вегетационного сезона), то к 2000 г. эта цифра снизилась до 52 %. Сокращение площади орошаемых земель продолжалось вплоть по 2012 г. Позднее сказались результаты принятой федеральная целевой программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006 - 2010 годы и на период до 2013 года». В дальнейшем в связи с принятой Федеральной целевой программой «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы» началось возрождение мелиорации в стране и площадь орошаемых земель в бассейне р. Дон стала понемногу расти. Но процесс сокращения площади политых земель продолжался и в дальнейшем, правда более медленными темпами. Главная причина, по которой не поливались земли, заключается в неисправности оросительной сети. Несмотря на все принятые программы и рост инвестиций и оперативных расходов в мелиорацию земель в 2016 г., в бассейне р. Дон поливался только каждый четвертый орошаемый гектар, а не как в 2000-2010 гг. каждый второй гектар. 5. Предложен сценарный прогноз изменений характеристик речного стока в бассейне р. Дон и притока в Цимлянское водохранилище. По причине наличия неопределенностей различного рода, связанных как с проблемами изучения формирования стока, так и с вариативностью климатических прогнозов, основанных на моделях общей циркуляции атмосферы, вероятностное оценивание и прогнозирование водных ресурсов предложено выполнять на основе байесовских методов. В основу предлагаемого подхода к вероятностному описанию динамики многолетних колебаний гидрометеорологических характеристик в условиях неопределенности климатических изменений положена гипотеза смены условно стационарных периодов, характеризующихся относительно устойчивыми условиями формирования речного стока. Реализация этой гипотезы осуществляется двумя способами: путем построения прогнозного распределения в виде бинарной смеси распределений или в виде байесовской прогнозной плотности, основанной на формуле полной вероятности. Основные решаемые в рамках данного отчета задачи - это получение параметров распределения гидрологической характеристики на период эксплуатации водохозяйственной системы на основе прогнозов изменений климата, и построение апостериорного распределения на основе гипотезы, допускающей реализацию в будущем всех выделенных условно стационарных состояний с определенными весами. Разрабатываемая методика оценивания и прогнозирования стока основана на учете изменения за период наблюдений двух первых моментов распределения, корреляция между выборочными оценками которых представлены в виде двумерного распределения на основе билинейного разложения по полиномам Лежандра. Результаты представлены в виде вероятностных решений в форме закона распределения расчетной гидрологической характеристики в случае нарушения однородности, вызванного климатическими изменениями. По данному разделу можно сделать следующий вывод. Разработаны подход и методика расчетов, позволяющие учитывать нестационарный характер временных рядов стока. Показано, что учет погрешности параметров распределений в пределах выборочного рассеивания, предоставляет возможность учета, при выполнении гидрологических расчетов, и нестационарности колебаний, и возможной неопределенности оценок параметров, связанной с климатическими изменениями.

In the second phase, themes were investigated patterns of long-term fluctuations of river runoff and developed long-term forecasts of changes in water resources for sustainable functioning of water management complex in the basin of the don river. The following main results are obtained. 1. Spatial and temporal regularities of river flow formation and its components, caused by changes in climatic and anthropogenic factors, landscape structure of catchments, have been revealed. A water balance approach based on generalization of water balance stations data was used to analyze the formation of runoff in catchments; The results of observations of hydrological regime of water bodies lead to the conclusion that for the studied characteristics of the hydrological regime of the hypothesis of stationarity is unacceptable, and that was especially evident for minimum winter and summer flows in river basins of the Volga and the don, and characteristics of snowmelt flood runoff in the don river basin. As a result of researches it is revealed that change of climate and agricultural activity at the present stage multidirectionally acts on a slope drain. At the same time, the climatic factor has several times more influence on its change. Based on the analysis of water balance stations data, it is shown that modern climate changes have led to a sharp decrease in spring surface slope runoff (by 40-74% in compacted arable land and 33-83% in the cold) and increased infiltration (by 24-32% and 22-41%, respectively). These changes are due to the fact that the increase in air temperature during the cold period of the year led to frequent thaws and a decrease in water reserves in the snow before the flood, as well as to a decrease in the depth of soil freezing by almost 2 times. At the same time, the amount of precipitation during the cold period in the territory under consideration has not changed. It is shown that urbanized territories play an increasing role in the formation of slope and river flow. The amount of runoff generated on them is currently commensurate with the runoff from agricultural land. There is a fairly stable share of surface slope runoff in the don basin in the flow of river flood, the increase in the hydrological role of the area of the hydrographic network in the southern steppe regions. In General, the decrease in spring surface slope runoff in the don basin after 2000 was 2.3 times (from 8.6 to 3.8 mm) compared to the period 1978-2013. 2. The analysis of long-term fluctuations of the maximum, minimum and annual runoff is carried out and the corresponding stochastic models are developed. The proposed approach to the probabilistic description of the dynamics of long-term fluctuations of hydrometeorological characteristics under the uncertainty of climate change is based on the hypothesis of changing conditionally stationary periods characterized by relatively stable conditions of river flow formation. The identification of the influence of climate change on the flow of rivers of the don basin and the development of stochastic models of seasonal and long-term fluctuations of hydrological characteristics of the flow is based on the results of statistical analysis of the series of observed values of the flow. For each characteristic, the fracture date was determined, which divides the series into two conditionally stationary periods characterizing the nonlinear response of the river system to global climate changes in the region and the zoning of the territory was performed. Analysis of the results showed that there were significant changes in maximum flow throughout the catchment area. The maximum urgent flow throughout the territory decreased by an average of two times, and for individual catchments the flow decreased by 4-5 times. Statistical parameters of distributions (coefficient of variation and ratio of coefficient of variation to coefficient of asymmetry) increased. The total runoff layer of the spring flood decreased by an average of one and a half times, the coefficient of variation changed slightly, the ratio of the coefficient of variation to the coefficient of asymmetry increased. Throughout the study area of the don basin, there was an increase in the minimum flow, with the greatest increase observed in winter. The greatest increase in minimum runoff occurred in areas with the most intense increase in temperature over the winter. This growth is due to an increase in the frequency and duration of thaws, a decrease in soil freezing and, as a consequence, an increase in groundwater supply, as well as an increase in their level, which provides the basic nutrition of rivers. The conducted researches allowed to establish the fact of violation of stationarity (homogeneity) for the majority of series of 30-day minimum flow in the territory of the basin of the don river relating to different years. Mapping of results gives the basis to allocate areas with approximately identical date of change of a phase of water content. For the annual flow of the rivers of the don basin, it was also revealed that the main statistical parameters differ for the two periods before / after 1980. for most of the series, there is a noticeable increase in the autocorrelation coefficient after 1980, compared with the previous period, with a simultaneous decrease in the coefficient of variation. With regard to the autocorrelation coefficient, it should be noted that it is generally low for the rivers of the don basin, and in practice this means an increase in connectivity in hydrological series with a decrease in variability of the process (groupings of low-water and high-water years become longer with less dispersion of flow values). 3. Adaptation of the water balance model of flow formation from the don river catchment for scenario calculations and water supply is carried out; To assess the components of the water balance in the work is adapted to the conditions of the don basin distributed hydrological model "Hydrograph", which is a system with distributed parameters describing the processes of formation of runoff in basins with different physical and geographical characteristics. The hydrological model in the conceptual form takes into account the presence of different basin reservoirs in the catchment area, which have a characteristic expiration time and volume, including characteristics of moisture exchange rates up to tens and hundreds of years. The system of runoff elements takes into account that as the basin area increases, the number of drained groundwater horizons increases. The results of the simulation are water flow in the closing range and distributed variables of landscape conditions-snow cover characteristics, soil temperature and humidity at different depths, the depth of thawing and freezing. To assess the parameters within the studied basins, homogeneous natural zones, the so-called stokoforming complexes (SFCs), are allocated, according to which the model parameters are systematized. The analysis of combinations of different types of soil, vegetation and topographical conditions is carried out for allocation of SFK. The model allows to apply it in the problem of estimation of changes of hydrothermal regime of landscapes and river flow in connection with predicted climate changes. As input meteorological information for the simulation, daily data on temperature and humidity, precipitation for weather stations within or near each catchment are set. This allows us to take into account the current climate changes in the setting of weather conditions, their interpolation and extrapolation to the calculated points. The data of 80 meteorological stations for the period since 1966 were used in the work. Runoff modeling was carried out for the rivers don, Crow, Voronezh, Medveditsa. Examples of water flow hydrographs are given in the text of the report. It should be noted that the quality of modeling falls sharply after 1993. This may be the result of a decrease in the quality of hydrological observations (reduction of measured water flow), an increase in the anthropogenic component, and the influence of climatic factors that are not taken into account reliably enough in modeling due to the uncertainty of the mechanisms of influence on the hydrological system. 4. The study of possible options for the use of water resources at the current and future level of development of the basin water management complex was carried out in the analysis of documents of strategic planning of the industry and statistical reporting data. From the main results it should be noted that for 10 years the area of irrigated lands in the basin of the don river decreased from 1032 to 725 thousand hectares (30 %). One of the main reasons for the current state of Affairs was the lack of necessary financial support for the industry from both water – consuming farms and water management operating organizations. The centrally managed land reclamation system in the country was practically destroyed. Approved by the Government of the Russian Federation State comprehensive program to improve soil fertility, an integral part of which land reclamation, performed unsatisfactorily. Thus, in the don river basin as a whole, the area of irrigated agricultural land for 1990-2000 decreased by 1.4 times, and the area of actually watered land – by 2.4 times. Thus, if in the early 1990s. 85 – 93% of irrigated lands were watered (most of the newly equipped lands were leased after the end of the growing season), by 2000 this figure had decreased to 52 %. The decrease in the area of irrigated land continued until 2012.later, the results of the Federal target program "Preservation and restoration of soil fertility of agricultural lands and agricultural landscapes as a national treasure of Russia for 2006 - 2010 and for the period up to 2013"affected. In the future, in connection with the adopted Federal target program "development of reclamation of agricultural lands of Russia for 2014-2020", the revival of reclamation in the country began and the area of irrigated land in the don river basin began to grow gradually.