ПАВЕЛЬЧУК ЄВГЕН МИХАЙЛОВИЧ. ОСОБЛИВОСТІ ГІДРОЛОГІЧНОГО І ГІДРОХІМІЧНОГО РЕЖИМУ РІЧОК ЖИТОМИРСЬКОГО ПОЛІССЯ В УМОВАХ ЗМІНИ КЛІМАТУ : ПАВЕЛЬЧУК ЕВГЕНИЙ МИХАЙЛОВИЧ. ОСОБЕННОСТИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО И ГИДРОХИМИЧЕСКОГО РЕЖИМА РЕК ЖИТОМИРСКОГО ПОЛЕСЬЯ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА PAVELCHUK YEVHEN MYKHAYLOVYCH. PECULIARITIES OF HYDROLOGICAL AND HYDROCHEMICAL REGIME OF ZHYTOMYR POLISSA RIVER RIVER IN CONDITIONS OF CLIMATE CHANGE

Краткое описание

ПАВЕЛЬЧУК ЄВГЕН МИХАЙЛОВИЧ. Назва дисертаційної роботи: "ОСОБЛИВОСТІ ГІДРОЛОГІЧНОГО І ГІДРОХІМІЧНОГО РЕЖИМУ РІЧОК ЖИТОМИРСЬКОГО ПОЛІССЯ В УМОВАХ ЗМІНИ КЛІМАТУ"

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА
ШЕВЧЕНКА
На правах рукопису
ПАВЕЛЬЧУК ЄВГЕН МИХАЙЛОВИЧ
УДК 556.5: 551.58
ОСОБЛИВОСТІ ГІДРОЛОГІЧНОГО І ГІДРОХІМІЧНОГО РЕЖИМУ
РІЧОК ЖИТОМИРСЬКОГО ПОЛІССЯ В УМОВАХ ЗМІНИ КЛІМАТУ
11.00.07 – гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія
Дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата географічних наук
Науковий керівник
Сніжко Сергій Іванович
доктор географічних наук,
профессор
Київ – 2016
2
ЗМІСТ
ВСТУП…………………………………………………………………………........5
РОЗДІЛ 1
ПРИРОДНІ УМОВИ ТА ГОСПОДАРСЬКА ДІЯЛЬНІСТЬ ЯК ГОЛОВНІ
ЧИННИКИ ФОРМУВАННЯ ГІДРОЛОГО - ГІДРОХІМІЧНОГО РЕЖИМУ
ПОВЕРХНЕВИХ ВОД ЖИТОМИРСЬКОГО ПОЛІССЯ..................................10
1.1. Природні умови формування водних ресурсів ЖитомирськогоПолісся..10
1.1.1. Кліматичні умови...............................................................................10
1.1.2. Загальна характеристика гідрографічної мережі................................11
1.1.3. Грунтово-рослинний покрив..............................................................23
1.2. Характеристика основних видів господарської діяльності, що впливають
на формування гідрохімічного режиму та якості поверхневих вод...................25
1.2.1. Загальна характеристика господарського комплексу ........................25
1.2.2. Характеристика основних чинників формування гідролого
гідрохімічного режиму .....................................................................................26
РОЗДІЛ 2
ХАРАКТЕРИСТИКА ГІДРОЛОГО – ГІДРОХІМІЧНОЇ ВИВЧЕНОСТІ РІЧОК,
ВИХІДНИХ ДАНИХ ТА МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕНЬ....................................44
2.1. Гідролого-гідрохімічна вивченість території Житомирського Полісся......44
2.2. Характеристика мережі гідрологічних та гідрохімічних спостережень.....52
2.3. Методика виконання досліджень...............................................................54
РОЗДІЛ 3
ГІДРОЛОГІЧНІ УМОВИ ФОРМУВАННЯ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ РІЧКОВИХ
ВОД...................................................................................................................56
3.1. Уточнення норм та характерних періодів зміни водного стоку річок
Житомирського Полісся....................................................................................56
3.2.Дослідження багаторічних тенденцій зміни водного стоку ........................68
3.3. Основні закономірності внутрішньорічного розподілу водного стоку.......78
3
3.4. Встановлення розрахункового періоду для дослідження сучасного
гідрохімічного режиму з урахуванням водності.................................................84
РОЗДІЛ 4
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ТА
ГІДРОХІМІЧНОГО РЕЖИМУ РІЧОК ЖИТОМИРСЬКОГО ПОЛІССЯ .........96
4.1. Загальна характеристика хімічного складу води річок ..............................96
4.2. Особливості сучасного гідрохімічного режиму річок Житомирського
Полісся..............................................................................................................110
4.3. Вплив гідрологічного режиму на формування хімічного складу води та
гідрохімічного режиму річок ..........................................................................126
4.3.1. Експериментальні дослідження щодо підбору апроксимуючої
функції для моделювання зв’язків типу С = f(Q) .............................................126
4.3.2.Апроксимація статистичних моделей впливу водного стоку на
концентрацію розчинених у воді речовин та їх інтерпретація ........................130
4.4 Конструювання напівемпіричних графічних моделей гідрохімічного
режиму річокю .................................................................................................136
РОЗДІЛ 5
ПРОГНОЗ ЗМІНИ ВОДНОГО СТОКУ ТА ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ВОДИ
РІЧОК НА ОСНОВІ ВОДНО-БАЛАНСОВОГО МОДЕЛЮВАННЯ ТА
РЕЗУЛЬТАТІВ МОДЕЛЮВАННЯ КЛІМАТИЧНИХ УМОВ УКРАЇНИ НА
ХХІ СТОЛІТТЯ...............................................................................................146
5.1. Методичні аспекти використання водно-балансових моделей для
довгострокового прогнозування водних ресурсів ...........................................146
5.2. Характеристика використаних прогнозних кліматичних характеристик,
отриманих за моделями загальної циркуляції атмосфери та океану (МЗЦАО)...148
5.2.1. Короткий опис технології отримання кліматичних характеристик ..148
5.2.2. Характеристика кліматичного прогнозу для території Житомирського
Полісся на ХХІ століття...................................................................................151
4
5.2.3.Підготовка прогнозних кліматичних даних до застосування у
гідрологічній водно – балансовій моделі ..........................................................154
5.3. Прогноз водного стоку основних річок регіону для різних часових
періодів.............................................................................................................157
5.4. Прогноз хімічного складу води річок під впливом кліматичних змін......168
ВИСНОВКИ .....................................................................................................172
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ............................................................175
ДОДАТКИ.........................................................................................................186
Додаток А .........................................................................................................187
Додаток Б .........................................................................................................194
Додаток В .........................................................................................................198
Додаток Д ........................................................................................................199
Додаток Е .........................................................................................................201
Додаток Ж .........................................................................................................203
Додаток З .........................................................................................................210
Додаток К ........................................................................................................212
Додаток Л .........................................................................................................214
Додаток М .......................................................................................................216
Додаток Н .........................................................................................................218
Додаток П ........................................................................................................222
5
ВСТУП
Актуальність теми. Водні ресурси в ХХІ столітті стали відносити до
категорії стратегічних природних ресурсів; вони вважаються лімітуючим
фактором розвитку не тільки окремих галузей промисловості, але й цілих
регіонів.
Територія Житомирського Полісся характеризується низькою
водозабезпеченістю. Питома забезпеченість населення області місцевими
водними ресурсами річкового стоку складає всього 2,46 тис.м3
в рік на одну
особу, а в посушливі роки знижується втричі і становить 0,82 тис. м3
.
Експлуатаційні запаси підземних вод дуже обмежені і становлять всього 0,059
тис.м3
в рік на одну особу (Обухов,2011). Водопостачання різних галузей
промисловості та комунального господарства даного регіону в значній мірі
зорієнтоване на використання поверхневих вод, а саме річкового стоку. Тому
науковий аналіз процесів формування кількісних і якісних характеристик водного
стоку річок, його багаторічної динаміки є одним із обов’язкових елементів
підготовки науково-обґрунтованих стратегій регіонального розвитку.
Особливого значення правильне розуміння часової мінливості водного
стоку, його нормативних розрахункових характеристик, стабільності водних
ресурсів набуває у зв’язку із загостренням впливу глобального потепління на
гідрологічний цикл. В Україні дослідження з цього питання проводили такі вчені,
як Є. Д. Гопченко, Н. С. Лобода, А. І. Шерешевський, Л. О. Горбачова, В. В.
Гребінь, В. І. Вишневський, С.І. Сніжко, І.В. Куприков. Але це питання наразі
залишається вивченим недостатньо, особливо у регіональному аспекті, і
потребує подальшого поглибленого дослідження.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дослідження кількісних і якісних характеристик водних ресурсів України в
умовах зміни клімату належить до пріоритетних напрямків державної політики
(Указ Президента України № 389/2012 від 8 червня 2012 року «Про нову
редакцію Стратегії національної безпеки України», постанова КМУ №468 « Про
6
необхідність проведення заходів з метою пом’якшення наслідків зміни
клімату»,тощо. Дисертаційна робота виконувалась в рамках науково - дослідної
теми географічного факультету Київського національного університету імені
Тараса Шевченка «Екологічна і природно - техногенна безпека України в
регіональному вимірі», НДР №14 БП 050 - 02, 2014-2015 рр.
Мета і задачі дослідження полягають у встановленні сучасних
закономірностей гідрологічного та гідрохімічного режимів річок Житомирського
Полісся в умовах кліматичних змін.
Основні задачі наукового дослідження:
- встановити багаторічні особливості водного стоку з виділенням його
фазово-циклічної структури;
- розрахувати статистичні параметри рядів водного стоку та уточнити
багаторічні норми стоку з урахуванням сучасних даних спостережень;
- дослідити тенденції багаторічних змін водного стоку та підтвердити їх за
допомогою критерія Манна-Кенделла;
- дослідити сучасні особливості гідрохімічного режиму річок, його сезонні та
багаторічні особливості;
- оцінити роль водного стоку у формуванні хімічного складу води річок та
здійснити апроксимацію залежностей розчинених у воді речовин від
характеристик водного стоку за допомогою статистичних моделей;
- побудувати напівемпіричні графічні моделі гідрохімічного режиму річок;
- виконати прогноз зміни водного стоку річок на ХХІ століття на основі
водно-балансового моделювання та результатів моделювання кліматичних
умов України;
- оцінити можливі зміни хімічного складу води річок з урахуванням
результатів довгострокового гідрологічного прогнозу.
Об'єкт дослідження гідрологічний та гідрохімічний режим річок.
Предмет дослідження часова мінливість водного стоку та хімічного складу
води річок Житомирського Полісся з урахуванням кліматичних змін.
7
Методи дослідження. Дослідження виконані із застосуванням класичних
методів математичної статистики (метод ковзного осереднення для оцінки
циклічності гідрометеорологічних рядів, критерій Колмогорова-Смірнова для
статистичної оцінки однорідності рядів; розрахунок часових лінійних трендів за
метеодом найменших квадратів та їх оцінка за допомогою теста МаннаКендалла). Розрахунки та графічні побудови виконані за допомогою пакету
прикладних програм статистичної обробки даних «STATISTICA 6.0» та програми
«Microsoft Excel». Картографічне представлення просторового розподілу
досліджуваних характеристик виконано методом просторової інтерполяції за
допомогою програми «MAPINFO». Для прогнозу можливих змін водного стоку та
хімічного складу води річок використано результати кліматичного прогнозу
(Краковська С.В. та ін., 2013) за ансамблем регіональних кліматичних моделей та
водно-балансову модель Турка.
Вихідні матеріали. Для виконання досліджень було використано матеріали
багаторічних спостережень Гідрометеорологічної служби України за параметрами
водного стоку річок, їх хімічного складу, опадів, температури повітря за
багаторічний період та матеріали Державного управління екології та природних
ресурсів в Житомирській області.
Наукова новизна одержаних результатів.
Вперше: - досліджено фазово-циклічну структуру багаторічних коливань
водного стоку річок Житомирського Полісся за період з 1925 р. по 2012 р.;
- розроблено рекомендації щодо врахування фазово-циклічної структури
рядів при виборі репрезентативного періоду спостережень для дослідження
багаторічних тенденцій водного стоку;
- виконано прогноз зміни водного стоку та оцінено можливі зміни хімічного
складу води річок Житомирського Полісся на ХХІ століття на основі воднобалансового гідрологічного моделювання та результатів моделювання
кліматичних умов України;
Удосконалено:
8
- метод оцінки значимості трендів зміни водного стоку завдяки
обгрунтованому вибору часового періоду та застосуванню тесту Манна-Кенделла;
- статистичний метод оцінки залежностей розчинених у воді речовин від
характеристик водного стоку шляхом побудови напівемпіричних графічних
моделей гідрохімічного режиму річок;
- оцінку гідрохімічного режиму річок в сучасних умовах.
Дістали подальший розвиток:
- уточнено багаторічні норми стоку досліджуваних річок з урахуванням
фазово-циклічної структури рядів водного стоку та використанням сучасних
даних спостережень;
- - оцінено особливості внутрірічного розподілу водного стоку в умовах
зміни клімату;
- досліджено сучасні закономірності гідрохімічного режиму річок у різні
фази гідрологічного року;
- застосовано поєднання гідрологічної водно – балансової моделі та
результатів моделювання клімату за ансамблем чисельних регіональних
кліматичних моделей для довгострокового прогнозування водного стоку річок.
Практичне значення одержаних результатів. Отримані в дисертації
результати впроваджені у Державному управлінні екології та природних ресурсів
в Житомирській області і використовуються для планування та розробки заходів
адаптації водного господарства до можливих змін клімату.
Особистий внесок здобувача. Постановка наукових завдань та розробка
окремих частин дисертаційного дослідження була проведена спільно з науковим
керівником. Особисто здобувачем було вивчено та проаналізовано літературні й
архівні джерела; створено інформаційну базу гідрологічних та гідрохімічних
даних для річок регіону, виконано аналіз цих даних з використанням
рекомендованих науковим керівником сучасних математичних і статистичних
методик, виконано аналіз та інтерпретацію отриманих результатів.
9
Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і
результати дисертаційної роботи доповідались на: конференції молодих вчених в
КНУ ім.Т.Шевченка, "Молоді науковці – географічній науці" (Київ, 2013р.);
Міжнародній науково-практичній конференції "Шевченківська весна" (Київ -
2014р.); Міжнародній науково - практичній інтернет конференції "Проблеми та
перспективи розвитку науки на початку третього тисячоліття у країнах Європи та
Азії" (Переяслав - Хмельницький, 2015р.), та на Міжнародній науковій
конференції "Проблемы гидрометеорологического обеспечения хозяйственной
деятельности в условиях изменяющегося климата" (Минск, 5-8 мая 2015г.)
Публікації. Основні наукові положення і результати дисертації
опубліковані в 12 наукових працях, у тому числі: 7 статей в фахових періодичних
виданнях; 1 – у міжнародному фаховому виданні, 4 – у матеріалах та збірниках
тез конференцій, інших виданнях.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5
розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (113 найменувань
на 11 сторінках) та додатків. Повний обсяг роботи становить 226 сторінок.
Основний зміст дисертації викладений на 174 сторінках, налічує 107 рисунків, 31
таблицю та 12 додатків на 38 сторінках.

Список литературы

ВИСНОВКИ
1. Встановлено багаторічні особливості водного стоку з виділенням
його фазово-циклічної структури. Протягом періоду надійних гідрометричних
вимірювань (1950-2012 рр.) встановлено три повних цикли водності тривалістю
22, 11 і 22 роки, кожен з яких включає маловодну та багатоводну фазу різної
тривалості.
2. Розраховано статистичні параметри рядів водного стоку та
уточнено багаторічні норми стоку з урахуванням фазово-циклічної структури
рядів гідрологічних спостережень. Показано, що норми стоку в окремі фази, і
навіть періоди, суттєво відрізняються між собою. Цей факт необхідно
враховувати при виборі порівняльних періодів для водогосподарських,
гідрохімічних та прогнозних гідрологічних розрахунків.
3. Аналіз багаторічної динаміки водного стоку шляхом виділення
часових трендів та їх оцінки за допомогою критерія Манна-Кенделла дозволив
встановити, що статистично значимих змін водного стоку річок
Житомирського Полісся протягом багаторічного періоду не виявлено. В той же
час для короткотривалих циклів водності встановлені статистично значимі
тренди, їх направленість залежить від порядку чергування багатоводної і
маловодної фаз водності.
4. Найкращий результат апроксимації часового ходу водності за
багаторічний період отримано у випадку використання поліноміальної моделі 6
порядку, яка в однаковій мірі описує і періоди зростання (багатоводні періоди) і
періоди спадання водності (маловодні періоди).
5. Встановлено, що характер внутрішньорічної зміни водності
досліджуваних річок загалом відповідає раніше виявленим регіональним
закономірностям, проте відмічаються значні розбіжності у розподілі стоку за
місяцями гідрологічного року у багатоводні і у маловодні роки. У багатоводні
роки (наприклад у 1981 р.) стік характеризується потужною хвилею
весняної повені та ще двома хвилями літніх і зимових паводків, що викликані
таненням снігу та дощовими опадами на сніговий покрив. Розподіл стоку у
173
маловодні роки невиразний – виділяється лише весняна повінь. В останні роки
(маловодна фаза нового циклу водності) відбувається критичне зниження рівнів
та витрат води, під час літньої межені, особливо у посушливі роки (2003 р.,
2010р., 2011 р., 2015 р.), що викликає серйозне занепокоєння у спеціалістів
водного господарства та населення.
6. Багаторічний режим розчинених у воді речовин залежить від
багаторічних особливостей зміни водності річок. У періоди підвищеної
водності концентрації розчинених іонів зменшуються, а у періоди низької
водності – збільшуються. Надходження додаткової кількості розчинних
мінеральних речовин зі стічними водами помітно збільшує їх вміст у воді річок
(від 100 до 250 мг/дм3
), проте не змінює їх багаторічний режим.
7. Виконано оцінку впливу водного стоку на формуванні хімічного
складу води річок; здійснено апроксимацію залежностей розчинених у воді
речовин від характеристик водного стоку за допомогою статистичних моделей.
8. З метою зменшення можливих похибок, що виникають при
статистичному моделюванні зв’язків типу С = f(Q) з використанням
багаторічних генетично неоднорідних гідрологічних і гідрохімічних рядів, нами
( Сніжко, Павельчук, 2014) запропоновано застосувати альтернативний спосіб
візуального вираження параметрів гідрохімічного режиму в широкому
діапазоні реальних величин водного стоку шляхом конструювання
напівемпіричних графічних моделей, в яких загальний вид функціональних
залежностей встановлюється на підставі теоретичних уявлень про зміну впливу
водного стоку на вміст розчинених у воді хімічних речовин, а емпіричні дані
використовуються для визначення параметрів гідрохімічного
9. Розрахунки прогнозних характеристик водного стоку для території
Житомирського Полісся на ХХІ століття на основі водно-балансової моделі
Турка та результатів моделювання клімату на основі ансамблю регіональних
кліматичних моделей дозволили встановити, що протягом двох розрахункових
періодів (включно 2050 р.) суттєвого зменшення водного стоку досліджуваних
річок не передбачається. В період 2051-2100 рр. найбільш загрозлива ситуація
стосовно зменшення водного стоку може скластися для річок Тетерів, Ірша,
174
Случ, Уж, де передбачається ймовірне зменшення стоку на 30-46%, порівняно
з багаторічними нормами. Середнє зменшення шару стоку для території
Житомирського Полісся може досягти 22%.
10. Згідно отриманих оціночних розрахунків, навіть при можливому
помітному зниженні водного стоку на окремих річках, зміна вмісту розчинених
мінеральних речовин буде несуттєвою.