Vodnye resursy

Рассмотрены изменения температуры воздуха в бассейне волжских водохранилищ, общего притока в водоемы, их водообмена, уровня, температуры воды и теплосодержания водной массы в период открытой воды в разных климатических условиях. Для анализа использованы многолетние ряды гидрометеорологических данных, обработанные статистическими методами. Показано, что в современный период по сравнению с периодом до 1976 г. температура воздуха на побережье водохранилищ увеличилась на 1.3‒1.8°С. Скорость потепления составила в среднем 0.50°С/10 лет. Объем годового притока увеличился на 12.4%. На водохранилищах верхнего участка Волги выделено 3 маловодных и 4 многоводных фазы, которые включают 29‒31 маловодных, 25‒31 многоводных и 8‒16 средних по водности лет. В маловодные фазы объем притока в водохранилища на 10‒28% ниже среднего многолетнего, а в многоводные ‒ выше на 4‒20%. Коэффициент водообмена водохранилищ уменьшался или увеличивался на 5−13% относительно полученных ранее величин. На водохранилищах верхнего участка Волги и на Куйбышевском водохранилище отмечено увеличение зимнего и снижение весеннего притока. В современный период отмечена тенденция повышения среднегодового уровня воды на водохранилищах верхнего участка Волги и на Куйбышевском водохранилище, тогда как на Нижней Волге среднегодовой уровень несколько понизился. В маловодные фазы уровень водохранилищ в среднем был ниже на 17 см, а в многоводные – выше на 10 см среднего многолетнего. Повышение температуры воздуха в течение теплого сезона в пределах акватории водохранилищ в среднем на 1.2°С привело к синхронному повышению температуры водной массы на 1.1°С. При этом теплосодержание водной массы водохранилищ верхнего участка Волги увеличилось в среднем на 24%, а на нижнем участке Волги ‒ всего на 2‒11%.

Обсуждены теория, методы и некоторые результаты четырехлетних натурных исследований процессов формирования стока на перемерзающем малом экспериментальном речном водосборе в сплошной мощной (400 м) криолитозоне (Республика Саха (Якутия)) с помощью данных о химическом составе природных вод. Дан анализ сезонной и суточной динамики стока реки в теплый период, содержания некоторых растворенных веществ в различных типах вод, а также роли русловых расширений, озер, надмерзлотных вод и наледей в образовании стока. Описаны разные типы связи расходов воды и содержания некоторых растворенных веществ на фоне меняющихся гидротермических условий. Дана оценка участия непромерзающих озеровидных русловых расширений (бочагов) в регулировании весеннего стока воды и растворенных веществ. Обсуждена эффективность автоматической цифровой регистрации уровня, температуры и удельной электропроводности воды с высоким временны́м разрешением на гидрологических постах, особенно при изучении быстро протекающих процессов в реке.

Для территории Прибайкалья разработана вероятностная модель сумм экстремальных осадков для сильных ливней, охватывающих большие территории. Исследованы пространственные корреляционные функции полей осадков, выпадающих за сутки и за весь период дождя. На примере бассейна р. Ии оценены погрешности определения средних по заданному контуру экстремальных осадков. Определены погрешности интерполяции расчетных величин осадков для Прибайкалья при отсутствии данных наблюдений с оценкой погрешности получаемых значений по формулам Дроздова–Шепелевского. Они составили порядка 10–15% и более. Исследованы особенности структуры полей осадков с использованием их разложения по естественным ортогональным функциям для периодов за сутки и за период дождя для разных выборок: для всей совокупности случаев и для выборок, состоящих из 10 и 30 максимальных сумм осадков на каждой метеостанции, т. е. для экстремальных событий. Выявлено, что при ограничении данных наблюдений диапазоном наибольших значений структура поля осадков упрощается, и для ее описания достаточно первых 4–5 компонент разложения. Полученные результаты важны для прогнозных задач и для построения имитационных моделей, позволяющих моделировать поля осадков с целью последующего детерминированного моделирования стока.

Известные решения задачи фильтрации в затопленном массиве с вертикальными дренами (дренажными траншеями) с водой представлены чрезвычайно сложными математическими зависимостями в комплексных переменных, что затрудняет их использование при решении прикладных задач. Получено новое приближенно-гидромеханическое решение задачи с использованием годографа скорости и представлением расчетных зависимостей в элементарных функциях, совпадающее для граничных точек с точными данными и практически полностью (⪡1%) согласующееся с результатами точных расчетов В.В. Ведерникова для частных случаев. Впервые аналитически построена картина поля полных скоростей фильтрации в виде семейства изотах для заданного затопленного массива с дренами, показывающая неоднородный характер распределения скоростей в нем при наличии воды в дрене. Представлены также эпюры скоростей фильтрации по граничным линиям (в том числе в сравнении с случаем отсутствия воды в дрене), а также эпюр функций тока и напоров.

Проанализированы результаты изучения распределения концентраций метана в воде открытой акватории и северной оконечности оз. Байкал, а также в истоке р. Ангары в сентябре 2016 и 2019 гг. Для выявления корреляционных связей, помимо метана, также определялись различные гидрохимические показатели (температура; рН; концентрации О₂, взвешенных веществ, С_орг, N_орг, Р_орг, минеральных соединений азота и фосфора). Концентрация метана в воде Байкала варьировала в 2016 г. в пределах 0.44–3.41 мкл/дм³ (в среднем 0.80 мкл/дм³), в 2019 г. – 0.20–5.19 мкл/дм³ (в среднем 1.22 мкл/дм³). Максимальная концентрация метана отмечена в водной массе наиболее глубоководной центральной котловины озера, минимальная – южной котловины. Для мелководных участков минимальные концентрации метана отмечались в прибрежной зоне зал. Лиственничного, максимальные – в северной части озера, куда впадает большое количество рек, а также в пределах Селенгинского мелководья. Для большинства как глубоководных, так и мелководных станций наблюдался пик подповерхностного максимума концентраций метана на глубинах 25–50 м (зона термоклина), после чего его концентрации, как правило, снижались, достигая минимальных значений, либо в промежуточной водной толще, либо в придонных слоях. Мелководные участки, помимо более высоких концентраций метана по сравнению с глубоководными, отличались также и большей контрастностью его распределения по вертикали водной толщи. Анализ корреляционных зависимостей между исследуемыми гидрохимическими показателями выявил наличие значимых прямых связей концентраций метана с концентрациями С_орг и N_орг и обратных прямых связей с концентрациями О₂.

На основе водохозяйственной статистики государственного водного кадастра Республики Беларусь выполнен анализ динамики использования воды за период 2000–2019 гг. В основу исследования положены статистические методы анализа временны́х рядов и относительных показателей динамики водопользования. Выявлены тенденции и приоритеты использования воды в целом по стране и на уровне административных районов. Показано, что за период 2000–2019 гг. в стране произошло сокращение водоотбора на 28%, а использование воды на хозяйственно-питьевые и промышленные нужды снизилось более чем на 30%. На основе сравнительного анализа установлены межрегиональные различия водопользования, представленные в относительном выражении показателей: общего водоотбора, объема добычи подземных и изъятия поверхностных вод, количества использованной воды по целям водопользования. В большинстве (в 102 из 118) административных районов страны основной источник водоснабжения — подземные воды, добыча которых превышает изъятие поверхностных вод, а в 36 районах водоснабжение обеспечивается полностью за счет подземных вод. Выполнена группировка административных районов по приоритетным целям использования воды. Установлено, что в 78 районах приоритетны одновременно две цели водопользования, как правило – хозяйственно-питьевые и сельскохозяйственные нужды, обеспечиваемые подземными водами. Дифференциация объемов водоотбора и приоритетов водопользования на уровне районов определяется численностью населения, степенью развития отраслей материального производства и их потребностью в воде.

Рассмотрены относительно новые даже для многих ученых и специалистов нейросетевые методы и технологии применительно к их использованию для целей водно-экологического регулирования. Эффективность нейросетей в указанном направлении обусловлена их способностью к самообучению, и связанными с этим возможностями обнаруживать сложные нелинейные зависимости между контролируемыми показателями. В работе описаны методология и особенности функционирования искусственных нейронных сетей. Приведены учебно-методические примеры, иллюстрирующие возможности их использования. В качестве практической задачи применения методов ИНС исследована возможность повышения эффективности выявления крупных предприятий-загрязнителей природной воды из числа многих водопользователей промышленного региона. С этой целью использованы данные по концентрации ряда приоритетных загрязняющих воду металлов на гидрохимических створах р. Исети в зоне г. Екатеринбурга. Показано, что здесь нейросетевой анализ позволяет обнаружить взаимозависимости отдельных показателей качества воды на соседних створах. Благодаря этому удалось сделать вывод о существовании тесных логистических хозяйственных связей водопользователей, упрощающем обнаружение загрязнителей воды по “водному следу”, оставленному предприятиями-смежниками. Показано также, что с использованием методов ИНС появляются новые возможности установления вклада производственных сбросов в уровень загрязнения воды веществами двойного генезиса (естественного и техногенного). Достоверность выводов подтверждается возможностью по имеющимся на заданном гидрохимическом створе данным удовлетворительно предсказывать качество воды на створе, расположенном ниже по течению реки.