CC BY
23
УДК 556.5(470)
М.Б. Киреева1, Н.Л. Фролова2
БЕССТОЧНЫЕ ПЕРИОДЫ НА РЕКАХ БАССЕЙНА ДОНА3
Для европейской территории РФ детально проанализировано пространственное распределение бессточных периодов: их продолжительность и частота, максимальная площадь водосборов, на которых может наблюдаться отсутствие стока при данном увлажнении территории. Выполнено районирование территории по некоторым показателям, характеризующим отсутствие стока. Для бассейна Дона предложен ряд эмпирических зависимостей характеристик бессточного периода от гидрометеорологических условий года. Статистический анализ рядов температуры воздуха и количества осадков за холодный (ноябрь—март) период года показал наличие в большинстве случаев статистически достоверных возрастающих трендов. Рассмотрена динамика отсутствия стока в условиях современных климатических изменений.
Ключевые слова: изменение климата, явление отсутствия стока, пересыхание рек, бессточный период, опасные гидрологические процессы.
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, при оценке гидроэкологической безопасности территории, взаимосвязи подземных и поверхностных вод.
Эпизодическое прекращение стока в русле реки — сложный и в целом малоизученный процесс. Разнообразные физико-географические условия, сочетание различных факторов обусловливают прекращение стока на разных реках и в разных регионах РФ. При изучении этого явления существенная проблема — недостоверность используемой информации, а также наличие неполных данных о стоке малых рек.
На прекращение стока рек значительно влияет хозяйственная деятельность, очень часто для малых рек достоверная информация о ней отсутствует, поэтому ее влияние трудно оценить. При этом данные о наличии или отсутствии прекращения стока имеют большое значение для водопользователей. Повторяемость и продолжительность этого явления ограничивают водопотребление и соответственно определяют возможность использования водных ресурсов. Особенно актуальна эта проблема в регионах с дефицитом воды и большими потребностями в ней (сельскохозяйственные районы бассейнов Дона, Терека, Кубани, Нижней Волги).
Постановка проблемы. Прекращение стока в русле реки — наиболее экстремальное проявление ее малой водности. Оно возникает при определенных сочетаниях гидрометеорологических условий. Пересыхание и перемерзание, представляя визуально одно явление, т.е. прекращение стока, существенно генетически различаются. 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 поч-вогрунтов или образования наледи. В соответствии с этим для возобновления стока в теплый сезон необходимо выпадение стокообразующих осадков, а в холодный сезон достаточно повышения температуры до положительных значений [1]. На реках Российской Федерации прекращение стока происходит во время зимней и летне-осенней межени, причем оно может наблюдаться как ежегодно, так и эпизодически.
К основным факторами, определяющим отсутствие стока, относятся: площадь бассейна, его физико-географическое положение и гидрогеологические условия; общий запас воды в бассейне в период, предшествующий половодью, и объем весеннего половодья; метеорологическая обстановка в весенне-летний период, характеризующая текущее увлажнение бассейна реки [3]. Цель нашей работы — изучение пространственного распределения характеристик бессточного периода на европейской территории России (ЕТР) в целом и исследование роли отдельных гидрометеорологических факторов в формировании явления отсутствия стока для бассейна Дона. Оценка влияния антропогенных факторов на указанные гидрологические процессы требует специального исследования и в статье не рассматривается.
Материалы и методы. Явление отсутствия стока исследовано на основе многолетних статистических данных Государственного водного кадастра и «Ресурсов поверхностных вод» [2] по 265 гидрологическим постам, расположенным на территории ЕТР. Детальнее рассмотрен бассейн р. Дон, находящийся в зоне недостаточного увлажнения, на реках этого бассейна это явление широко распространено. Площади водосборов более чем 100 пересыхающих рек бассейна
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, аспирантка, e-mail: kireeva_mb@mail.ru
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, доц., канд. геогр. н., e-mail: frolova_nl@mail.ru
3 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 10-05-00252; 09-05-00339; 09-05-92001-ННС), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт № 02.740.11.0336 и проект № П164).
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
Дона, данные о которых использованы в работе, колеблются от 10 (р. Чибрик, с. Рождественское) до 19 000 км2 (р. Сал у с. Мартыновка).
Использованная для анализа метеорологическая информация включала ежедневные данные о средней суточной температуре воздуха и количестве атмосферных осадков по 130 метеостанциям, расположенным в бассейне Дона и на прилегающих территориях.
Статистическая обработка проводилась с помощью стандартных пакетов Statistica и Excel, а пространственный анализ характеристик бессточного периода — с помощью пакета ArcViewGis 3.2.
Пространственный анализ явления отсутствия стока на европейской территории РФ. Для анализа выбраны следующие показатели: площадь водосбора рек, на которых наблюдается бессточный период; частота явления (в % от числа лет и дней наблюдений); продолжительность бессточного периода, осредненная за многолетний период.
Распределение на территории ЕТР всех характеристик явления отсутствия стока на фоне общей географической зональности носит очень пестрый характер. По мере продвижения на юг—юго-восток и усиления континентальности климата бессточные периоды наблюдаются на реках со все большей площадью бассейна. На водотоках с малой площадью водосбора этот процесс начинает приобретать ежегодный характер, увеличиваются его частота и продолжительность. На общем фоне изменения указанных характеристик, отражающих зональность, существуют водотоки, которые не подчиняются этим общим закономерностям. Именно эти объекты, имеющие индивидуальный режим и динамику водности, создают пеструю картину, затрудняющую пространственный анализ явления отсутствия стока.
Наибольшие значения продолжительности 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 (пос. Малый Узень, 3930 км2) и 248 (пос. Новоузенск, 7480 км2) дней соответственно, р. Камелик (пос. Новоспасское, 8900 км2) — 207 дней, р. Алтата (пос. Алтата, 3630 км2) — 262 дня, р. Таловая (пос. Юлдашбаево, 1550 км2) — 296 дней и т.д.
Продолжительность отсутствия стока связана с его частотой (рис. 2). Например, для р. Сал (пос. Никольский, 5610 км2) средняя продолжительность бессточного периода составляет 150 дней, а частота явления составляет 32% (повторяемость 1 раз в 3 года), для р. Джалга (пос. Соленое, 646 км2) средняя продолжительность равна 68 дней, а частота — 9% (повторяемость 1 раз в 11 лет), для р. Малая Вязовка (пос. Мокша, 82 км2) — 314 дней и 77% соответ-
Продолжительность 1
Рис. 2. Связь продолжительности и частоты пересыхания рек ЕТР
ственно (бессточный период отсутствует лишь 1 раз за 4 года).
Отметим три области: 1) область, где рассматриваемого явления нет (севернее линии вершина Финского залива — северная оконечность Рыбинского водохранилища — далее вдоль Волги до устья р. Ветлуги — затем субширотно до верховьев р. Чусо-вой); 2) с эпизодическим прекращением стока и 3) с постоянным прекращением стока части малых рек и эпизодическим пересыханием некоторых средних рек (замкнутый регион, который с севера ограничен линией, проведенной от верхнего течения Западной Двины до верховьев р. Медведицы, далее на север к месту слияния Волги и Камы, затем по течению р. Урал, а с юга ограничен предгорьями Кавказа). Систематическое отсутствие стока на части рек в период низкого стока наблюдается только в зоне недостаточного увлажнения.
Для определения продолжительности отсутствия стока на ежегодно пересыхающих реках можно использовать зависимости продолжительности отсутствия стока от площади бассейна реки, построенные для районов со сходными условиями истощения стока. Такие зависимости построены для наиболее засушливой области — Кумо-Манычской впадины и северного побережья Каспия, а также для территории степной и лесостепной зон ЕТР (таблица).
Зависимость средней продолжительности бессточного периода (Т, сут.) от площади водосбора (Б, км2)
Регион Уравнение связи* Число точек, на основании которых получено уравнение связи Значение коэффициента корреляции
Кумо-Маныч-ская впадина и северное побережье Каспия T = -0,01F + 292,6 17 0,94
Степная и лесостепная зоны ЕТР T = -0,03F + 240,6 23 0,82
* T — средняя продолжительность бессточного периода, сут.; F — площадь водосбора, км2.
Рис. 3. Схема бассейна р. Дон
Приведенные закономерности отражают средние значения характеристик бессточных периодов, в маловодные годы рассматриваемые величины площади водосбора и продолжительность бессточных периодов могут существенно увеличиваться.
Анализ зависимости характеристик бессточных периодов от морфометрических и гидрометеорологических показателей (на примере рек бассейна Дона). Для бассейна р. Дон (рис. 3) типичны пересыхание и перемерзание рек. На рис. 4 представлен типовой гидрограф пересыхающей р. Токай (д. Ростоши). Ее водосбор, площадь которого составляет 620 км2, расположен в северной части бассейна Дона между рр. Воронеж и Хопер, Токай является притоком р. Савал, впадающей в Хопер в его среднем течении. Половодье на р. Токай начинается в конце марта. Для малых рек характерно резкое увеличение расхода воды сразу после перехода температуры воздуха к положительным значениям, а также постепенный спад воды после достижения максимальных значений, бессточ-
ный период в среднем начинается в конце июля и длится 2—2,5 месяца. В холодное время года отмечены дождевые паводки и оттепели.
В качестве основных характеристик бессточного периода рассматриваются дата его начала и продолжительность. Однако продолжительность явления зависит не только от факторов, обусловливающих его возникновение, но и от причин, определяющих его конец. В данном случае причинами, от которых зависит окончание бессточного периода, могут быть как половодье следующего года, так и случайным образом выпадающие в течение этого периода осадки. В результате бессточный период прерывается 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 периода и более при выпадении осадков и возникновении стока? Исходя из анализа гидрологической информации по многим рекам бассейна Дона, предлагаем в качестве критерия прерывания бессточного периода временной интервал, равный 5—7 дням. При продолжительности стока «внутри» бессточного периода более 5—7 дней его делили на два, при меньшей продолжительности паводок не учитывали (возникновением стока в данном случае считается превышение расхода, равного 1 л/с [1]).
В качестве предикторов для расчета и прогноза начала и продолжительности бессточных периодов выбраны: дата начала многоводной фазы, предшествующей бессточному периоду (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.
Зависимость даты начала бессточного периода от даты начала предшествующего многоводного периода имеет общий характер для всех постов. Она представляет собой линейную связь со значениями коэффициента корреляции более 0,85 (рис. 5, А). Разница между этими двумя датами отражает реакцию бассейна на поступление воды, его интегральную водовмещаю-щую способность, включающую русловые запасы, поверхностные емкости, запасы воды в подземных горизонтах. Каждый бассейн может характеризоваться
величиной, 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.
Зависимость продолжительности бессточного периода от объема стока за многоводную фазу и интенсивности спада носит размытый характер, угадывается лишь вид обратной связи. В таком случае представляется возможным построить верхние огибающие. Гораздо лучше выявляется зависимость между продолжительностью бессточного периода и суммой количества осадков за предшествующий период (рис. 5, Б). На номограмме выделяются 3 ветви, соответствующие весеннему половодью, осенним паводкам и оттепелям.
Изменение климатических условий в бассейне Дона и его возможное влияние на отсутствие стока. Климатические изменения, происходящие в последние десятилетия в бассейне Дона, безусловно, влияют на особенности водного режима рек на 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 количества атмосферных осадков за холодный (ноябрь—март) и теплый (апрель—октябрь) периоды года использованы данные по 6 метеостанциям, относительно равномерно расположенным в бассейне Дона за 1928—2000 гг. с наиболее полными рядами наблюдений. Анализ временных рядов метеорологических характеристик 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 рассчитаны средние значения, минимальные и максимальные значения, средние квадратические отклонения, непараметрические критерии тренда Спирмена для 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, использовали критерий Фишера, а критерий Стьюдента — для проверки гипотезы однородности средних значений [5].
Увеличение средних значений температуры воздуха за холодный период отчетливо прослеживается на всех метеорологических станциях, расположенных в бассейне Дона. Статистически значимый возрастающий тренд выявлен для станций Ртищево, Богучар, Котельниково и Элиста со значениями коэффициента линейного тренда, равными 0,4, 0,3,
г, °С; Р, мм/сут
,3 -
11 л А1 * V -
-ЫЫ= и ^к 1 1 -
яу
№ ( и! у -
и 1 г'
X V. , , и . V , ,
60 50 40 30 20
10
-10 -20 -30
.58
30.07.58
08.10.58
17.12.58
25.02.59
06.05.59
15.07.59
-40
23.09.59
02.12.59
Рис. 4. Изменение расхода воды (Q, м3/с), (1), количества осадков (Р, мм/сут) (2) и температуры воздуха (¿, °С) (3) для р. Токай (д. Ростоши) = 620 км2) за 1958—1959 гг.
Рис. 5. Зависимость даты начала бессточного периода от даты начала многоводной фазы (А) для р. Тишанка — хут. Кузнецов; связь продолжительности бессточного периода с суммой количества осадков за предшествующий период (Б): 1 — для весеннего половодья, 2 — для зимних паводков, 3 — для осенних паводков
0,42, 0,4 °С/10 лет соответственно. Средние значения температуры воздуха за теплый период также имеют тенденцию к увеличению, однако она статистически незначима, а сама величина тренда колеблется в пределах (0,04-0,12) °С/10 лет.
Изменение суммы осадков за холодный и теплый периоды сходно с таковым для значений средней температуры воздуха. В холодное время года на некоторых метеостанциях происходит значительное
Рис. 6. Изменение суммы количества осадков (1) и положительных значений температуры воздуха за холодный период (ноябрь—март) (2) в среднем для бассейна Дона за период 1881—2000 гг. (А); изменение числа пересыхающих рек (% от всех рек бассейна Дона с явлением отсутствия стока) (Б) (штриховая линия —
линейный тренд)
увеличение количества осадков (16 мм/10 лет, м/с Ртищево; 14 мм/10 лет, м/с Целина), здесь зафиксирован и 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 количества осадков увеличилась незначительно, что и подтвердил статистический анализ временных рядов. Только для м/с Целина и для холодного и для теплого периода года наблюдается статистически значимое увеличение соответствующих сумм.
Для оценки статистической однородности исследуемых рядов их разделили на две части: 1939—1969 и 1970—2000 гг. Проверку равенства средних значений проводили по критерию Стьюдента, дисперсий — по критерию Фишера. Статистически значимое увеличение средних значений зафиксировано для рядов средней температуры воздуха за холодный период (м/с Ртищево, Богучар, Элиста); так, разница в средних значениях составила 1,1—1,5 °С, за теплый период эти изменения не являются статистически значимыми, а разность значений температуры воздуха в сторону их увеличения составляет около 0,3—0,5 °С.
Определенные выводы об изменении дисперсии, характеризующей амплитуду колебаний метеорологических элементов относительно их средних значений, сделать нельзя. Исследование по критерию Фишера зафиксировало достоверное снижение дисперсии по одному случаю для рядов температуры воздуха за холодный и теплый периоды и его достоверное увеличение (м/с Ртищево) в одном случае для теплого периода. Значения коэффициента линейного тренда средней температуры воздуха за холодный и теплый периоды за рассматриваемый интервал времени (1970—2000 гг.) составляют (0,2-0,3) °С/10 лет.
Такая же ситуация характерна и для рядов сумм количества осадков за холодный и теплый периоды. Их достоверное увеличение для двух рассматриваемых интервалов времени (1939-1969 и 1970-2000 гг.) зафиксировано для двух метеостанций из шести в случае холодного периода и для трех метеостанций для теплого периода. В первом случае это увеличение составляет около 10-20%, во втором — от 10 до 30%. Достоверное изменение дисперсии рассматриваемых рядов зафиксировано лишь для метеостанций Дивное (для суммы количества осадков за холодный период) и Целина (для суммы количества осадков за теплый период). Колебания сумм количества осадков за холодный период года и сумм положительных значений температуры воздуха за этот же период, осредненных по всему бассейну Дона, приведены на рис. 6, А.
Средняя сумма количества осадков за холодный период с 1880 по 2000 г. увеличилась на 50 мм (или на 35%), а сумма положительных значений температуры — на 150°, т.е. возросла в 4 раза по сравнению с начальными величинами. Увеличение суммы количества осадков и еще более значительное увеличение суммы положительных значений температуры зимой, определяющих возникновение оттепелей, приводит к значительному снижению числа пересыхающих рек. Если в 60-х гг. прошлого столетия пересыхало около 60% рек, на которых за период гидрометрических наблюдений хоть один раз установлено отсутствие стока, то к началу 90-х гг. эта цифра сократилась до 20% (рис. 6, Б).
В настоящее время изменение водного режима в бассейне Дона носит сложный характер. Для большинства рек, как и для самого Дона, наблюдается незначительное уменьшение среднегодового стока и увеличение меженного стока. Так, анализ рядов годового стока р. Дон за 1881-2005 гг. показал наличие незначительной тенденции к уменьшению
стока, статистически достоверной лишь для нижних створов (р. Дон — Калач и р. Дон — Цимлянский гидроузел). За период 1970—2005 гг. она еще менее выражена. Основная особенность современных изменений стока р. Дон — увеличение меженного стока в последние десятилетия [2, 4]. Для всех створов выявлены статистически значимые возрастающие тренды. Водность реки в период межени в 1970—2005 гг. была на 25—30% больше, чем за предшествующий многолетний период. Происходит изменение и режима пересыхающих рек. Половодье смещается на более ранние сроки, а начало бессточного периода — на более поздние. Например, для р. Установка (пос. 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 изменяется по-разному: в большинстве случаев наблюдается тенденция к сокращению бессточного периода, например, для р. Установка (пос. Елань) она сократилась с 300 до 200 дней в году, однако существуют реки, для которых она носит и противоположный характер.
Заключение. Для европейской территории РФ выполнен детальный анализ пространственного распределения характеристик явления отсутствия стока: его продолжительности и частоты, максимальной площади водосборов, на которых может наблюдаться отсутствие стока при данном увлажнении территории. Предложено районирование по некоторым показателям, характеризующим отсутствие стока. Результатом анализа стало построение карт распределения указанных характеристик для европейской территории РФ, которые можно использовать для выявления вероятного отсутствия стока на неизученной реке и для приближенной оценки характеристик ее бессточного периода. Построены зависимости продолжительности бессточного периода от площади водосбора и выявлены районы, в пределах которых их можно использовать.
Для бассейна Дона предложен ряд эмпирических зависимостей характеристик бессточного периода от гидрометеорологических условий года. Наибольшие
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Владимиров А.В. Сток рек в маловодный период года. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 279 с.
2. Водные ресурсы России и их использование / Под ред. И.А. Шикломанова. СПб.: ГГИ, 2008. 600 с.
3. Куделин Б.И., Коробейникова З.А., Лебедева Н.А. Естественные ресурсы подземных вод Центральночерноземного района и методика их картирования. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1963. 147 с.
значения коэффициента корреляции (более 0,8) характеризуют зависимости даты начала бессточного периода от временных характеристик многоводной фазы. Для оценки продолжительности бессточного периода можно использовать зависимости от суммы количества осадков за предшествующий многоводный период.
Статистический анализ рядов значений температуры воздуха и количества осадков за холодный (ноябрь—март) период года показал в большинстве случаев статистически достоверные возрастающие тренды со значениями коэффициента линейного тренда, составляющими (0,3-0,4) °С/10 лет и 14-16 мм/10 лет. Средние значения температуры воздуха и количества осадков за теплый период (апрель—октябрь) также имеют тенденцию к увеличению, однако оно, как правило, статистически незначимо, а сами величины трендов колеблются в пределах (0,04-0,12) °С/10 лет и 4-10 мм/10 лет. В среднем для всего бассейна Дона выявлено значительное увеличение как суммы положительных значений температуры воздуха, так и количества осадков за холодный период. Эти климатические изменения неизбежно отразились на процессах пересыхания и перемерзания: процент пересохших в конкретном году рек от общего числа возможно пересыхающих рек уменьшился с 60 (60-е гг. XX в.) до 20% (90-е гг. XX в.). Из-за увеличения числа оттепелей и суммы количества осадков за холодный период на большинстве пересыхающих рек наблюдается увеличение объема половодья и сокращение продолжительности бессточных периодов. Происходит смещение начала половодья на более ранний срок, а начала бессточного периода — на более поздний, таким образом, наблюдается увеличение продолжительности фазы стока.
Изучение столь сложного процесса, как пересыхание рек, требует дальнейшего детального исследования условий формирования весеннего половодья рек бассейна Дона в новых климатических условиях. Отдельно необходимо рассмотреть и возможное влияние различных антропогенных факторов на эти процессы.
4. Лурье П.М., Панов В.Д. Влияние изменений климата на гидрологический режим р. Дон в начале XXI столетия // Метеорология и гидрология. 1999. № 4. С. 90-100.
5. Христофоров А.В. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. 131 с.
Поступила в редакцию 15.10.2009
M.B. Kireeva, N.L. Frolova
SPECIFIC FEATURES OF THE ANNUAL FLOW DISTRIBUTION IN THE DON RIVER BASIN
Spatial distribution of features characteristic of no-flow periods (duration, frequency, maximum area of basins without flow under a given precipitation) has been analyzed in detail for the European part of Russia. The territory was subdivided into regions according to several parameters describing the no-flow phenomenon. A number of empirical relationships between the no-flow phenomenon and hydrometeorological conditions of particular year were suggested for the Don River basin. Air temperature and precipitation series for the cold season (November—March) were analyzed resulting in most cases in statistically reliable rising trend. The dynamics of no-flow phenomenon under present-day climate changes is discussed.
Key words: climate change, no-flow phenomenon, intermittent rivers, no-flow period, hazardous hydrological processes.
