Явление отсутствия стока на реках европейской территории России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Явление отсутствия стока на реках европейской территории России

М.Б. Киреева - аспирантка;

Н.Л. Фролова - канд. геогр. наук, доцент

Московский государственный университет

им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

Для Европейской территории России выполнен детальный анализ пространственного распределения характеристик бессточных периодов: его продолжительности и частоты, максимальной площади водосборов, на которых может наблюдаться отсутствие стока при данном увлажнении территории, предложено районирование территории по некоторым показателям, характеризующим явление отсутствия стока. Для бассейна Дона предложен целый ряд эмпирических зависимостей характеристик бессточного периода от гидрометеорологических условий года. Рассмотрена динамика явлений отсутствия стока в условиях современных климатических изменений.

For the European part of Russia space-time analyses of zero-discharge characteristics, including duration, frequency and maximum catchment area of intermittent rivers was done. Moreover the zoning was created, based on distribution of some drainless period's rates. For the Don River basin a number of empirical dependence between zero-discharge characteristics and hydrometeorological conditions of the concrete year was brought to light. In addition, the dynamics of the zero-discharge events according to the recent climate changes was distinguished.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 09-05-00339; 09-05-92001-ННС), программы поддержки ведущих научных школ (НШ-4088.2010.5), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт № 02. 740. 11.0336 и проект № П164).

Введение. Возникновение в течение года бессточных периодов на реках представляет собой сложное и многофакторное явление. Его исследование важно при изучении причин деградации малых рек и русловой сети в условиях изменения климата, оценке гидроэкологической безопасности территории, взаимосвязи подземных и поверхностных вод.

Явление эпизодического прекращения стока в русле реки является сложным и в целом мало изученным процессом. Разнообразие физико-географических условий, сочетание разнообразных факторов обуславливает возникновение явления прекращения стока на реках самых разных размеров в различных регионах России. Существенной проблемой при изучении явления прекращения стока является возможная недостоверность используемой информации, а также наличие неполных данных о стоке малых рек.

Значительное влияние на прекращение стока рек оказывает хозяйственная деятельность. Очень часто по малым рекам информация о ней отсутствует и ее влияние трудно оценить. При этом данные о наличии или отсутствии явления прекращения стока имеют большое значение для водопользователей. Повторяемость и продолжительность этого явления являются ограничивающими водопотребление характеристиками и, соответственно, определяют возможности использования водных ресурсов. Особенно актуальна данная проблема в регионах с дефицитом воды и большими потребностями в ней (сельскохозяйственные районы бассейнов Дона, Терека и Кубани, Нижней Волги).

Общая постановка проблемы. Явление прекращения стока в русле реки является наиболее экстремальным проявлением ее малой водности. Оно возникает при определенных сочетаниях гидрометеорологических условий и в отсутствии какого-либо из них может не наблюдаться. Пересыхание и перемерзание, представляя визуально одно явление- прекращение стока, имеют существенное генетическое различие. При пересыхании сток в реке отсутствует вследствие истощения подземного питания реки, а при перемерзании - подземные воды могут сохраняться, но в зоне питания реки переходят в твердое состояние в результате промерзания почвогрунтов или образования наледи. В соответствии с этим для возобновления стока в теплый сезон необходимо выпадение стокообразующих осадков, а в холодный сезон достаточно повышения температуры [1]. На реках России прекращение стока происходит во время зимней и летне-осенней межени, причем оно может наблюдаться как ежегодно, так и эпизодически.

Основными факторами, определяющими явление отсутствия стока, являются: площадь бассейна, его физико-геог-рафическое положение и гидрогеологические условия; общий запас воды в бассейне в период; предшествующий половодью, объем весеннего половодья; метеорологическая обстановка в весенне-летний период, характеризующая текущее увлажнение бассейна реки [2]. Исследование явления отсутствия стока проведено на основе многолетних статистических данных Государственного водного кадастра и «Ресурсов поверхностных вод» по 265 гидрологическим постам, расположенным на территории ЕТР. Более детально был рассмотрен бассейн р.Дон, находящийся в зоне недостаточного увлажнения, для рек которого рассматриваемое явление широко распространено. Площади водосборов более чем 100 пересыхающих рек бассейна Дона, данные о которых использованы в работе, колеблются от 10 км² (р. Чибрик, с. Рождественское) до 19000 км² (р. Сал, с. Мартыновка). Используемая для анализа метеорологическая информация включает суточные данные о температуре воздуха и количестве атмосферных осадков по 130 метеостанциям, расположенным в бассейне Дона и на прилегающих территориях.

Пространственный анализ явления стока на Европейской территории России. Для пространственного анализа характеристик явления отсутствия стока были взяты следующие величины: площадь водосбора рек, на которых наблюдается бессточный период; частота явления (в % от числа лет и дней наблюдений); продолжительность бессточного периода, осредненная за многолетний период. Наибольшая продолжительность и частота явления отсутствия стока наблюдаются на юге ЕТР, в районе Нижней Волги и Дона, образуя замкнутый регион, примыкающий к северному побережью Каспийского моря. Наибольшие значения продолжительности явления отсутствия стока составляют более 200 дней в году и наблюдаются в районе Нижней Волги и Дона (рис. 1). К этому району относятся бассейны рек Большой и Малый Узень со средней продолжительностью отсутствия стока 220 (п. Малый Узень, 3930 км²) и 248 дней (п. Новоузенск, 7480 км²), соответственно, р. Камелик (п. Новоспасское, 8900 км²) - 207 дней, р. Алтата (п. Алтата, 3630 км²) - 262 дней, р. Таловая (п. Юлдашбаево 1550 км²) - 296 дней и др.

Продолжительность явления отсутствия стока связана с его частотой (рис. 2). Например, для р. Сал (п. Никольский, 5610 км²) средняя продолжительность бессточного периода составляет 150 дней, а частота явления составляет 32 % (повторяемость 1 раз в три года), для р.Джалга (п. Соленое, 646 км²) средняя продолжительность равна 68 дней, а частота - 9 % (повторяемость 1 раз в 11 лет), для р.Малая Вязовка (п. Мокша, 82 км²) - 314 дней и 77 %, соответственно, (бессточный период отсутствует лишь 1 раз за 4 года).

Следует отметить наличие трех областей: 1) с отсутствием явления (севернее линии вершина Финского залива - северная оконечность Рыбинского водохарнилища - далее вдоль р. Волги до устья р. Ветлуги - далее субширотно до верховьев р. Чусовой); 2) с эпизодическим прекращением стока и 3) с постоянным прекращением стока части малых рек и эпизодическим пересыханием некоторых средних рек (замкнутый регион с севера, ограниченный линией, проведенной от верхнего течения р. Западной Двины до верховьев р. Медведицы, далее севернее к месту слияния р. Волги и р. Камы, затем по течению р. Урал, с юга - предгорьями Кавказа). Систематическое отсутствие стока на части рек в период низкого стока наблюдается только в зоне недостаточного увлажнения.

Рис. 1. Пространственное распределение характеристик явления отсутствия стока: а) средняя продолжительность бессточного периода (сут.); б) верхний предел площадей водосборов (км²), на которых наблюдается бессточный период

Рис. 2. Связь продолжительности и частоты пересыхания рек ЕТР

бессточный водосбор увлажнение территория

Рис. 3. Изменение расходов воды (Q, м³/с), осадков (P, мм) и температуры воздуха (t, °С) для р. Токай - д. Ростоши (F = 620 км²) за 1958-1959 гг.

Анализ зависимостей характеристик бессточных периодов от морфометрических и гидрометеорологических показателей (на примере бассейна Дона). В бассейне р. Дон явление пересыхания и перемерзания рек является типичной особенностью. На рис. 3 представлен типовой гидрограф пересыхающей реки - р. Токай (д. Ростоши). Ее водосбор, площадь которого составляет 620 км², расположен в северной части бассейна Дона между рр. Воронеж и Хопер. Она является притоком р. Савала, впадающей в р. Хопер в его среднем течении. Половодье на р. Токай начинается в конце марта, для подобных рек характерно резкое увеличение расхода воды на подъеме половодья и паводков и постепенный спад после достижения максимальных значений, бессточный период в среднем начинается в конце июля и длится 2-2,5 месяца. В холодное время года характерно наличие дождевых паводков и оттепелей.

В качестве основных характеристик бессточного периода рассматривается дата его начала и продолжительность. Однако, продолжительность данного явления зависит не только от факторов, обуславливающих его возникновение, но и от причин, определяющих его конец. В данном случае причинами, обусловливающие окончание бессточного периода может быть как половодье следующего года, так и случайным образом выпадающие в течение этого периода осадки. В результате этого происходит прерывание бессточного периода, иногда на короткое время, иногда на более длительный период, поэтому построение расчетных и прогнозных зависимостей значительно усложняется.

Возникает вопрос, в каком случае необходимо разделять бессточный период на два и более периодов при выпадении осадков и возникновении стока? Исходя из анализа имеющейся гидрологической информации по многим рекам бассейна Дона предлагается в качестве критерия прерывания бессточного периода взять временной интервал, равный 5…7 дням. При продолжительности стока «внутри» бессточного периода более 5…7 дней, он делился на два, при меньшей продолжительности паводок не учитывается (возникновением стока в данном случае считается превышение расхода, равным 1 л/с [1]).

В качестве предикторов для расчета и прогноза начала и продолжительности бессточных периодов были выбраны: дата начала многоводной, предшествующей бессточному периоду фазы (это может быть как половодье, так и дождевой паводок); объем стока за эту многоводную фазу; интенсивность спада после прохождения максимального расхода; количество осадков за период, предшествующий маловодному.

Рис. 4. Зависимость даты начала бессточного периода от даты начала многоводной фазы (А) для р. Тишанка - х. Кузнецов; связь продолжительности бессточного периода с суммой осадков за предшествующий период (Б): 1 - для весеннего половодья;

2 - для зимних паводков; 3 - для осенних паводков

Зависимости даты начала бессточного периода от даты начала предшествующего многоводного периода имеют общий характер для всех постов. Они представляют собой линейные связи с коэффициентами корреляции более 0,85 (рис. 4А): Разница во времени этих двух дат отражает реакцию бассейна на поступление воды, его интегральную водовмещающую способность, включающую в себя русловые запасы, поверхностные емкости, запасы воды в подземных горизонтах. Каждый бассейн может характеризоваться величиной «продолжительности фазы стока», которая будет зависеть от его морфометрических характеристик (площади водосбора и глубины вреза). Это подтверждают построенные зависимости средней продолжительности фазы стока от площади водосбора рек бассейна Дона.

Зависимости продолжительности бессточного периода от объема стока за многоводную фазу, интенсивности спада носят размытый характер, угадывается лишь вид обратной связи. В таком случае, представляется возможным построение верхних огибающих. Гораздо лучше выявляется зависимость между продолжительностью бессточного периода от суммы осадков за предшествующий период (рис. 4Б). На номограмме выделяются 3 ветви, соответствующие весеннему половодью, осенним паводкам и оттепелям.

Изменение климатических условий в бассейне Дона и его возможное влияние на явление отсутствия стока. Изменение климатических условий в бассейне Дона и его возможное влияние на явление отсутствия стока. Климатические изменения, происходящие в последние десятилетия в бассейне Дона, безусловно, влияют на особенности водного режима рек рассматриваемой территории, объем и высоту весеннего половодья, особенности летней и зимней межени и, как следствие, на характеристики бессточных периодов.

Для анализа изменения температуры воздуха и атмосферных осадков за холодный (XI-III месяцы) и теплый (IV-X месяцы) периоды года были использованы данные по 6 метеостанциям, относительно равномерно расположенным в бассейне р. Дон за 1928-2000 гг. с наиболее полными рядами наблюдений. Анализ временных рядов метеорологических характеристик был проведен для трех различных по длительности периодов: 1) с 1928 по 2000 г.; 2) с 1939 по 1969 г.; 3) с 1970 по 2000 г. Для всех периодов были рассчитаны средние значения, минимальные и максимальные значения, средние квадратические отклонения, непараметрические критерии тренда Спирмена в целях выяснения наличия у исследуемых рядов монотонного (возрастающего или убывающего) тренда. Для проверки статистической однородности исследуемых рядов с точки зрения их дисперсии, характеризующей амплитуду колебаний характеристик относительно их средних значений, использовался критерий Фишера. Критерий Стьюдента использовался для проверки гипотезы однородности средних значений.

Увеличение средних температур воздуха за холодный период отчетливо прослеживается на всех метеорологических станциях, расположенных в бассейне Дона. Средние температуры воздуха за теплый период также имеют тенденцию к увеличению, однако, она статистически незначима. Изменение сумм осадков за холодный и теплый период носит сходный характер с изменением средних температур воздуха. В холодное время года на некоторых метеостанциях происходит значительный рост осадков (16 мм/10 лет, м/с Ртищево; 14 мм/10 лет, м/с Целина) и зафиксирован статистически значимый возрастающий тренд; на других станциях (Котельниково, Дивное, Элиста) тенденция к увеличению проявляется менее заметно (всего в среднем 2…6 мм/ 10 лет). В теплый период года сумма осадков увеличилась незначительно, что и подтвердил статистический анализ временных рядов.

Средняя сумма осадков за холодный период с 1880 по 2000 г. увеличилась на 50 мм или на 35 %, а сумма положительных температур - на 150⁰, то есть возросла в 4 раза по сравнению с начальными величинами. Увеличение суммы осадков и еще более значительное увеличение суммы положительных температур зимой, определяющих возникновение оттепелей, приводит к значительному снижению числа пересыхающих рек. Если в 60-х годах прошлого столетия пересыхало порядка 60 % от всех рек, на которых за период гидрометрических наблюдений наблюдалось хоть раз явление отсутствия стока, то к началу 1990-х годов эта цифра сократилась до 20 % .

Происходят изменения и режима пересыхающих рек. Половодье смещается на более ранние сроки, а начало бессточного периода - на более поздние. Например, для р. Устиновка (п. Елань, 398 км²) начало половодья сместилось с конца марта на конец февраля, а начало бессточного периода - с конца мая на середину июня. Продолжительность бессточного периода для различных рек меняется по-разному: в большинстве случаев наблюдается тенденция к сокращению бессточного периода (для р. Устиновка - п. Елань она сократилась с 300 дней до 200 дней в году), однако существуют реки, для которых она носит и противоположный характер.

Изучение столь сложного процесса, как пересыхание рек, требует дальнейшего детального исследования условий формирования весеннего половодья рек бассейна Дона в новых климатических условиях.

Библиографический список

1. Владимиров А.В. Сток рек в маловодный период года. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 279 с.

2. Куделин Б.И., Коробейникова З.А., Лебедева Н.А. Естественные ресурсы подземных вод Центрально-Черно-земного района и методика их картирования. - М.: Изд-во МГУ, 1963. 147 с.

Размещено на Allbest.ru