Трансформація річкової мережі лівобережних приток Середнього Дніпра

Сарнавський С. П. Трансформація річкової мережі лівобережних приток Середнього Дніпра : дис. … д-ра філософії : 103 Науки про Землю / Сарнавський Сергій Петрович. – Київ, 2024. – 278 с.

Дисертаційна робота полягає у дослідженні трансформації річкової мережі в межах басейнів лівих приток Середнього Дніпра. Визначено методичні основи дослідження та проведено ретроспективний аналіз досліджень річкової мережі. Проаналізовано умови формування стоку річок досліджуваної частини суббасейну, включаючи географічні, геологічні, гідрогеологічні, кліматичні та грунтово-рослинні умови, а також вплив господарської діяльності та ландшафтно-гідрологічне районування. Здійснено аналіз гідрологічного режиму лівих приток Середнього Дніпра в межах двох ключових кліматичних періодів 1961-1990 та 1991-2020 рр.; виконано розрахунки водного балансу та внутрішньорічного розподілу стоку річок досліджуваного басейну. Узагальнено інформацію про трансформацію гідрографічної сітки лівих приток Середнього Дніпра в антропогеновий період. Досліджено зміну річкової мережі в період ХІХ-ХХ ст. та сучасний період, а також надано прогноз подальшої трансформації в межах ХХІ ст. На основі отриманих даних створено динамічну картографічну модель трансформації річкової мережі лівобережжя Середнього Дніпра.
Основні результати дослідження можуть бути використані Полтавським обласним центром з гідрометеорології для аналізу багаторічних змін гідрометеорологічних умов на території зони відповідальності; для характеристики гідрографічної мережі та наповнення Каталогу річок, каналів, озер та водосховищ Державного водного кадастру; для забезпечення споживачів гідрологічною інформацією про основні тенденції в зміні характеристик водного режиму річок. Основні результати дослідження також можуть бути використані при прийнятті управлінських рішень щодо оптимізації гідрологічної мережі спостережень.
Мета дисертаційної роботи полягає в проведенні комплексного аналізу та вивчення трансформації річкової мережі в межах басейнів лівих приток Середнього Дніпра.
Об'єктом дослідження є річкова мережа басейнів лівих приток суббасейну Середнього Дніпра - 5 середніх: Псла, Ворскли, Сули, Трубежу, Супою та низки малих річкових басейнів в досліджуваному регіоні - Золотоношки, Ірклію, Ковраю, Ковалівки, Кривої Руди, Кагамлику, Кобелячку, Дарниці, Прірви, Ікви-Павлівки, Рудої-Горіхівки та ін.
Предметом дослідження є процес трансформації річкової мережі в межах басейнів лівобережних приток Середнього Дніпра внаслідок кліматичних змін та антропогенної діяльності. До уваги береться період регулярних гідроспостережень за ХХ та ХХІ ст., а також здійснено обрахунок трансформації довжини, кількості та густоти річкової мережі за картографічними даними ХІХ-ХХ ст.
У роботі проведено аналіз трансформації річкової мережі в межах лівих приток Середнього Дніпра. Визначено методичні основи дослідження та проведено ретроспективний аналіз досліджень річкової мережі. Проаналізовані дані характеристики умов формування стоку річок досліджуваного суббасейну, включаючи географічні, геологічні, гідрогеологічні, кліматичні та грунтово-рослинні умови, а також вплив господарської діяльності та ландшафтно-гідрологічне районування. Здійснено аналіз гідрологічного режиму лівих приток Середнього Дніпра в межах двох ключових гідрокліматичних періодів 1961-1990 та 1991-2020 рр.; виконанні розрахунки водного балансу та внутрішньорічного розподілу стоку річок досліджуваного басейну. Узагальнено інформацію про трансформацію гідрографічної сітки лівих приток Середнього Дніпра в антропогеновий період. Досліджено зміну річкової мережі в період ХІХ-ХХ ст. та сучасний період, а також надано прогноз подальшої трансформації в межах ХХІ ст. На основі отриманих даних створено динамічну картографічну модель трансформації річкової мережі лівобережжя Середнього Дніпра.
Під час написання дисертаційного дослідження використано дані багаторічних спостережень 22 гідрологічних постів у басейнах лівих приток Середнього Дніпра - Псла, Ворскли, Сули, Трубежу, Супою та Золотоношки з часу перших спостережень до 2020 р. включно. Були опрацьовані та узагальнені дані опублікованих багаторічних даних гідрометеорологічних спостережень державного водного кадастру Центральної геофізичної обсерваторії ім. Бориса Срезневського (м. Київ). Використано дані звітності Полтавського обласного центру з гідрометеорології.
Для дослідження кліматичних особливостей вдосліджуваної частини басейну Середнього Дніпра використані кліматичні дані Climatic Research Unit gridded Time Series набори кліматичних даних в квадратах по 0,5° широти на 0,5° довготи географічної сітки Землі, отриманих шляхом інтерполяції місячних кліматичних аномалій із розгалужених мереж спостережень метеостанцій. Для досліджуваного регіону лівобережжя Середнього Дніпра були використані кліматичні дані з 1900 по 2020 рр.
Опрацьовано вихідні цифрові дані Геологічної служби США (Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), цифрова модель рельєфу), Global Forest Watch (дані та інструменти для моніторингу лісів), HydroSHEDS (глобальні карти меж водозбірних басейнів, ліній річок і берегових ліній озер), IPCC WGI Interactive Atlas, Climate Knowledge Portal (дані МГЕЗК зміни клімату за сценарієм SSP2-4.5), KNMI Climate Change Atlas (ряди кліматичних та гідрологічних даних ВМО з 1861 по 2100 рр.).
Вихідними даними також слугували географічні карти: військово- топографічна карта Російської імперії 1846-1863 рр. Ф.Ф. Шуберта у масштабі 3 версти в 1 дюймі (в 1 см – 1,26 км), топографічна карта Генерального штабу РСЧА за 1954-1977 рр., з оновленням за 1980-1990 рр. масштаб 1:100000 та 1:200000. Як додаткові джерела інформації використовувались карти Генерального штабу Червоної Армії 1936-1942 рр. виконані в масштабі в 1 см – 500 м та карти німецької армії 1938-1943 рр. також виконані в масштабі в 1 см – 500 м. В роботі використані дані супутникових знімків відкритих баз інформації Google Earth Pro, EOSDA LandViewer, NASA Worldview для досліджуваної області.
Обґрунтовано та сформовано теоретико-методичний підхід до основ вивчення трансформації річкової мережі як об’єкт гідролого-географічного аналізу. Для цього був використаний метод гідролого-географічного аналізу. Опрацьовано відповідну літературу з даного питання і розглянуті попередні дослідження. Виокремленні методичні основи вивчення трансформації річкової мережі. Вони полягають у використанні методу картографічного аналізу, методиці векторизації досліджуваної гідромережі, аналізі порядків водотоків та визначення коефіцієнта трансформації. За допомогою методу ретроспективного аналізу досліджено історію вивчення лівобережжя Середнього Дніпра від IV ст. до н.е. до сучасного періоду. Обгрунтовано основні періоди гідролого-географічних досліджень та їх часові межі, виокремлено в межах кожного періоду - основні етапи гідролого- географічних досліджень.
Завдяки методу гідролого-географічного аналізу встановлено причинно-наслідкові зв'язки між географічними особливостями території та характером поверхневих вод досліджуваних річкових басейнів. Басейновий метод дослідження дозволив провести комплексний аналіз фізико- географічних характеристик річкових басейнів лівобережжя Середнього Дніпра, включаючи їх географічного розташування, тектонічної, геологічної, гідрогеологічної будови, кліматичних особливостей, грунтово-рослинного покриву досліджуваних річкових басейнів. Детально узагальнена інформація про господарське використання річкових басейнів лівобережжя Середнього Дніпра в сільському господарстві, промисловості, рекреації, рибальстві, судноплавстві та інших сферах. Виокремлено ключові природні та антропогенні впливи на річкову мережу досліджуваного суббасейну.
Узагальнено та оновлено дані про характеристику кліматично- гідрологічних умов, умов формування стоку та гідрологічного режиму лівих приток суббасейну Середнього Дніпра за два кліматичні період 1961-1990 рр. та 1991-2020 рр. У сучасний кліматичний період 1991-2020 років було виявлено зменшення кількісті опадів на рік у порівнянні з попереднім періодом кліматичної норми, а також зростання середньорічної температури повітря на +1,3°С. На основі ландшафтно-гідрологічного методу дослідження оцінено взаємозв'язок між ландшафтом та гідрологічним режимом річок в досліджуваному регіоні.
За допомогою математичних та статистичних методів дослідження обраховано гідрологічні параметри багаторічного, середньорічного, сезонного, середньомісячного об’єму стоку та визначено відсотки типів живлення в межах 18 гідропостів регіону лівобережжя Середнього Дніпра. Підтверджено результатами аналізу середніх місячних витрат стоку за два 30-річні гідрологічні цикли 1961-1990 та 1991-2020 років, зменшення підземного -2% та снігового живлення -3% на фоні загального зменшення стоку річок призвело до зростання частки дощового живлення +5%.
За допомогою водно-балансового методу проведено оцінку та порівняння складових водного балансу для водозборів українських частин басейнів Псла, Ворскли, а також Сули, Трубежу, Супою та Золотоношки за характерні періоди 1961-1990 та 1991-2020 рр. Визначено, що за останні 30 років (1991-2020 рр.) спостерігається загальне збільшення коефіцієнтів посушливості та зменшення коефіцієнтів стоку. Загалом, коефіцієнт посушливості у межах лівобережжя Середнього Дніпра зріс на 0,9%, досягнувши 95,4%. Це зростання обумовлене зменшенням поверхневого стоку річок на -5,2 мм/рік, суми атмосферних опадів -7,3 мм/рік та сумарного випаровування -2,1 мм/рік.
Узагальнено дослідження походження і розвитку річкової мережі Середнього Дніпра в період антропогену. Особливу увагу приділено впливу Дніпровського та Валдайського (Saalian and Weichselian) зледеніння на річкову мережу регіону. Визначена географія флювіо-гляціальних потоків, водойм та водотоків в межах лівобережжя Середнього Дніпра.
Здійснено ретроспективний аналіз трансформації річкової системи лівих приток Середнього Дніпра протягом XIX – ХХІ ст. на основі картографічного методу дослідження методом накладання різновікових карт відповідних часових зрізів та супутникових знімків (1985-2020 рр). На основі цього обраховано загальну довжину річкової мережі, кількість водотоків, густоту річкової мережі вцілому всього лівобережжя Середнього Дніпра так і в розрізі всіх ключових річкових басейнів. За допомогою польового та картографічного методу досліджено трансформацію гідрографічної мережі в межах двох малих басейнах річок - Ковжижі та Чорної в XIX – ХХІ ст.
За допомогою методів ГІС, дистанційного зондування Землі та картографічного методу створено динамічну картографічну модель басейну лівобережжя Середнього Дніпра за ХІХ-ХХІ ст. Дана модель демонструє трансформаційні зміни річкової мережі за відповідні періоди на основі отриманих та прогностих результатів.
Надано прогноз подальшої трансформації гідрографічної сітки лівих приток Середнього Дніпра до 2100 р. на основі кліматичного сценарію SSP2 МГЕЗК. Загальна довжина всіх річок в межах досліджуваного басейну наприкінці ХХІ ст. скоротиться на 4479 км. Це особливо буде відчутно в басейнах найбільших річкових систем, таких як Псел, Ворскла та Сула. Малі річки - Крива Руда та Ковалівка можуть зазнати катастрофічних наслідків, таких як пересихання або втрата своєї річкової мережі.