Изобретение относится к гидрографии и инженерной экологии водосборных бассейнов и водотоков в отдельных частях речных сетей преимущественно малых рек. Оно может быть использовано при оценке экологического качества всей речной сети, а также отдельных ее частей вдоль основного русла по группам водотоков, выделенных по признакам антропогенного воздействия вдоль основного русла. В частности, способ применим при разделении речной сети на две части относительно города до и после него или другого крупного антропогенного объекта (плотина гидроэлектростанции и ее водохранилища, мост крупных автомобильных и/или железнодорожных дорог, крупное водозаборное сооружение для ирригации, сооружение на берегу реки для сброса очищенных или неочищенных промышленных сточных вод, подводный переход через реку нефте- и газопровода и др.). Преимущественно изобретение относится к малой реке, по обоим берегам которой расположен город средней крупности, территория которого своими земельными участками целиком влияет на загрязнение нижней части малой реки.
Известен способ измерений речной сети по численности водотоков по патенту 2284472, включающий измерение численности водотоков, уточнение значений длины и площади водосборов каждого притока реки в речной сети по результатам полевых или иных измерений, принятие шага группировки отдельно по интервалам длины притока.
Недостатком является недостаточно высокая точность гидрографической и экологической оценки речной сети по параметрам самой речной сети без привлечения растительного покрова. Это обстоятельство не позволяет в полной мере учитывать в научно-практических исследованиях ландшафтные (параметры рельефа) и орографические данные при экологической оценке территории водосборного бассейна, прежде всего малых рек и их притоков и водотоков. При этом вообще не учитывается разделение реки по антропогенному влиянию на загрязнение речной воды.
Известен также способ гидрографической оценки речной сети по численности водотоков по патенту 2390806, включающий измерение численности водотоков, уточнение значений длины каждого притока реки в речной сети по результатам полевых или иных измерений, затем по измеренным значениям длины учтенных притоков строят гидрографическую схему речной сети, отношением длины водотоков всей речной сети к длине самой реки оценивают развитость водотоков речной сети, по множеству значений длины притоков вычисляют и принимают шаг группировки по интервалам значений длины притоков, после этого распределяют значения длины притоков по принятым для речной сети интервалам длины притоков, а по отношению численности притоков первой группы к численности всех притоков речной сети судят о ландшафтном качестве речной сети, затем речную сеть разделяют на части по основным притокам, примыкающим к реке, начиная от истока реки, после этого подсчитывают по гидрографической схеме речной сети количество мелких притоков у реки и основных ее притоков, а по отношениям численности мелких притоков к общей численности всех водотоков судят об экологическом качестве реки и основных ее притоков.
Недостатком является невозможность гидрографической оценки антропогенно измененной части речной сети. Это не дает возможности дополнительного выделения частей речной сети с разными антропогенными воздействиями. Кроме того, не учитывается неравномерное распределение по фрактальным уровням распределения притоков. Прототип не дает возможности сравнения гидрографической схемы или ее части с орографическими, хозяйственными и экологическими оценками территории водосборов.
Технический результат - повышение функциональных возможностей и точности количественного описания речной сети и отдельных ее антропогенно измененных частей на основе фрактальной группировки притоков речной сети или ее выделенной части по единому экспоненциальному закону спада длины притоков (модифицированному закону Мандельброта).
Этот технический результат достигается тем, что способ гидрографической оценки антропогенно измененных частей речной сети по численности водотоков, включающий измерение численности притоков, уточнение значений длины каждого притока реки в речной сети по результатам полевых или иных измерений, построение гидрографических схем речной сети и ее частей, после этого распределение значений длины притоков по принятым для речной сети или ее части группам притоков, отличающийся тем, что части речной сети выделяют по загрязняющим речную воду антропогенным объектам, расположенным на главном для речной сети или ее части русле, затем по всей речной сети и на ее части выделяют фрактальные группы по примыканию притоков, начиная с главного русла, после этого фрактальным группам присваивают ранги, начиная с нулевого значения для главного русла, по гидрографическим схемам составляют таблицы рангов и длин притоков, включая за нулевой ранг во всех выделенных частях речной сети общую длину главного русла, а среднестатистическое изменение длины притоков в зависимости от рангов фрактальных групп идентифицируют по табличным данным относительно экспоненциального закона в виде формулы:
L=L0exp(-arb),
где L - переменная среднестатистическая длина притока по фрактальным рангам длины притоков во всей речной сети или ее части, км;
L0 - расчетная длина водотока самой реки, км;
r - ранг притока r=0, 1, 2, …: 0 - сама река; 1 - притоки первого примыкания к реке; 2 - притоки второго уровня примыкания и т.д.;
а - активность спада длины притока;
b - интенсивность спада длины притока по фрактальным уровням.
Части речной сети выделяют по загрязняющим речную воду антропогенным объектам, расположенным на главном для речной сети или ее части русле, причем за загрязняющий антропогенный объект принимают город или другой населенный пункт, а также плотину гидроэлектростанции и ее водохранилище, мост крупных автомобильных и/или железнодорожных дорог, крупное водозаборное сооружение для ирригации, сооружение на берегу реки для сброса очищенных или неочищенных промышленных и канализационных сточных вод, подводный переход через реку нефте- и газопровода.
Сущность технического решения заключается в том, что речная сеть принимается за динамичный природный объект, изменяющий численность своих водотоков и притоков (приток содержит, по крайней мере, один водоток) в зависимости от рельефа (главный элемент ландшафта) и других орографических условий свою структуру и свойства. Особую динамичность изменениям речной сети малой реки придает деятельность хозяйства людского населения. Антропогенные объекты, как правило, расположены не случайно, а вполне закономерно относительно гидрографической схемы.
Сущность технического решения заключается в том, что между гидрографической схемой и загрязнением от антропогенных объектов речной воды, в частности главного русла речной сети, имеется связь, причем гидрографическая оценка становится объясняющей содержательной переменой для объяснения изменений в загрязнении речной воды до и после объекта.
Сущность технического решения заключается также в том, что принимается естественный фрактальный порядок разветвления речной сети по рангам примыкания притоков к основному руслу, которому присваивается нулевой ранг с максимальной длиной водотока. В каждой выделенной части учитывается главное русло с нулевым рангом.
Положительный эффект достигается тем, что на малых реках с еще мало антропогенным образом измененной структурой можно проводить экологическую оценку по соотношениям между мелкими и крупными притоками. При этом последовательно по течению от истока к устью выполняется скользящая экологическая оценка, как по частям речной сети, так и по общему множеству разно фрактальных притоков от истока до устья реки.
Новизна технического решения заключается в том, что впервые по фрактальным группировкам притоков выполняется распределение длин притоков по всей речной сети и по ее частям, а главное русло речной сети с нулевым рангом учитывается во всех выделенных частях.
Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, мировой новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.
На фиг.1 приведена гидрографическая схема речной сети Малая Кокшага (кружком отмечено место на основном русле реки в черте города в виде расположения городского водозабора); на фиг.2 дана первая часть речной сети от истока до городского водозабора Йошкар-Ола; на фиг.3 - то же на фиг.2 после городского водозабора Йошкар-Ола до устья (места впадения в реку Волга); на фиг.4 дан график фрактального распределения длины притоков по всей речной сети Малая Кокшага в целом (в правом верхнем углу даны: S - дисперсия; r - коэффициент корреляции); на фиг.5 - то же на фиг.4 по первой верхней относительно течения реки части речной сети; на фиг.6 - то же на фиг.4 по нижней второй части речной сети.
Способ гидрографической оценки антропогенно измененных частей речной сети по численности водотоков включает в себя следующие действия.
Вначале проводится уточняющие полевые (космические и аэрофотосъемки, геодезические измерения) и камеральные (измерения по картам и космическим и иным снимкам) изыскания речной сети. После этого приступают к реализации действий по предлагаемому способу оценки.
По измеренным значениям длины учтенных притоков строят гидрографическую схему речной сети. Гидрографическую схему речной сети и отдельных ее частей строят в масштабе, начиная от истока до устья реки слева направо, при этом притоки показывают отрезками прямых линий под углом примыкания в 45°.
Части речной сети выделяют по загрязняющим речную воду антропогенным объектам, расположенным на главном для речной сети или ее части русле. Затем по всей речной сети и на ее части выделяют фрактальные группы по примыканию притоков, начиная с главного русла, после этого фрактальным группам присваивают ранги, начиная с нулевого значения для главного русла, по гидрографическим схемам составляют таблицы рангов и длин притоков, включая за нулевой ранг во всех выделенных частях речной сети общую длину главного русла.
Среднестатистическое изменение длины притоков в зависимости от рангов фрактальных групп идентифицируют по табличным данным относительно экспоненциального закона в виде формулы:
L=L0exp(-arb),
где L - переменная среднестатистическая длина притока по фрактальным рангам длины притоков во всей речной сети или ее части, км;
L0 - расчетная длина водотока самой реки, км;
r - ранг притока r=0, 1, 2, …: 0 - сама река; 1 - притоки первого примыкания к реке; 2 - притоки второго уровня примыкания и т.д.;
а - активность спада длины притока;
b - интенсивность спада длины притока по фрактальным уровням.
Части речной сети выделяют по загрязняющим речную воду антропогенным объектам, расположенным на главном для речной сети или ее части русле, причем за загрязняющий антропогенный объект принимают город или другой населенный пункт, а также плотину гидроэлектростанции и ее водохранилище, мост крупных автомобильных и/или железнодорожных дорог, крупное водозаборное сооружение для ирритации, сооружение на берегу реки для сброса очищенных или неочищенных промышленных и канализационных сточных вод, подводный переход через реку нефте- и газопровода.
Способ гидрографической оценки частей речной сети, разделенных на основном русле гордом, по численности водотоков выполняется, например, при измерении длины притоков малой реки следующим образом.
Вначале по литературным и справочным данным составляется табличная модель значений длины реки и ее притоков. Эта табличная модель до сих пор не применялась для экологической оценки речной сети и применялась в основном только для ориентировочных гидрологических расчетов, главным образом для вычислений максимальных расходов речной воды во время весенних половодий.
Но такие расчеты имеют очень высокую погрешность до 30%.
Поэтому вначале необходимо провести уточняющие гидрологические, орографические, ландшафтные и иные измерения.
По измеренным значениям длины учтенных притоков строят гидрографическую схему речной сети.
Части речной сети выделяют по загрязняющим речную воду антропогенным объектам, расположенным на главном для речной сети или ее части русле. Затем по всей речной сети и на ее части выделяют фрактальные группы по примыканию притоков, начиная с главного русла, после этого фрактальным группам присваивают ранги, начиная с нулевого значения для главного русла, по гидрографическим схемам составляют таблицы рангов и длин притоков, включая за нулевой ранг во всех выделенных частях речной сети общую длину главного русла.
Среднестатистическое изменение длины притоков в зависимости от рангов фрактальных групп идентифицируют по табличным данным относительно экспоненциального закона в виде формулы:
L=L0exp(-arb),
где L - переменная среднестатистическая длина притока по фрактальным рангам длины притоков во всей речной сети или ее части, км;
L0 - расчетная длина водотока самой реки, км;
r - ранг притока r=0, 1, 2, …: 0 - сама река; 1 - притоки первого примыкания к реке; 2 - притоки второго уровня примыкания и т.д.;
а - активность спада длины притока;
b - интенсивность спада длины притока по фрактальным уровням.
Пример. Приток в речной сети малой реки разделяется на две структурные части - орографическая (объемная) и гидрографическая (линейная).
Орографическая сеть. Десятилетиями и столетиями изменяется орографическая часть в виде поверхности водосборной территории, а также русла у всех водотоков речной сети.
Поэтому орографическая сеть в предлагаемой методике принимается условно постоянной. Она позволяет реализовать ландшафтный подход к нормализации сельского хозяйства и рационализации всех отраслей природопользования на водосборах речной сети по всем ее притокам. При этом даже небольшие ландшафтные изменения орографической сети существенно влияют на гидрометрические, гидрологические и гидрохимические показатели отдельных притоков и всей речной сети.
Особо заметны изменения орографии ландшафта населенными пунктами, в частности городами (значимые изменения ландшафта даже в коротком поперечном створе малой реки выполняют плотина гидроэлектростанции и особенно ее водохранилище, мост для крупных автомобильных и/или железнодорожных дорог, крупное водозаборное сооружение для ирригации, сооружение на берегу реки для сброса очищенных или неочищенных промышленных сточных вод, подводный переход через реку нефте- и газопровода и др.).
Поэтому наш пример (по другим объектам антропогенного влияния примеры будут аналогичными по сути технического решения) был выполнен с учетом влияния измененной людьми за более 425 лет территории г. Йошкар-Ола с населением ныне почти 300 тысяч человек. Он расположен по обоим берегам малой реки под названием Малая Кокшага. Значительным упрощением при разработке предлагаемого технического решения было то, что вся река Малая Кокшага выше столицы Республики Марий Эл по течению не имеет других населенных пунктов. При этом перед городом располагается городской водозабор и треть населения столица берет воду из этой реки, поэтому вся верхняя часть речной сети охраняется.
Таким образом, отрезок реки длиной 21 км от городского водозабора до четвертого поста (внутри два поста измерений до и после городских очистных сооружений) измерений загрязнения речной воды сотрудниками Маргеомониторинга является сильно антропогенно измененной территорией. Здесь за последующие 20-30 лет будут значительно расширены промышленные площадки. Поэтому предлагаемый способ позволяет оценить и прогнозы по гидрохимическим загрязнениям.
Это отрезок речной с утраченными под городом и пригородами притоками анализируется особо, поэтому в данном техническом решении вторая часть речной сети принимается от городского водозабора до устья.
Ниже по течению от 21 до 107 км (пост измерений гидрохимических загрязнений) в устье реки Малая Кокшага располагаются малонаселенные лесные земельные участки. Поэтому здесь также орографическая сеть мало нарушена. В итоге река разделена на три участка - верхняя, нижняя и антропогенно измененная городская и пригородная среда длиной 21 км.
Гидрографическая сеть. Она наиболее динамична и заметна людям. Водотоки гидрографической сети меняют стоковые характеристики не только в течение года, но даже после каждого сильного ливня. При этом динамичны и такие параметры, как длина притоков и даже их численность.
Например, в весеннее половодье появляется большое множество временных притоков, пересыхающих в другие сезоны гидрологического года. В связи с этим вначале необходима методика оценки речной сети, а соответственно, и оценки качества водного хозяйства на ней для фиксированного времени измерений.
Как правило, такие измерения проводят ближе к летней межени.
Но такие измерения не позволяют оценить и давать экологическую характеристику антропогенно измененной части речной сети.
Поэтому предложен новый способ оценки качества по всей территории бассейна реки по многоуровневым элементам гидрографической сети. Предлагаемый способ практически был отработан на основе статистических данных по гидрографической сети нескольких малых рек Республики Марий Эл и может быть использован при оценке экологического качества всей речной сети, а также отдельных ее частей. Здесь мы отказались от группировки притоков по формуле Стреджеса по прототипу и перешли на фрактальные группировки, причем в отличие от Хортона-Штралера принимая за нулевой уровень саму реку по основному руслу.
Затем, для оценки влияния антропогенной части разделили речную сеть на две части до и после города Йошкар-Ола. При этом третий участок длиной 21 км не затрагиваем, так как это требует особых технических решений. Разделение реки провели для того, чтобы выяснить: влияет ли промышленный центр на речную систему реки? Теоретически он применим к речной сети любой крупности, а также к нескольким речным сетям на территории одной природной зоны. При этом существенно возрастает только объем статистической информации и эта трудность вполне будет преодолена после разработки водного реестра.
Экологическая характеристика. На реке М. Кокшага выше г. Йошкар-Ола расположен единственный поверхностный питьевой водозабор с суточным забором воды 38 млн. м3. Качество воды соответствует ГН 2.1.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования». Негативное влияние на реку М. Кокшага оказывают очистные сооружения МП «Водоканал» г. Йошкар-Ола, качество вод изменяется от «умеренно загрязненных» выше БОСК до «грязных» ниже БОСК.
В нижнем течении реки качество вод соответствует категории «загрязненных» из-за значительного разбавления грязной воды крупными притоками (фиг.1).
В бассейне реки находится 12 очистных сооружений.
Речная сеть до городского водозабора. Река М. Кокшага в верхнем течении (фиг.2) протекает по открытой малообеспеченной территории, занятой сельскохозяйственными угодьями. Она берет начало из родника на дне балки у д. Малый Кугланур Оршанского района (район Волго-вятского увала на водоразделе рек Волги и Камы, в верховьях протекает по малозаселенным и малозаболоченным участкам) и почти на всем протяжении протекает по территории Республики Марий Эл.
Река впадает в р. Волга с левого берега на 2034 км от устья. Бассейн реки грушевидной формы занимает возвышенную часть Республики Марий Эл. Таким образом, вся речная сеть расположена на территории одного субъекта федерации, что значительно упрощает управление водным хозяйством и облегчает научное исследование при высокой сопоставимости динамических рядов статистических гидрометрических и гидрологических данных.
Река Малая Кокшага до г. Йошкар-Ола содержит 373 притока, из них 34 притока первого ранга, 146 притоков второго ранга, 146 притоков третьего ранга, 44 притока четвертого ранга и 3 притока пятого ранга (табл.1).
Долина реки неясно-выраженная с очень пологими склонами, не имеющими резко очерченных бровок и незаметно переходящими в плоские водораздельные пространства.
Склоны слабо расчленены широкими заболоченными долинами притоков и полностью поросли густым смешенным лесом.
Основными загрязняющими веществами на участке являются частицы смытой почвы, остатки минеральных удобрений и органические вещества.
Речная сеть после городского водозабора. Примерно в среднем течении река проходит через г. Йошкар-Ола, испытывая воздействие новых специфических типов загрязнений. От города до впадения в р.Волга (фиг.3) река протекает по лесистой территории.
Наиболее возвышенная часть бассейна расположена в области, смежной с районом Марийско-Вятского Вала и в верховьях р. М. Кундыш, имеет отметки 220-240 абс. м., отсюда равнина понижается в западном и юго-западном направлении к реке Малая Кокшага.
Средняя высота водосбора в пределах северной части возвышенной равнины на левобережье реки Малая Кокшага составляет 160-170 м. на правобережье 130-150 м над уровнем моря. В южной низменной части равнины высота на восточном водоразделе колеблется в пределах 100-140 м, на западном около 120 абс. м.
Речная сеть бассейна хорошо развита. Долина реки частью неясно выражена, иногда трапецеидальная с пологими склонами высотой до 5 м, сложенными суглинистыми грунтами.
Дно долины пойменное, пойма двусторонняя, ширина ее колеблется от 50 до 700 м, поверхность ровная, покрыта кустарниковой и луговой растительностью, иногда заболочена.
Речная сеть реки Малая Кокшага после города Йошкар-Олы содержит 154 притока, из них 29 притока первого ранга, 69 притоков второго ранга, 56 притоков третьего ранга (табл.2). Таким образом, фрактальные группы четко выделяются по схеме и таблице исходных данных.
После города Йошкар-Олы река поворачивает на юг и течет по заболоченному руслу среди смешанного леса. Впадает в Куйбышевское водохранилище у села Кокшайск, в 5 км ниже Большой Кокшаги. Река Малая Кокшага после города Йошкар-Олы протекает по заболоченному руслу среди смешанного леса Медведевского и Звениговского районов.
Даже при сравнении схем на фигурах 2 и 3 видно, что наибольшая численность притоков наблюдается на верхней части речной сети. Поэтому по прототипу из-за наличия большого количества мелких притоков можно сделать вывод, что до города Йошкар-Ола р. М. Кокшага является менее загрязненной и измененной по чистоте речной воды, чем после города.
Однако распределение притоков по равным интервалам длины или других параметров является недостатком, поэтому предлагается иной подход к распределению по неравномерным интервалам значений любого гидрометрического и гидрологического показателя.
После сравнения двух частей речной сети предложен способ гидрографической оценки экологического состояния водосборных бассейнов по гидрографической сети с учетом функционального распределения земельных участков по категориям земельного кадастра.
Фрактальный анализ структуры речной сети. В современной системе наук о Земле все чаще теоретические и практические исследования проводятся на стыке различных наук.
Одним из таких инструментов является фрактальный анализ, по результатам его определяются состояние природных объектов, обусловленность их развития геолого-географическими особенностями территории и антропогенной нагрузкой.
Этот метод дает возможность оценивать характер самоподобия природного объекта через раскрытие его фрактальных свойств.
Фрактальный анализ является универсальным математическим методом, позволяющим характеризовать большинство природных объектов и процессов, в том числе и речные сети. Его очевидное достоинство состоит в том, что он дает возможность получать численное описание природных структур различного генезиса и соответственно сравнивать их между собой.
Речная сеть является разветвленной структурой, поэтому она хорошо поддается обработке методами фрактального анализа. Речная сеть является частью эрозионной сети.
В основе фрактального анализа лежат два главных критерия его применимости к изучаемым объектам: самоподобие по отношению к масштабу и наличие фрактальной (то есть нецелой) размерности.
Интерес зарубежных и отечественных географов и геоморфологов к изучению структуры речной и эрозионной сети методами фрактального анализа возник естественным образом в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого века. Предпосылкой этому стала фундаментальная работа Б. Мандельброта "Фрактальная геометрия природы", в которой впервые высказана идея о возможности исследования многих разветвленных (речные и эрозионные сети, береговые линии) и площадных (острова, озера, горные области) географических объектов методами фрактального анализа.
Он первый привел в качестве примеров показатели фрактальных размерностей этих объектов и способы их математического вычисления.
Ранжирование притоков. Известен способ измерения речной сети порядками водотоков, включающий распределение измеренных водотоков речной сети по порядкам Хортона-Штралера, классификацию водотоков по порядкам, площади водосбора, длине главной реки и среднему многолетнему расходу в устье главной реки.
Недостаток в том, что распределение водотоков речной сети выполнено только по эвристической географической закономерности в виде табличной модели. При этом по измеренным водотокам не выявлены статистические закономерности по устойчивым математическим законам распределения.
Таким образом, классическая нисходящая схема Хортона-Штралера, обладающая простотой и отсутствием субъективизма в определении порядка, применена к классификации структуры речной сети только с учетом измеренного множества притоков и без учета еще неизмеренных порядков водотоков. Поэтому закон Мандельброта или его метод фрактального анализа на группировках Хортона-Штралера не выполняется.
Авторами нулевой фрактальный ранг присваивается последнему порядку Хортона-Штралера, а последний ранг присваивается первому порядку Хортона-Штралера, причем последующие по возрастанию ранги присваиваются неизмеренным водотокам, мелким по сравнению с измеренными на карте данного масштаба водотоками.
Фрактальное распределение. Распределение притоков реки М. Кокшага по порядкам (метод Хортона-Штралера) и рангам (наш метод) дано в таблице 3 (фрагмент взят для демонстрации из начала и конца таблиц 2 и 3). Но сами закономерности по порядкам притоков не приведены.
Сравнение рангов с порядками по данным таблицы 3 показало, что распределение по Хортону-Штралеру не подчиняется модифицированному закону Мандельброта, то есть по формуле (1).
Авторами для рангового распределения притоков по фрактальным уровням предлагается закон экспоненциальной гибели (спада) по формуле
где L - переменная среднестатистическая длина водотока по разным фрактальным рангам длины притоков, км;
L0 - расчетная длина водотока самой реки, км;
r - ранг притока r=0, 1, 2, …: 0 - сама река; 1 - притоки первого примыкания к реке; 2 - притоки второго уровня примыкания и т.д.;
а - активность спада длины притока (чем выше значение, тем качество речной сети хуже по уменьшению размеров гидрографической схемы);
b - интенсивность спада длины притока по фрактальным уровням (чем выше значение, тем скорость ухудшения гидрографического качества речной сети больше).
Сравнение речной сети с ее частями. Таблицы 1 и 2 вместе дают гидрографическую характеристику всей речной сети Малая Когшага. В результате сравнения получили, что притоки реки М. Кокшага до города Йошкар-Олы имеют более разветвленную структуру (5 рангов и количество притоков 373), чем притоки после города (3 ранга). Это указывает на то, что деятельность города Йошкар-Олы на участке 21 км с уничтоженными притоками на территории города оказывает сильное влияние на структуру реки Малая Кокшага по двум частям.
В результате сравнения притоков реки Малой Кокшаги получили, что притоки реки до города Йошкар-Олы имеют более разветвленную структуру. На первой части речной сети имеются 5 рангов и количество притоков равно 373. При длине участка от истока реки до городского водозабора 99,44 км получаем удельное количество притоков 373/99,44=3,75 шт./км.
Притоки после городского водозабора имеют 3 ранга и количество притоков 154. На длине 107 км от городского водозабора до устья реки Малая Кокшага получаем плотность притоков 154/107=1,44 шт./км. Деятельность города Йошкар-Олы оказывает сильное влияние на структуру и размерность реки Малая Кокшага. При этом в черте города пропали несколько притоков полностью. Речная структура реки от первой части ко второй изменилась более чем в 3,75/1,44=2,6 раза. Кроме того, загрязненность речной воды на участке 21 км от городского водозабора также выше.
Способ измерения частей речной сети. В таблице 4 даны коэффициенты корреляции (показатель тесноты связи) после идентификации закона (1) в программной среде типа CurveExpert.
Оказалось, что только учет общей длины главного русла речной сети дает наиболее высокую адекватность закона (1) к статистическим данным таблиц 1 и 2. Поэтому фрактальные закономерности рекомендуется выявлять с учетом общей длины реки (в нашем примере 206,44 км). В данном техническом решении будем принимать условие, что исток постоянно находится на одном и том же месте (многие речные сети имеют переменные истоки у притоков и главной реки).
Моделирование фрактального распределения притоков реки Малая Кокшага в целом по речной сети. После идентификации закона (1) была получена (фиг.4) устойчивая биотехническая закономерность вида
Чем больше коэффициент корреляции (в правом верхнем углу фиг.4), тем экологически устойчивее сама речная сеть, то есть на ее территории сопротивляемость нарушениям территориального и компонентного экологического равновесия (баланса) выше.
Фрактальная структура части речной сети до городского водозабора Йошкар-Олы. Для первой части речной сети, после параметрической идентификации закона (1), была получена (фиг.5) формула
Здесь значимо меняются параметры модели (1) а и b. Это указывает на то, что отдельные части речной сети имеют разнородную структуру притоков по их длине. Аналогичные фрактальные распределения можно получать и по другим гидрометрическим показателям речной сети (площади водосборов, падению притоков, объему рельефа и др.).
Фрактальная структура части сети после городского водозабора Йошкар-Олы. Для второй части речной сети от городского водозабора до устья реки, после параметрической идентификации закона (1) была получена (фиг.6) формула аналогичной конструкции
Сравнение фрактальных структур речной сети. Сравнительные данные по трем фрактальным структурам приведены в таблице 5.
Часть речной сети до городского водозабора относится к освоенным сельским хозяйством территориям, поэтому водосборные бассейны притоков антропогенно изменены, но в пределах допустимых концентрациях загрязняющих веществ в речной воде. Именно наличие городского водозабора сдерживает уровень загрязненности первой части речной сети. Дисперсия длины притоков здесь почти в два раза меньше по сравнению со всей речной сетью и второй ее частью.
Вторая часть речной сети от городского водозабора до устья реки длиной 107 км имеет высокую дисперсию длины притоков. Это связано, по-видимому, с ликвидацией нескольких притоков в городской черте. Но через 21 км от городского водозабора ниже по течению реки территория лесистая и почти без населенных пунктов. Поэтому коэффициент корреляции 0,9083 относит формулу (4) к сильнейшей факторной связи (выше 0,9). Здесь многие притоки имеют ненарушенные естественные поймы и русла. Однако, класс качества речной воды здесь достигает от умеренно загрязненной воды до загрязненной только из-за влияния города Йошкар-Ола.
Таким образом, между гидрографической и экологической оценками из-за негативного влияния города наблюдается сильное противоречие. Первая часть речной сети хозяйственно освоена и поэтому в фрактальном распределении наблюдается наименьший коэффициент корреляции 0,7012. Однако она менее загрязнена из-за влияния городского водосбора. Вторая часть менее освоена человеком и поэтому фрактальное распределение имеет наибольшую тесноту факторной связи, однако она сильно загрязнена по главному руслу из-за влияния города. Из-за чистой воды притоков происходит разбавление речной воды и к устью Малой Кокшаги концентрация загрязняющих веществ снижается.
Таким образом, гидрографическая оценка по фрактальной группировке притоков речной сути очень удачно дополняется результаты гидрохимического анализа по пяти постоянным постам измерений видов загрязнения речной воды. Но при этом гидрографическая оценка по трем фрактальным структурам становится главной, позволяющей эвристически (содержательно) объяснить изменение динамики концентрации видов загрязнителей от городского водозабора до устья реки. Дополнительный анализ может быть также проведен по изменениям параметров модели а и b.
Предлагаемый способ обладает простотой применения в расчетах, так как для гидрографической оценки в минимальном случае необходима таблица с длинами притоков (в более сложном случае нужна дополнительно таблица со значениями площади водосбора притоков или даже с объемами рельефа на данном ландшафте) по частям речной сети вдоль главного русла.
Предлагаемое техническое решение позволяет сравнивать гидрографическую оценку по фрактальным распределениям притоков всей речной сети и ее отдельных частей, разделенных городом, с хозяйственной освоенностью и орографической оценкой водосборных бассейнов у выделенных частей, а также сравнивать с экологической оценкой участков главного русла реки по концентрации загрязняющих веществ в речной воде главного русла. При этом орографическая и гидрографические оценки как менее изменчивые со временем могут дать содержательные объяснения динамике загрязнения городом и сельским хозяйством речной воды главного русла от истока до устья.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ ГИДРОГРАФИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ РЕЧНОЙ СЕТИ ПО ЧИСЛЕННОСТИ ВОДОТОКОВ | 2008 |
|
RU2390806C2 |
| СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГОДОВОЙ САМООЧИЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВОДОТОКА В ФАРВАТЕРЕ | 2015 |
|
RU2606555C1 |
| СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕКИ | 2009 |
|
RU2410644C1 |
| СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЕКИ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ | 2009 |
|
RU2415420C1 |
| СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗВИЛИСТОСТИ РУСЛА РЕКИ | 2013 |
|
RU2554334C1 |
| СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ВДОЛЬ ПРИРУСЛОВОЙ ПОЙМЫ ДЛЯ АНАЛИЗА РАЗМЕЩЕНИЯ ЭТИХ УЧАСТКОВ | 2008 |
|
RU2394208C1 |
| СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ РУСЛОВЫХ ПОТОКОВ С ПОМОЩЬЮ АНАЛИЗА ЦИФРОВЫХ СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ | 2011 |
|
RU2469270C1 |
| СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОЩАДИ ВОДОСБОРА РАВНИННОЙ РЕКИ ПО ДЛИНАМ ПРИТОКОВ | 2004 |
|
RU2293289C2 |
| СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЧНОЙ СЕТИ ПО ЧИСЛЕННОСТИ ВОДОТОКОВ | 2004 |
|
RU2284472C2 |
| СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ТРАВЯНОГО ПОКРОВА ЛЕСНОЙ ПРИБРЕЖНОЙ ЛУГОВИНЫ | 2013 |
|
RU2530519C2 |
Изобретение относится к области гидрографии и может быть использовано для гидрографической оценки речной сети. Сущность: определяют количество притоков реки. Уточняют длину каждого притока по результатам полевых или иных измерений. Строят гидрографические схемы речной сети. Распределяют значения длин притоков по группам. Выделяют антропогенно измененные части речной сети. Выделяют по всей речной сети и на ее частях фрактальные группы по примыканию притоков. Присваивают фрактальным группам ранги. Составляют таблицы рангов фрактальных групп и длин притоков. Определяют по табличным данным, применяя экспоненциальный закон, среднестатистическое изменение длины притоков в зависимости от ранга фрактальных групп. Технический результат: повышение точности оценки. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
1. Способ гидрографической оценки антропогенно измененных частей речной сети по численности водотоков, включающий измерение численности притоков, уточнение значений длины каждого притока реки в речной сети по результатам полевых или иных измерений, построение гидрографических схем речной сети и ее частей, распределение значений длины притоков по принятым для речной сети или ее части группам притоков, отличающийся тем, что части речной сети выделяют по загрязняющим речную воду антропогенным объектам, расположенным на главном для речной сети или ее части русле, затем по всей речной сети и на ее частях выделяют фрактальные группы по примыканию притоков, начиная с главного русла, после этого фрактальным группам присваивают ранги, начиная с нулевого значения для главного русла, по гидрографическим схемам составляют таблицы рангов и длин притоков, включая во все таблицы во всех выделенных частях речной сети нулевой ранг и общую длину главного русла, а среднестатистическое изменение длины притоков в зависимости от ранга фрактальных групп идентифицируют по табличным данным относительно экспоненциального закона в виде формулы:
L=L0exp(-arb),
где L - переменная среднестатистическая длина притока по фрактальным рангам длины притоков во всей речной сети или ее части, км;
L0 - расчетная длина водотока самой реки, км;
r - ранг притока r=0, 1, 2, …: 0 - сама река; 1 - притоки первого примыкания к реке; 2 - притоки второго уровня примыкания и т.д.;
а - активность спада длины притока;
b - интенсивность спада длины притока по фрактальным уровням.
2. Способ гидрографической оценки антропогенно измененных частей речной сети по численности водотоков по п.1, отличающийся тем, что за загрязняющий антропогенный объект принимают город или другой населенный пункт, а также плотину гидроэлектростанции и ее водохранилище, мост крупных автомобильных и/или железнодорожных дорог, крупное водозаборное сооружение для ирригации, сооружение на берегу реки для сброса очищенных или неочищенных промышленных и канализационных сточных вод, подводный переход через реку нефте- и газопроводов.
| П.М.Мазуркин и др | |||
| Фрактальный анализ структуры малой реки / Охрана и защита, обустройство, индикация и тестирование природной среды | |||
| Сб | |||
| статей студентов, аспирантов и преподавателей: Научно-учебное издание | |||
| - М.: Академия Естествознания, 2010, стр | |||
| Приспособление для градации давления в воздухопроводе воздушных тормозов | 1921 |
|
SU193A1 |
| СПОСОБ ГИДРОГРАФИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ РЕЧНОЙ СЕТИ ПО ЧИСЛЕННОСТИ ВОДОТОКОВ | 2008 |
|
RU2390806C2 |
| СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЕКИ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ | 2009 |
|
RU2415420C1 |
