CC BY
81
УДК 565.5 (470.6)
ББК 26.222.5 (235.7)
М 48
Мельникова Т.Н.
Кандидат географических наук, доцент кафедры географии факультета естествознания Адыгейского государственного университета, профессор РАЕ, Майкоп, тел. (8772) 59-39-36, e-mail: melnikova-agu@mail. ru
Географические условия формирования пространственно-временной изменчивости минимального стока рек Северо-Западного Кавказа
(Рецензирована)
Аннотация
Выполнено обобщение результатов исследований минимального стока, раскрыты условия его формирования в пределах Северо-Западного Кавказа, отражена его пространственно-временная измен, -ты их водосборов, выполнено районирование территории по условиям формирования минимального стока рек региона. Проведенные исследования расширяют теоретические и прикладные аспекты региональных гидрологических исследований.
Ключевые слова: Северо-Западный Кавказ, бассейн реки Кубани, пространственно-временная изменчивость минимального стока, гидрологические районы.
Melnikova T.N.
Candidate of Geography, Associate Professor of Geography Department of Natural Science Faculty, Adyghe State University, Professor of the Russian Academy of Natural Sciences, Maikop, ph. (8772) 5939-36, e-mail: [email protected]
Geographical conditions of formation of spatial temporal variability in the minimum river flow in the Northwest Caucasus
Abstract
The paper generalizes the results of researches of the minimum river flow and discloses the conditions of its formation within the Northwest Caucasus. The author determines its spatial temporal variability, as well as dependences of the minimum river flow and variation coefficients upon the average altitude of the water reservoirs. The division into districts is made under the terms of formation of the minimum river flow in the region. The conducted researches expand theoretical and applied aspects of regional hydrological researches.
Keywords: the Northwest Caucasus, a basin of the Kuban river, spatial temporal variability of the minimum flow, hydrological areas.
Минимальный сток является одной из важных характеристик водного режима рек, т.к. он лимитирует возможности использования поверхностных вод в практических целях. Бассейн р. Кубань, как и бассейны рек юго-западного склона Кавказа, характеризуются достаточно разнообразными условиями формирования минимального стока, который может наблюдаться в связи с этим в разные сезоны года.
Главным фактором формирования минимального стока является климат, особенности которого в разных частях территории и высотных зонах определяют тип питания реки, величину стока рек и характер его распределения внутри года. При этом важными климатическими факторами являются температура воздуха, количество и режим выпадения атмосферных осадков. В связи с этим бассейн р. Кубань можно разделить по вертикали на 2 зоны по высоте примерно в 1200 м.
Реки со средними высотами водосбора более 1200 м в верхней части бассейна р. Кубань к востоку от р. Белая характеризуются наиболее низким стоком зимой вследствие длительного стояния отрицательных температур в этот сезон, и питание рек проис-
ходит почти полностью за счет запасов подземных вод. Реки с более низкими водосборами в этой части бассейна Кубани, а также всей его части к западу от р. Белая характеризуются уже наиболее низким стоком в летне-осенний период, т.к. для более мягкой зимы здесь характерны оттепели и дожди, а летом и осенью бывают засушливые периоды. Следовательно, генетически разнородные минимумы стока рек бассейна Кубани требуют и раздельного анализа.
Для рек Черноморского побережья Кавказа в пределах Северо-Западного Кавказа наиболее маловодная фаза характерна также для летне-осеннего периода. И лишь в более высоко поднятом верховье р. Мзымта (средняя высота водосбора - 1670 м) - зимний сток немного ниже летне-осеннего. На ряде малых рек с площадью водосбора до 150-160 км в наиболее засушливую часть летне-осеннего периода сток прекращается полностью. Практически ежегодно это наблюдается на реках Чибий, Гоноубат, Супс. В отдельные годы пересыхание отмечено на реках Иль, Сухой Хабль, Ахтырь, Абин, Адагум, Гечепсин, Гастогай и Туапсе (площадь бассейнов - до 430 км2).
Анализ исходной информации и принципы выбора расчетных параметров
Одной из особенностей анализа минимального стока рек является использование нескольких периодов осреднения его значений. В качестве абсолютного минимума принимается наименьший среднесуточный расход, однако, в силу больших погрешностей его оценки в расчетах используются средние значения расхода воды за 10 или 30 маловодных дней. В данном случае по большинству рек принят средний расход за 10 дней, а для рек с устойчивой, достаточно длительной меженью - за 30 дней.
В практике расчетов минимального стока неизученных горных рек применена традиционная (классическая) схема его оценки через норму стока q и коэффициент вариации CV. При такой схеме главный параметр стока q может быть оценен и по коротким рядам наблюдений, недостаточным для оценки CV, что расширяет объем используемой информации. Такой методический подход принят и в настоящей работе. При этом для оценки параметров q и CV исследуется их связь со средней высотой речных бассейнов.
Отдельно исследованы для всей территории как зимние, так и летне-осенние минимумы стока, в данном случае сконцентрировано внимание лишь на минимальных значениях стока с анализом различных условий его формирования. Для решения этой задачи использованы сведения по 81 гидрологическому посту, значения нормы стока по которым оценены по рядам наблюдений разной продолжительности: 26 рядов длительностью более 30 лет; 23 - от 20 до 29 лет; 26 - от 10 до 19 лет и 6 рядов с рядом наблюдений 5-9 лет. Коэффициенты вариации оценены для 67 постов по рядам длительностью более 10 лет.
Анализ указанных сведений позволяет получить представление как о величинах нормы и многолетней изменчивости минимального стока рек, так и об особенностях их пространственной изменчивости. В это же время необходимо подчеркнуть, что погрешность в оценке минимального стока обычно больше, чем при определении годового стока.
Прежде всего необходимо отметить, что значения нормы минимального стока [1, 2] приняты как средние арифметические величины. Приведение рядов к многолетнему периоду не производилось вследствие отсутствия надежных аналогов, что связано с перерывами в наблюдениях, а также с разными сроками наступления маловодных периодов. Статистическая оценка показывает, что при длине ряда 10-30 лет и коэффициенте вариации менее 0,5 ошибка вычисления средней величины этого ряда не выходит за пределы 10-20%. Следовательно, проводя исследования минимального стока, необхо-
димо учитывать не только возможные погрешности его измерения, но и указанные погрешности оценки его средних значений [3, 4].
Пространственно-временная изменчивость минимального стока
Модули средних значений минимального стока в бассейне р. Кубань и на реках Черноморского побережья изменяются в больших пределах. Главным фактором, определяющим их значение, является степень увлажнения речных бассейнов. В соответствии с этим наблюдаются две главные тенденции: 1) увеличение минимального стока с высотой местности под влиянием вертикальной поясности климата, что можно видеть при сравнении модулей этого стока по нескольким постам, расположенным на одной реке; 2) снижение минимального стока в бассейне р. Кубань при движении на восток, к ее верховьям, под воздействием увеличения континентальности климата, о чем можно судить по сравнению модулей стока рек с близкими значениями средней высоты водосбора. Таким образом, наблюдаются те же основные закономерности пространственного распределения минимального стока, как и при распределении других характеристик стока [5].
Абсолютные значения модулей минимального стока изменяются в пределах исследуемой территории. В верхней зоне гор, где минимальными являются зимние минимумы, их значения в бассейне р. Кубань изменяются от 1,5-2,0 до 15 л/с-км . Что касается летне-осенних минимумов, то они в этом бассейне возрастают от нуля на пересыхающих реках предгорий до 8-9 л/с-км2 в среднегорье. Значительно больших пределов летне-осенние минимумы достигают на реках Черноморского побережья, где средние значения модулей минимального летне-осеннего стока возрастают от 0,7-0,8 л/с-км на высотах около 200 м до 18-20 л/с-км на высотах 1400-1700 м (в верховье р. Мзымта). Приведенные данные относятся к рекам с водосборной площадью более 150-200 км2. С меньших водосборов из-за влияния местных гидрогеологических условий сток может быть ниже зонального, а в некоторых случаях и выше его.
Анализ коэффициентов вариации минимального стока показывает, что пространственная изменчивость этих коэффициентов подчиняется той же природной закономерности, какую наблюдаем у годового стока [5, 6]. Эта закономерность проявляется в снижении значений CV по мере увеличения средней высоты водосбора.
Сравнения коэффициентов вариации CV минимального и годового стока показывают, что как зимний, так и летне-осенний минимумы стока рек изменяются в большей степени. Значения С в верховьях бассейна р. Кубань изменяются в пределах 0,100,16, а CV - в пределах 0,19-031. Такая же картина наблюдается по р. Белая (0,16-0,19
^тп
и 0,25-0,39) и другим рекам, в том числе и на Черноморском побережье (0,17-0,38 и
0,30-0,48), что связано с большой многолетней изменчивостью основных факторов минимального стока - атмосферных осадков и температуры воздуха.
Расчетные характеристики минимального стока
Расчетные характеристики минимального стока для его оценки по неизученным рекам целесообразно определять путем выявления локальных эмпирических связей вида Я шп =/ (н„), где Иср - средняя высота бассейна (рис. 1).
В восточной части бассейна р. Кубань, начиная от р. Лаба, выявлено две таких зависимости. Первая (рис. 1 а) относится к самой восточной и наиболее возвышенной части бассейна Кубани (рис. 2), а также к бассейну ее притока - р. Малый Зеленчук (район 1), а вторая (рис. 1б) - к гидрологическому району 2.
Рис. 1. Связи средних модулей минимального зимнего стока рек со средней высотой их водосборов: 1, 2 - гидрологические районы
. 2.
: 1-5 -
В гидрологическом районе 1 связь модулей минимального стока с высотой характеризуется слабой теснотой. Причин может быть несколько. Одна из них - общая увлажненность, которая приводит к увеличению запасов подземных вод и возрастанию минимального стока с высотой. Однако в обратном направлении воздействует второй фактор - температура воздуха. По мере возрастания высоты сокращается теплый период, когда происходит пополнение запасов подземных вод, и увеличивается продолжительность периода уменьшения этих запасов, поэтому по мере продвижения к верховьям горных рек модули минимального стока могут снижаться.
Второй район, где минимальным является зимний сток, охватывает территорию от бассейна р. Большой Зеленчук до бассейна р. Лабы, исключая р. Фарс (рис. 2). В этом, более пониженном районе, отрицательное воздействие температуры воздуха сказывается в меньшей степени, поэтому более отчетливо проявляется влияние средней высоты водосбора.
В то же время необходимо отметить возможное влияние на характер приведенных связей и других факторов. Прежде всего, это повышенная вероятность наличия погрешностей в оценке нормы минимального стока. Не могло не сказаться также очень большое разнообразие в этих районах орографических и геологических условий отдельных речных бассейнов, в том числе и распространение карстующихся пород.
Далее к западу в левобережной части бассейна Кубани наименьшие значения стока характерны для летнего периода. Достаточно четкая зависимость модулей минимального стока с высотой намечается здесь для гидрологического района 3, охватывающего бассейны рек Фарс, Белая, Пшиш (рис. 2). От общей зависимости (рис. 3а) существенно отклоняются более низкие значения стока ряда малых рек с площадью водосбора до 260 км (Желобная, Сахрай и верховья р. Курджипс), а также реки Киша
22 (498 км ) и Дах (Г = 402 км ). Территориально эти реки не объединяются. Возможно,
что меньшие площади водосбора и эрозионный врез русел этих рек не позволяют им
полностью дренировать запасы подземных вод.
Минимальный сток в пределах гидрологического района 4 представлен данными, в большинстве случаев относящихся к малым водосборам. Значения площадей водосбора 13 рек 4-го района находятся в пределах 37-765 км2. Три реки этого района (Чи-бий, Гоноубат и Супс) полностью летом пересыхают. Представленная на рисунке 3б зависимость, позволяет судить о достаточно отчетливом возрастании средних модулей минимального стока рек с высотой их водосборов. Исключение составляет лишь р. Ах-тырь с более высоким значением стока. В целом здесь модули минимального стока с низко расположенных бассейнов очень невелики.
Подтверждается возрастание модулей минимального стока с высотой и данными по рекам Черноморского побережья Кавказа (рис. 3в) - 5-ый гидрологический район.
Данные по малым водосборам рек Гечепсин, Дюрсо и Куапсе (Г = 15-52 км ) больше отклоняются от наметившейся связи, но наличие ее не вызывает сомнений.
При наличии тенденции увеличения модулей минимального стока рек исследуемой территории, по мере возрастания средней высоты их водосборов, естественно было ожидать снижения в этом же направлении коэффициентов вариации этого стока. Имеющиеся сведения о значении коэффициента вариации CV по 33 постам с зимними минимумами стока и 34 - с летне-осенними подтвердили это положение. Тенденция снижения величины CV с увеличением высоты Иср достаточно четко проявляется в пределах высот 300-3000 м.
Для рек самой нижней зоны (Иср < 300 м) вариация их минимального стока значительно выше, а четкой связи величины CV с высотой или площадью водосбора не проявляется, т.к. это малые реки с весьма низким летне-осенним стоком или с полным его прекращением в засушливый период. Поэтому расчетный минимальный сток по этим рекам обеспеченностью 95-97% будет равным или очень близким к нулю.
Выводы
1. Главными факторами формирования минимального стока рек исследуемой территории являются степень увлажненности их бассейнов, а также режим колебания температуры воздуха. В соответствии с этим выделяются два региона, в пределах которых минимум стока наблюдается в разные сезоны.
- 80 -
. 3. - :
3, 4, 5 - гидрологические районы
!88М 2074-1065 Рецензируемый, реферируемый научный журнал «Вестник ЛГУ». Выпуск 4 (125) 2013
В восточной, более высоко поднятой, части бассейна р. Кубань, начиная от р. Лаба, уменьшение запасов подземных вод, дренируемых реками, происходит в конце зимнего сезона. В бассейнах всех других рек с более мягкой с дождями зимой такой период наблюдается в засушливый период летне-осеннего сезона. Малые реки Заку-банской равнины могут в это время полностью пересыхать. Наряду с климатическими факторами на формирование минимального стока в большей степени оказывают влияние бассейновые факторы, определяющие разную степень естественной зарегулиро-ванности стока.
2. Сочетание всего комплекса природных факторов приводит к большой территориальной изменчивости величин минимального стока. Средние многолетние модули этого стока в зимний сезон изменяются в пределах 1-8 л/с-км , а в летне-осенний - от нуля на пересыхающих реках до 20 л/с-км и более на реках Черноморского побережья Кавказа.
3. Выполненные автором исследования полностью подтвердили, что наиболее полно учет влияния климатических факторов на минимальный сток может быть достигнут при выявлении локальных зависимостей этого стока от высоты местности. Главным фактором, который обусловливает различие этих зависимостей, является, в пределах бассейна Кубани, долготная зональность климата, проявляющаяся в интенсивном уменьшении увлажнения территории с запада на восток от акваторий Черного и Азовского морей.
4. Для анализа пространственной изменчивости минимального стока целесообразнее использовать его средние многолетние значения и отдельно анализировать закономерности изменения по территории коэффициентов вариации этого стока. Это позволит применить классический прием оценки минимального стока неизученных рек с более дифференцированным учетом природных особенностей их бассейнов.
5. Анализ локальных связей минимального стока рек со средней высотой их водосборов показал, что общей тенденции увеличения этого стока с высотой соответствуют и данные по многим малым рекам. Отклонения в сторону снижения стока могут наблюдаться лишь на водосборах площадью менее 200-300 км .
6. Предложенные эмпирические зависимости, подлежащие дальнейшей детализации, могут использоваться для начальной стадии проектирования водохозяйственных мероприятий.
Примечания:
1. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 9. Закавказье и Дагестан. Вып. 1. Западное Закавказье. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 313 с.
2. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 8. Северный Кавказ. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 447 с.
3. Владимиров АЖ. Минимальный сток рек СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 214 с.
4. Владимиров АЖ. Сток рек в маловодный период года. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 295 с.
5. Мельникова Т.Н., Комлев АЖ. Водоносность рек Северо-Западного Кавказа. Майкоп: Качество, 2003. 132 с.
6. Комлев АЖ., Мельникова Т.Н. Водный режим
- . формирования и методы расчета. Пермь: ПГУ, 2008. 112 с.
References:
1. Resources of the USSR surface waters. V. 9. Transcaucasia and Dagestan. Iss. 1. Western Transcaucasia. L.: Gidrometeoizdat, 1969. 313 pp.
2. Resources of the USSR surface waters. Vol. 8. The North Caucasus. L.: Gidrometeoizdat, 1973. 447 pp.
3. Vladimirov A.M. The minimum flow of the USSR rivers. L.: Gidrometeoizdat, 1970. 214 pp.
4. Vladimirov A.M. The flow of the rivers during the water-short period of the year. L.: Gidrometeoizdat, 1976. 295 pp.
5. Melnikova T.N., Komlev A.M. The water content of the rivers of the Northwest Caucasus. Maikop: Kachestvo, 2003. 132 pp.
6. Komlev A.M., Melnikova T.N. Water regime of the rivers of the Northwest Caucasus. The mechanism of formation and calculation methods. Perm: PGU, 2008. 112 pp.
