CC BY
38ИЗМЕНЕНИЕ ВОДНОСТИ РЕКИ ВОЛГИ ЗА ПОСЛЕДНИЕ ШЕСТЬДЕСЯТ ЛЕТ Селезнев Владимир Анатольевич
Доктор технических наук, кандидат географических наук, профессор, главный научный сотрудник, Самарский федеральный исследовательский центр Российской академии наук, Институт экологии Волжского бассейна РАН
Аннотация. Для количественной оценки многолетних и сезонных изменений водного стока реки Волги проведен анализ расходов воды в створе Жигулевского гидроузла за период 19582019 гг. Среднегодовой расход воды составил 7,7*103 м3/с, наибольший - 10,4*103 м3/с, а наименьший - 5,3*103 м3/с. Выделены экстремально маловодные (1996, 1977, 1976, 1975, 1973, 1967) и экстремально многоводные (1994, 1991, 1990, 1981, 1979, 1966) годы. Регулирование водного стока на Жигулевском гидроузле трансформировала сезонную изменчивость расходов воды реки Волги. Самые большие расходы воды наблюдались в период весеннего половодья (8,719,6*103 м3/с). В период межени расходы воды составляли 5,5-6,5*103 м3/с.
Ключевые слова: река Волга, расходы воды, межгодовые изменения, сезонная изменчивость.
CHANGE IN WATER IN THE VOLGA RIVER OVER THE LAST SIXTY YEARS
Seleznev Vladimir Anatolievich
Doctor of Technical Sciences, Candidate of Geographical Sciences, Professor,
Chief Researcher
Samara Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences, Institute of Ecology of the Volga Basin of the Russian Academy of Sciences, Togliatti, Russia
Annotation. For a quantitative assessment of long-term and seasonal changes in the water flow of the Volga River, an analysis of water discharge in the section of the Zhigulevsky hydroelectric complex for the period 1958-2019 was carried out. The average annual water discharge was 7.7 * 103 m3 / s, the highest was 10.4 * 103 m3 / s, and the lowest was 5.3 * 103 m3 / s. Extremely low-water (1996, 1977, 1976, 1975, 1973, 1967) and extremely high-water (1994, 1991, 1990, 1981, 1979, 1966) years have been identified. The regulation of water flow at the Zhigulevskoye hydroelectric complex has transformed the seasonal variability of the Volga river flow rates. The highest water discharges were observed during the spring flood (8.7-19.6 * 103 m3 / s). During the low-water period, the water flow rate was 5.56.5 * 103 m3 / s.
Key words: Volga river, water discharge, interannual changes, seasonal variability.
1. Введение
Расход воды реки Волги в замыкающем створе Куйбышевского водохранилища
(Жигулевский гидроузел) непрерывно изменяется во времени. Межгодовые изменения расхода воды в основном зависят от природно-климатических факторов, а внутригодовые изменения - от режима регулирования водного стока через донные водосбросы гидроэлектростанции и водосливную плотину Жигулевского гидроузла. Практически весь водный сток реки Волги (97%) проходит через створ Жигулевского гидроузла. Межгодовые и внутригодовые изменения расхода воды реки Волги в створе Жигулевского гидроузла оказывают непосредственное воздействие на формирование качества воды [1] и функционирование водных экосистем Куйбышевского и Саратовского водохранилищ [2]. Влияние расходов воды прослеживается и на Волгоградском водохранилище, и на не зарегулированном участке реки Волги от г. Волгограда до Каспийского моря.
Изучению водного стока реки Волги посвящено много работ, в которых анализировались межгодовые изменения водного стока с начала организации инструментальных наблюдений. Однако изменения расхода воды с момента создания Куйбышевского водохранилища изучены недостаточно, особенно это касается внутригодовых изменений водного стока [6]. С развитием процесса урбанизации особое внимание уделяется оценке влияния антропогенных факторов на формирование водного стока. Актуальность изучения изменений водного стока возросла в условиях глобальных климатических изменений, начавшихся с семидесятых годов ХХ столетия.
Данные о расходах воды реки Волги необходимы при оценке и прогнозе качества воды и экологического состояния водохранилищ, а также при определении антропогенной нагрузки от точечных и диффузных источников негативного воздействия [4,5,3]. Поэтому целью настоящей работы является количественная оценка межгодовых и внутригодовых изменений расхода воды реки Волги в створе Жигулевского гидроузла с момента создания Куйбышевского водохранилища (1958-2019 гг.).
2. Материалы и методы
Створ Жигулевского гидроузла одновременно является замыкающим створом Куйбышевского водохранилища, самого крупного в Волжско-Камском каскаде. Оно образовано в 1957 году водоподпорными сооружениями Жигулевского гидроузла. В состав гидроузла входят: гидроэлектростанция, совмещённая с донными водосбросами; бетонная водосливная плотина; двухступенчатый шлюз (рис. 1). Входными створами для Куйбышевского водохранилища являются замыкающие створы Чебоксарского (волжская ветка) и Нижнекамского (камская ветка) водохранилищ.
Рисунок 1. Жигулевский гидроузел (замыкающий створ Куйбышевского водохранилища)
В настоящее время водные ресурсы Куйбышевского водохранилища используются для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, энергетики, водного транспорта, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения. Водохранилище также используется для нужд рыбного хозяйства и в рекреационных целях.
Длина водохранилища по волжскому направлению составляет 510 км, а по камскому направлению - 270 км. Наибольшая ширина водохранилища в районе Волжско-Камского плеса составляет 40 км. Средняя глубина водохранилища - 8,9 м, наибольшая глубина в районе Приплотинного плеса - 40,0 м.
Общий объем Куйбышевского водохранилища при нормальном подпорном уровне
3 „
составляет более 57 км . До строительства Жигулевского гидроузла средний объем водного стока за период 1881-1957 гг. составил 255 км . Максимальный годовой водный сток
3 з
составлял 389 км и наблюдался в 1926 г., минимальный годовой водный сток -161 км и
наблюдался в 1937 г.
Полезный объем водохранилища составляет около 31 км и дает возможность осуществлять сезонное, недельное и суточное регулирование водного стока в интересах различных водопользователей. Межгодовое регулирование водного стока невозможно, так как емкость Куйбышевского водохранилища недостаточна. Сезонное регулирование водного стока осуществляет эксплуатирующая организация - Филиал ОАО «РусГидро» -«Жигулевская ГЭС» в соответствии с «Основными правилами использования водных ресурсов Куйбышевского водохранилища на р. Волге», утвержденными приказом Министерства мелиорации и водного хозяйства РСФСР от 11 ноября 1983 г. № 596.
Для изучения изменений расхода воды в замыкающем створе Куйбышевского водохранилища использованы данные, полученные от отдела гидрологии Жигулевского гидроузла. Среднемесячные расходы воды (д) за период 1958-2019 гг. анализировались с использованием программы Statistica.
3. Результаты и обсуждение
Водный сток р. Волги в замыкающем створе Куйбышевского водохранилища не остается постоянным и характеризуется многолетними и внутригодовыми изменениями. Изменения средних годовых расходов воды в основном зависят от климатических колебаний в Волжском бассейне. Внутригодовое распределение расходов воды определяется не только естественными причинами, но и регулированием водного стока на сооружениях Жигулевского гидроузла.
3.1. Межгодовые изменения расхода воды
Для анализа межгодовых изменений расходов воды использовали два приема: 1 -сравнение средних годовых расходов воды 2 - анализ «сглаженных» изменений путем 5-летнего скользящего осреднения (рис. 2).
^ч^ч^ч^ч^ч^ч^ч^ч^ч^ч '"Год ^ ^^С^С^С^С^С^С^
Рисунок 2. Расходы воды реки Волги в створе Жигулевского гидроузла: 1 - средние годовые расходы воды 2 - при скользящем 5-летнем осреднении
Прием 1. Средний годовой расход воды реки Волги за период 1958-2019 гг. составил 7,7* 103 м3/с. Максимальный среднегодовой расход воды наблюдался в многоводном
3 3 „
1990 году и составил 10,4*10 м /с, минимальный расход наблюдался в маловодном 1975 году и составил 5,3*103 м3/с. Следовательно, среднегодовой расход воды изменялся почти в 2 раза.
По результатам расчета эмпирической обеспеченности расходов воды (5) определены маловодные и многоводные годы [8]. За 61-летний период наблюдалось 6 экстремально многоводных (5 < 10%) лет: 1994, 1991, 1990, 1981, 1979, 1966 (таблица 1). Среди мно-
3 3
говодных лет расходы воды изменялись от 9,2 до 10,4*10 м /с. Экстремально маловодные (5 > 90%) года наблюдались: 1996, 1977, 1976, 1975, 1973, 1967. Среди маловодных лет
3 3
расходы воды изменялись от 5,3 до 6,0*10 м /с. У экстремально многоводных лет амплитуда (А) колебаний внутригодовых изменений расхода воды существенно больше, чем у экстремально маловодных лет. Наибольшая амплитуда наблюдалась в многоводном 1979
3 3
году и составила 26,9*10 м /с, а наименьшая амплитуда - в маловодном 1975 году и составила 7,3 *103 м3/с.
Таблица 1. Расходы воды в экстремально многоводные и маловодные годы
Экстремально многоводные годы Экстремально маловодные годы
Год Q *103 м3/с А, *103 м3/с Год Q, *103 м3/с А, *103 м3/с
1966 9.3 24.6 1967 5.8 9.8
1979 10.1 26.9 1973 5.3 13.4
1981 9.2 18.2 1975 5.3 7.3
1990 10.4 18.5 1976 5.9 9.4
1991 10.1 21.8 1977 6.0 11.1
1994 10. 4 17.7 1996 5.4 8.5
Если рассматривать более ранний период с начала систематических гидрологических наблюдений на Волге (1898 г.) до создания Куйбышевского водохранилища, то к экстремальным маловодным годам следует отнести 1921, 1937 и 1938, к экстремальным многоводным - 1916, 1926 и 1947.
Прием 2. Анализ «сглаженных» изменений расходов воды путем 5-летнего скользящего осреднения Q показывает возможность выделения трёх периодов, отличающихся по водности (рис. 1). Самый ранний 20-летний период (1958-1977 гг.) характеризуется маловодьем и включает пять из шести экстремально маловодных лет: 1977, 1976, 1975, 1973 и 1967. Следующий за ним в хронологическом порядке 22-летний период (1978-1999 гг.) характеризуется многоводьем и включает пять из шести экстремально многоводных лет: 1994, 1991, 1990, 1981 и 1979. Современный 20-летний период (2000-2019 гг.) можно охарактеризовать как период средней водности. Выделенная многолетняя периодичность изменения средних годовых расходов воды, вероятнее всего, обусловлена цикличностью климатических факторов формирования водного стока на водосборной территории Волжского бассейна.
3.2. Внутригодовые изменения расхода воды
Внутри года средние месячные расходы воды характеризовались внутригодовой изменчивостью (рис. 3), свойственной водохранилищам как природно-техническим водным объектам. Регулирование на гидроузле приводит к перераспределению водного стока между сезонами года. Гидрограф водохранилищ трансформируется, нарушаются связи между средними (д), максимальными (дтах) и минимальными расходами воды. По
сравнению с естественным режимом реки Волги, внутригодовое регулирование водного стока на Куйбышевском водохранилище уменьшает пиковые расходы воды и увеличивает продолжительность периода весеннего половодья. В период зимней и летне-осенней межени регулирование на Жигулевском гидроузле увеличивает расходы воды.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 МопШ
Рисунок 3. Внутригодовые изменения расходов воды реки Волги в створе Жигулевского гидроузла
Анализ внутригодовых изменений расходов воды позволяет выделить три гидрологических сезона: зимнюю межень (декабрь-март), весеннее половодье (апрель-июнь) и летне-осеннюю межень (июль-ноябрь). Самый короткий - это период весеннего половодья, когда наблюдалась наибольшая амплитуда колебаний расходов воды (8,7-18,3*103 м/с). В начале периода весеннего половодья в апреле наблюдалось увеличение расходов воды, в мае наблюдался пик половодья, а в июне - спад весеннего половодья и уменьшение расходов воды до минимальных значений в период весеннего половодья. Устойчивые расходы воды наблюдались в период зимней межени и составили 5,9-6,3*103 м3/с. Период летне-осенней межени - самый продолжительный, когда расходы воды устойчивы (5,36,5*103 м3/с) и мало чем отличаются от расходов в период зимней межени.
Границы и продолжительность гидрологических сезонов для каждого конкретного года зависели от погодных условий и сезонного регулирования водного стока на Жигулевском гидроузле. Особенно это касалось периода весеннего половодья. Например, сезон весеннего половодья в 2002 г. продолжался с 16 апреля по 21 июня и составил 66 суток, а в 2003 г. продолжался с 19 апреля по 16 июня и составил 58 суток. Самый продолжительный период летне-осенней межени в 2002 г. продолжался с 22 июня по 25 ноября и составил 157 суток, а в 2003 г. продолжался с 17 июня по 8 декабря и составил 175 суток.
Более детальное представление о внутригодовой изменчивости расходов воды дают средние максимальные ^шах) и минимальные месячные расходы воды (таблица
2). За период 1958-2019 гг. установлено, что средние месячные расходы воды колебались
3 3
в пределах от 5,5 до 19,6*10 м /с, то есть расходы воды меняются в 3,5 раза. Максимальные среднемесячные расходы воды (дшах) колебались от 8,6 до 33,5*103 м3/с, а минималь-
3 3
ные (дш;п) - от 1,3 до 11,0 *10 м/с. Наибольшая разница в средних месячных расходах воды (дшах - дшт) наблюдалась в мае и составила 22,5*103 м3/с. Наименьшая разница в сред-
3 3
них месячных расходах воды (дшах - дш;п) наблюдалась в январе и составила 4,7*10 м /с.
Таблица 2. Расходы воды реки Волги (створ Жигулевского гидроузла)
за 1958-2019 гг.
Расход воды, *103 м3/с Месяц
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
д 6.0 6.0 5.8 10.5 19.6 8.7 6.5 5.9 5.7 5.5 5.9 6.2
дшт 3.9 3.4 3.4 2.6 11.0 1.3 3.6 2.1 3.6 3.7 3.1 3.4
дшах 8.6 9.0 9.7 21.8 33.5 16.8 14.1 9.9 8.6 11.9 12.4 9.0
дтах дтт 4.7 5.6 6.3 19.2 22.5 15.5 10.5 7.8 5.0 8.2 9.3 5.6
4. Заключение
Анализ данных наблюдений показал, что среднегодовой расход воды реки Волги в
3 3
створе Жигулевского гидроузла составил 7,7*10 м /с. За многолетний период наблюдений (1958-2019 гг.) среднегодовой расход воды изменялся в 2 раза, в основном, за счет климатических колебаний в Волжском бассейне. Максимальный расход воды наблюдался
3 3
в 1990 г. и составил 10,431*10 м /с. Минимальный расход воды наблюдался в 1975 г. и
о о
составил 5,270*103 м3/с.
Статистический анализ временного ряда за 61 год позволил выявить положительный тренд на увеличение среднегодовых расходов воды реки Волги на 700 м3/с. Выделены периоды маловодья (1958-1977 гг.), многоводья (1978-1999 гг.) и средней водности (20002019 гг.). Практически все наблюдаемые экстремально маловодные годы (1977, 1976, 1975, 1973, 1967) попали в период маловодья, а все экстремально многоводные годы (1994, 1991, 1990, 1981, 1979) - в период многоводья.
Регулирование водного стока на Жигулевском гидроузле сформировало сезонную изменчивость расходов воды, свойственную техническим водным объектам. Природный гидрограф был трансформирован в природно-технический. Внутри года выделены три периода. Самый короткий (~90 дней) - период весеннего половодья, который продолжается с апреля по июнь. Период зимней межени составляет ~120 дней и продолжается с декабря по март. Самый продолжительный (~150 дней) - период летне-осенней межени, который продолжался с июля по ноябрь. Наибольшие расходы воды наблюдались в период весеннего половодья (8,7-19,6*10 м /с), а в меженный период расходы воды составляли 5,53 3
6,5*10 м /с. За весь период наблюдений амплитуда колебаний средних месячных расходов воды составила 2,1-33,5* 103 м3/с, то есть среднемесячный расход воды изменялся почти в 16 раз. Наименьший среднемесячный расход наблюдался в августе 2010 г., а наибольший - в мае 1979 г.
Список источников и литературы
1. Селезнева, А. В. От мониторинга к нормированию антропогенной нагрузки на водные объекты / А. В. Селезнева. - Самара : СамНЦ РАН, 2007. - 107 с. - Текст : непосредственный.
2. Селезнева, А. В. Массовое развитие водорослей на водохранилищах р. Волги в условиях маловодья / А. В. Селезнева, В. А. Селезнев, К. В. Беспалова. - Текст : непосредственный // Поволжский экологический журнал. - 2014. - № 1. - С. 88-96.
3. Селезнева, А. В. Оценка диффузного загрязнения Саратовского водохранилища / А. В. Селезнева. - Текст : непосредственный // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2018. - Т. 20, № 5-2 (85). - С. 196-203.
4. Селезнева, А. В. Технология определения антропогенной нагрузки на реки от точечных и диффузных источников загрязнения / А. В. Селезнева, К. В. Беспалова, В. А. Селезнев. - Текст : непосредственный // Научные проблемы оздоровления Российских рек и пути их решения. Сборник научных трудов. - Нижний-Новгород, 2019. - С. 444-449.
5. Селезнева, А. В. К вопросу нормирования антропогенной нагрузки на водные объекты / А. В. Селезнева. - Текст : непосредственный // Экологический сборник 7. Труды молодых ученых / Под редакцией С. А. Сенатора, О. В. Мухортовой, С. В. Саксонова. - Тольятти : Изд. институт экологии Волжского бассейна РАН, 2019. - С. 418-422.
6. Селезнева, А. В. Изменение водности реки Волги в районе заповедного острова / А. В. Селезнева, К. В. Беспалова, В. А. Селезнев. - Текст : непосредственный // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. - 2020. - № 1. - С. 31-49.
