Создание системы оперативного мониторинга водных ресурсов и экологического контроля гидротехнических инженерных сооружений Северного Казахстана - Методическая оценка водохозяйственного баланса водных объектов бассейна реки Тобыл

Исходные данные

В основу данной работы положены данные гидрометеорологических наблюдений станций и постов, относящихся к стационарной сети РГП «Казгидромет», расположенных в пределах бассейна реки Тобыл, а также фондовые материалы Комитета по водным ресурсам Республики Казахстан. Методологической и теоретической основой работы послужили труды отечественных и зарубежных ученых, а также программные документы экономического и социального развития Костанайской области [8, 17-19].

Оценка режима стока р. Тобыл

Оценка изменений стока под влиянием каскада водохранилищ на реке Тобыл в створе г. Костанай с использованием метода гидрологической аналогии выполнен на основании зависимости (1)

где – годовой стока р. Тобыл у г. Костанай; – сумма среднегодовых расходов воды р. Тобыл у с. Гришенка и р. Аят у с. Варваринка.

Восстановление стока исследуемой реки согласно нормативным документам [20-22] может производиться не только с помощью обычной парной корреляции (1), но и с использованием так называемых двойных интегральных кривых стока в виде (2)

По изменению угла наклона графика (2) определяют начало периода влияния хозяйственной деятельности и величину этого влияния в среднем за период [23].

На рисунке 1 приведены графики связи среднегодовых расходов воды в виде (1) и (2) для гидрологического поста р. Тобыл - г. Костанай и контрольного водосбора р. Тобыл – с. Гришенка и р. Аят – с. Варваринка за период 1931-2021 гг. На рисунке 1а) представлена связь среднегодовых расходов воды р. Тобыл – г. Костанай с суммой среднегодовых расходов воды по гидрологическим постам р. Тобыл – с. Гришенка и р. Аят – с. Варваринка, на рисунке 1b) показана связь интегральных значений среднегодовых расходов воды по гидрологическим постам р. Тобыл – г. Костанай и р. Тобыл – с. Гришенка и р. Аят – с. Варваринка.

Рисунок 1. Связь среднегодового стока р. Тобыл – г. Костанай с притоком к каскаду водохранилищ р. Тобыл

Рисунок 1. Связь среднегодового стока р. Тобыл – г. Костанай с притоком к каскаду водохранилищ р. Тобыл

На рисунке 1b) хорошо видно изменение режима годового стока после ввода водохранилищ в эксплуатацию с 1972 г., после 1972 г. годовой сток р. Тобыл уменьшился на 32%.

Для выявления тенденций в данных временных рядов использовался непараметрический тест Манна-Кендалла [24-25]. Он обычно применяется для обнаружения монотонных тенденций в сериях данных об окружающей среде, климатических данных или гидрологических данных [26] (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты теста «Отклонено Hо» для среднегодового расхода за период 1931-2021, 1931-1971, 1972-2021

Note: *Significant at 5 %
Name of gauging stations	Period	Z (variation value of S)	P (maximum value of lag)	S (Kendall coefficient)	Tau T(S/D)	D (maximum value of S)	Test interpretation*
Tobyl-Grishenka	1931-2021	0.45939	0.646	135.00	0.032975	85083	No statistically significant trend
Ayat-Varvarinka	1931-2021	-0.19542	0.8451	-58.00	-0.014172	85080	No statistically significant trend
Tobyl-Kostanai	1931-2021	-0.88108	0.3783	-258.00	-0.063027	85082	No statistically significant trend
Tobyl-Grishenka	1931-1971	0.90979	0.3629	82.00	0.100	7927	No statistically significant trend
Ayat-Varvarinka	1931-1971	0.73017	0.4653	66.00	0.0806	7925	No statistically significant trend
Tobyl-Kostanai	1931-1971	0.42684	0.6695	39.00	0.0476	7926	No statistically significant trend
Tobyl - Grishenka	1972-2021	1,9993	0,04558	240,00	0,1959984	14291	Statistically significant upward trend
Ayat-Varvarinka	1972-2021	0.81148	0.4171	98.00	0.0801	14289	No statistically significant trend
Tobyl-Kostanai	1972-2021	2.6768	0.007434	321.00	0.2620	14292	Statistically significant upward trend

На основании предоставленных результатов тест тренда Манна-Кендалла отвергает нулевую гипотезу (H0) в этих двух случаях:

- Тобыл-Гришенька (1972-2021): Значение p (0,04558) меньше обычного уровня значимости (обычно 0,05). Этот статистически значимый результат (p<0,05) указывает на отбраковку H₀ (отсутствие тренда) и наличие тренда в данных выписки Тобыля – Гришеньки. Дальнейший анализ тау Кендалла (0,1959984) предполагает слабую или умеренную тенденцию к увеличению расхода воды на этой станции.

- Тобыл – Костанай (1972-2021): Подобно результатам для Тобыла – Гришеньки, тест Манна-Кендалла для Тобыла – Костанай выявил статистически значимую тенденцию (p-значение = 0,007434, p<0,05). Это предполагает отказ от H₀ (отсутствие тенденции) в пользу альтернативной гипотезы, указывающей на тенденцию в данных. Значение тау Кендалла для Тобыл – Костанай (0,2620408) также положительное, что указывает на восходящий тренд. По сравнению с Тобылем – Гришенкой, более высокое значение тау указывает на более сильную тенденцию к увеличению расхода на участке Тобыл – Костанай.

После испытания рядов на тренд важным и необходимым этапом является проверка на однородность. Исследуемые временные ряды наблюдений за речным стоком р. Тобыл за рассматриваемые периоды были подвергнуты проверке на однородность. Оценка однородности изучаемых статистических характеристик временных рядов речного стока р. Тобыл выполнена на основе критериев Стьюдента, Фишера и непараметрического критерия Вилкоксона. Результаты проверки приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Проверка годового стока рек бассейна р. Тобыл на однородность

Река-пункт	Периоды	Фишер		Стьюдент		Вилкоксон			Проверка рядов на однородность
Река-пункт	Периоды	F	Fa	t	ta	U	U1	U2	Фишер	Стьюдент	Вилкоксон
Тобыл -Гришенка	1931-2021	1.60	1.87	0.13	1.98	989	788	1282	однородный	однородный	однородный
	1931-1971	4.15	2.74	0.82	2.04	177	135	285	не однородный	однородный	однородный
	1972-2021	1.76	2.27	0.56	2.01	233	211	414	однородный	однородный	однородный
Тобыл–г. Костанай	1931-2021	2.60	1.87	1.70	1.99	1197	788	1282	не однородный	однородный	однородный
	1931-1971	3.55	2.74	0.86	2.04	199	135	285	не однородный	однородный	однородный
	1972-2021	1.66	2.27	0.49	2.01	198	211	414	однородный	однородный	однородный
Аят - Варваринка	1931-2021	2.56	1.87	0.90	1.99	1023	788	1282	не однородный	однородный	однородный
	1931-1971	4.17	2.74	1.22	2.04	211	135	285	не однородный	однородный	однородный
	1972-2021	1.68	2.27	0.37	2.01	260	211	414	однородный	однородный	однородный

Испытание рядов на однородность позволило сделать вывод об их однородности за все периоды по среднему значению и по критерию Вилкоксона. Расчетные значения критерия Стьюдента по всем постам не превышает его критические значения.

Оценка однородности дисперсий временных рядов с использованием критерия Фишера показала, что при 1 %-ном уровне значимости критерия сток р. Тобыл за выделенные периоды не всегда относится к категории однородных по дисперсии. Гипотеза однородности выборочных дисперсий в этой проверке не отвергается, за период 1972-2021 гг., поскольку определяемая по сопоставляемым рядам статистика Фишера Fрасч.=1.66-1.76 оказывается менее значимой по сравнению с критической ее величиной для рассматриваемых условий F=2.27. Неоднородность по дисперсию выявлена на посту р. Тобыл – с. Гришенка за период 1931-1972 гг., по створу р. Тобыл – г. Костанай за многолетний период 1931-2021 гг., и за условно-естественный период 1931-1971 гг. Аналогичные результаты получены по створу р. Аят – с. Варваринка. Поскольку критерий Стьюдента является более информативным, то в целом сравниваемые ряды следует считать статистически однородными.

[Источники]

8) Сайт Казгидромет - URL: https://www.kazhydromet.kz.
17) СП РК 2.04-01-2017 «Строительная климатология» Астана, 2017. – 43 с. – URL: https://gos24.kz/uploads/documents/2022-12/sp-rk-2.04-01-2017-stroitelnaya-klimatologiya.pdf.
18) Алексейчева Е.Ю., Краткий статистический ежегодник Костанайской области. Костанай, 2019. – 100 с.
19) Экономический обзор Костанайской области. // Деловой мир. – 2019 – 6(36). – 253с.
20) Межгосударственные своды правил по проектированию и строительству РК. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. МСП 3.04-101-2005 Астана: Ком. по делам строительства и ЖКХ Министерства индустрии и торговли РК, 2006. - 58 с.
21) Рождественский А.В., Лобанова А.Г. (ред.) Пособие по определению расчетных гидрологических характеристик. Часть 1. // Пособие. — Л.: Гидрометиздат, 1984. - 447с.
22) Определение основных расчетных гидрологических характеристик. СП 33-101-2003 – М.: Госстрой, 2004. – 75 c.
23) Шикломанов И.А. Влияние хозяйственной деятельности на речной сток. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 334 с.
24) Mann H.B. Non-parametric tests against trend. // Econometrica. – 1945. - 13(3). – P. 245–259.
25) Kendall M.G. Rank Correlation Measures. /Ed. Charles Griffin. – London, 1975. – 218 p.
26) Skaugen Th., Stranden H.B., Saloranta T. Trends in snow water equivalent in Norway (1931-2009) // Hydrology Research. – 2012. - 43.4. – P. 489-499.