К ОЦЕНКЕ МНОГОЛЕТНЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СТОКА ПОЛОВОДИЙ РЕК ЮГО-ВОСТОЧНОГО АЛТАЯ В УСЛОВИЯХ СОВРЕМЕННОГО ОЛЕДЕНЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ БАССЕЙНА РЕКИ ЧУИ) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 556.124.4

К ОЦЕНКЕ МНОГОЛЕТНЕЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СТОКА ПОЛОВОДИЙ РЕК ЮГО-ВОСТОЧНОГО АЛТАЯ В УСЛОВИЯХ СОВРЕМЕННОГО ОЛЕДЕНЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ БАССЕЙНА РЕКИ ЧУИ)

© 2012 г. Д.Е. Клименко

Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь

Ключевые слова: современное оледенение, ледниковый сток, Юго-Восточный Алтай, Чуйская долина, р. Чуя.

Статья посвящена исследованию влияния современного оледенения на многолетнюю изменчивость характеристик стока весенне-летних половодий. Вопросы влияния ледников на сток рек горных районов являются слабоизученными; в настоящее время нет единого представления о влиянии ледников на максимальный сток половодий. Установленные региональные зависимости слоя стока половодья и его коэффициентов вариации от доли оледенения и высоты водосборов; сведения о циклах и фазах водности могут быть использованы при расчетах стока неизученных рек.

Введение

Количественные оценки ледникового питания в стоке горных рек разноречивы (противоречивы или двойственны). Ряд авторов указывали на отсутствие влияния ледников на величины стока (Л.К. Давыдов, 1947), объясняя увеличение стока увеличением сумм осадков и снижением испарения с высотой. Другие, Г.Н. Голубев, В.Н. Шульц, исследовавшие сток рек Средней Азии и Кавказа, отмечали увеличение ледникового стока с ростом площади оледенения [1].

Научные обобщения материалов наблюдений по рекам Центрального Алтая начаты с 1930-х годов. Первые попытки анализа данных предприняты О.К. Блумбергом (1930), П.П. Пиварелисом (1934), К.И. Лубны-Герциком (1934), Н.А. Задубиным (1937). В 1946 г. Б.Д. Зайков осуществил анализ материалов наблюдений при составлении карты среднегодового стока рек СССР. В 1955 г. годовой сток рек детально изучался Н.М. Алюшинской, в 1966 г. - А.М. Комлевым [1]. Характеристики стока половодий в условиях ледникового питания изучены незначительно.

Водное хозяйство России № 2, 2012

Водное хозяйство России

Вопросы гляциологии Алтая освещены в работах Л.Н. Ивановского, Е.В. Девяткина, П.А. Окишева, В.П. Галахова, С.Ю. Самойловой и др. [2].

Вопросы влияния ледников на максимальный сток рек горных районов, методы расчета характеристик стока неизученных горных рек до настоящего времени являются наиболее слабо разработанными в инженерной гидрологии. Исследования, результаты которых отражены в статье, имели целью расчет отдельных характеристик стока рек Горного Алтая, имеющих ледниковое питание, выявление репрезентативных периодов наблюдений и численную оценку степени влияния ледников на сток половодий.

Изученность стока половодий рек Юго-Восточного Алтая

Бассейн р. Чуи в гидрологическом отношении изучен недостаточно (рис. 1, табл. 1). Систематические наблюдения за гидрологическим режимом р. Чуи начаты Западно-Сибирским УГМС в период 1933-1935 гг. Большая часть постов открывалась в 1955-1956 гг. организациями различных ведомств. Наблюдения на малых реках (площади водосборов от 13,7 до 134 км2) в правобережной части водосбора р. Чуи проводились экспедицией Государственного гидрологического института (ГГИ) [3]. Средние высоты охваченных наблюдениями водосборов изменяются от 1900 до 2800 м. До 1995 г. гидрологический режим изучался на постах ГУ «Горно-Алтайский ЦГМС». В настоящее время пункты стационарных наблюдений отсутствуют.

Водное хозяйство России

00

О

Таблица 1. Пункты гидрологических наблюдений на реках Юго-Восточного Алтая

Код поста Наименование поста Расстояние от устья, км Площадь водосбора, км2 Отметка нуля поста, м БС (абс) Средняя высота водосбора, м Год открытия Год закрытия

10084 р. Чуя - с. Чаган-Узун (1) 175 8180 1721,77 2400 1957 1990

10085 р. Чуя - с. Белый Бом (2) 39,0 10 900 894,26 - 1933 1975

- р. Чуя - створ Акташской ГЭС (с. Мены) (3) 94,0 9200 - - 1954 1993 1955 1993

- р. Чуя - с. Чибит (4) 77,0 - - - 1992 1993

- р. Чуя-створ ЧибитскойГЭС (5) 80,0 9270 - - 2008 действ.

10700 р. Чуя - с. Иодро (нет на схеме) 25,0 11 000 867,36 - 1984 1995

10088 р. Кызыл-Шин - с. Кокорю (6) 23,0 1260 1874,00 2500 1957 1959

10090 р. Кок-Узек - в/п без названия (7) 22,0 238 - 2600 1958 1959

10091 р. Чаган - клх Кызыл-Маны (8) 0,4 372 1935,90 2800 1951 1995

10093 р. Ак-Туру - ГМС Актру (9) 20,0 33,4 2115,36 2100 1962 1995

10094 р. Чибитка - с. Нижний Акташ (10) 14,0 134 - 2200 1955 1956

10096 р. Белая - 2 км от устья (11) 2,0 25,3 - 2400 1955 1956

10097 р. Белая - 0,5 км от устья (12) 0,50 59,6 - 2500 1955 1956

10098 р. Ярлы-Амры - с. Средний. Акташ (13) 10,0 15,6 - 2600 1956 1956

10099 р. Мюэнь - 4,7 км от устья (14) 4,7 13,7 - 1900 1955 1956

10086 р. Большие Шибеты - ГМС Уландрык (15) 1,5 230 - 2600 1955 1956

Примечание: в скобках указан номер поста по схеме на рис. 1.

Природные условия Юго-Восточного Алтая

Основными критериями для оценки характеристик стока рек рассматриваемой территории являются средняя высота водосборов и их орографические особенности, доля оледенения, геологическое строение (трещинова-тость пород и наличие карста).

Половодья формируются в условиях сложного горного рельефа, характеризующегося сочетанием хребтов с высотами от 1000 до 4500 м, разделенных слабовсхолмленными котловинами (Чуйская, Курайская и др.). Подробная характеристика природных условий представлена в [4]. При определении современных площадей оледенения водосборов использованы картографические материалы 1989 г.

Анализ гидрографов стока по постам (рис. 2, 3) позволил выделить три генетических типа волн весенне-летних половодий:

Рис. 2. Гидрографы стока по посту р. Чуя - с. Иодро за годы с половодьями, сформированными различными источниками питания (2 - расход воды, м3/с; площадь водосбора F = 11 000 км2).

Водное хозяйство России

Рис. 3. Гидрографы стока малых водотоков в бассейне р. Чибитки за 1956 г

1. Первая волна (с первой декады апреля по первую декаду мая), связанная со стаиванием снега в нижней части Чуйской долины и включающая около 10 % стока половодья.

2. Вторая волна (с первой декады мая по третью декаду июня) включает около 30 % стока половодья и формирует наибольший расходы воды. Формирование ее связано со стаиванием снега в низкогорной верхней части бассейна р. Чуи, где площади, занятые ледниками и снежниками, практически отсутствуют.

3. Третья волна (с третьей декады июня до третьей декады сентября) заключает в себе 50 % стока половодья и приурочена к разновременному стаиванию ледников и снежников в высокогорных частях водосборов правобережных притоков.

На водотоках с площадью менее 50 км2 гидрографы многопиковые, что связано с существенным влиянием режима температуры воздуха и осадков в период снеготаяния.

Водное хозяйство России № 2, 2012

Водное хозяйство России

Влияние ледников на многолетнюю изменчивость максимального стока половодий

Оценка степени изменчивости характеристик стока является важным этапом гидрологических расчетов при определении достаточной продолжительности наблюдений (репрезентативного периода) и коэффициентов вариации. Сложность условий многолетней изменчивости стока горных рек показана рядом исследователей. Б. Д. Зайков, М.Н. Большаков [1, 4] отмечали, что если в нижней части гор изменчивость стока определяется вариацией осадков, то в высокогорьях - изменчивостью температуры воздуха, ведущей к неравномерному поступлению талых ледниковых вод в речную сеть. Колебания сумм осадков и температуры часто происходят асинхронно, отражая особенности типа атмосферной циркуляции. Это влияние проявляется и в асинхронности колебаний сток рек разных высотных зон, на которую указывали В. Л. Шульц, М.Н. Большаков, Л. А. Владимиров, А.М. Комлев, Ю.В. Титова и др. [1]. Подобные исследования относительно стока половодий Горного Алтая в литературе не приводятся.

По опорным постам были построены разностно-интегральные кривые отклонений от середины модульных коэффициентов слоя стока половодий (РИК) (рис. 4). Установлено, что колебания максимального стока для север-

20 15 10 5

^

~ 0

I

Йк

^ _5, -10 _15' -20'

Рис 4. Разностно-интегральная кривая отклонений от середины модульных коэффициентов слоя стока половодий рек Чуйской долины (к. _ модульный коэффициент слоя стока за половодье, С _ коэффициент вариации по ряду наблюдений).

( ^ К ^

Ч

— р. Чуя р. Чуя _ с. Ч _ с. Б( аган-У злый Д зун ом

— р. Чаган _ клх Кызыл-Маны р. Чибитка _ с. Нижний Акташ

1930 1935 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995

Водное хозяйство России

Таблица 2. Сведения о сроках и продолжительности фаз водности рек северного и южного склонов Чуйской долины

Многоводная фаза Маловодная фаза

Пост Период Длительность (лет) Период Длительность (лет)

р. Чуя - с. Белый Бом 1956-1977 21 1977-1995 18

р. Чуя - с. Чаган-Узун 1977-1995 18 1956-1977 21

р.Чаган - клх Кызыл-Маны 1977-1995 18 1956-1977 21

р. Чибитка - с. Нижний Акташ 1956-1977 21 1939-1956 1977-1995 17 18

ного и южного склонов Чуйской долины асинхронны, что отражается и на стоке р. Чуи, принимающей воду со склонов разной экспозиции (табл. 2). Причины асинхронности связаны с разной долей оледенения водосборов (на южном склоне долины площади ледников значительно больше, чем на северном).

В ходе анализа РИК выделены полные циклы водности (циклы «макроуровня» продолжительностью более 30 лет), внутри них - многоводные и маловодные фазы, а также циклы водности «мезоуровня». Неполное отражение РИК для разных пунктов р. Чуи связано с резко неравномерным распределением лево- и правобережных площадей водосбора по длине реки.

Таким образом, асинхронность колебаний стока половодий для рек с разной долей оледенения определяется различным соотношением между талыми снеговыми и ледниковыми водами в периоды различной атмосферной циркуляции.

Для построения региональных зависимостей параметров изменчивости стока выполнено приведение к многолетнему периоду данных гидрометеорологических наблюдений на постах и определение расчетных характеристик (нормы максимального стока половодий, его асимметрии и изменчивости) в соответствии с требованиями [6] (табл. 3).

Погрешности учета максимального стока связаны с: 1) наличием под-руслового стока, составляющего до 30 % суммарного стока [3, 4]; 2) сложностью учета мгновенных расходов; 3) наличием карста и потерями стока по длине рек [7].

Анализ связи коэффициентов вариации характеристик стока с высотой позволил выявить закономерное его снижение с увеличением высоты. Установлено две зависимости С =/(И ): для слоя и для модуля стока

Водное хозяйство России № 2, 2012

Водное хозяйство России

Таблица 3. Характеристики стока половодий рек Чуйской долины и гидрографические характеристики водосборов

X О

CJ

33

О

о о

Ме Река — пост Площадь водосбора F, км2 Средняя высота Н.м Средние за многолетний период Доля оледенения Номер пункта-аналога (модульный коэффициент за год), восст. характеристика Значение коэффициента парной корреляции

Расход воды Слой стока

Расход воды О, м3/с л/с км2 С С/С h_, мм С С/С

1 р. Чуя - с. Чаган-Узун 8180 2400 134 16,4 0,19 -0,27 54,1 0,25 1,41 1,5 Опорный (1932-95 гг.)

2 р. Чуя - с. Белый Бом 10 900 2200 174 15,9 0,31 1,34 87,9 0,23 0,73 2,1 Опорный (1932-95 гг.)

3 р. Чуя - с. Иодро 11 000 2200 175 15,9 0,31 1,34 102 0,28 -0,53 2,1 №№1,2-/г; №2-0 0,97 0,69

4 р. Кызыл-Шин -с. Кокорю 1260 2466 41,6 33,0 - - 223 - - 0,2 К195,-к,0 -

5 р. Кок-Узек - в/п без названия 238 2697 41,6 175 - - 216 - - 3,2 Кж-Ь-О -

6 р. Чаган - клх Кызыл-Маны 372 2800 34,9 93,7 0,40 5,09 387 0,32 1,11 10,2 Опорный (1951-69, 71-94 гг.)

7 р. Акгуру - ГМС Акгру 33,4 2100 9,75 292 0,32 3,83 728 0,20 -0,76 42,8 Опорный (1962-95 гг.) -

8 р. Чибитка - с. Нижний Акташ 134 2200 10,8 80,8 0,55 1,04 292 0,24 -0,53 1,4 №2 -О; №6 -/г 0,80 0,87

9 р. Белая - 2 км от устья 25,3 2400 2,41 95,3 0,35 1,63 341 0,21 0,62 0,0 #1954-56 ->'■ 0 -

10 р. Белая - 0,5 км от устья 59,6 2500 6,02 101 0,42 1,36 - - - 0,0 #1943. 54-56 ~~ 'Q -

11 р. Ярлы-Амры -с. Средний Акташ 15,6 2600 2,06 132 0,35 - 360 0,21 - 3,0 #1954-56 -^. б -

12 р. Мюэнь - 4,7 км от устья 13,7 1900 1,20 87,6 0,55 - 199 0,41 - 1,5 #1954-56 ->'■ О -

Примечание: д^ и Ь_ - соответственно, средние многолетние максимальный модуль и слой стока за половодье; С - коэффициент вариации; С_ - коэффициент асимметрии.

с

V

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

0,10

0,00

N

у = -я2 = Э,0003х 0,7206 + 1,1693 \ \

\ • \

> \ ' □

\ V," О

у = -0, я2 = 0, 0003х+ 7956 0,9216 \ ■

□ ч

С расход (для водосборов без оледенения)

■ Су слой

(для водосборов без оледенения)

о С, расход

(для водосборов с оледенением)

а С, слой

(для водосборов с оледенением)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 И, м БС

Рис. 5. Связь коэффициента вариации модуля и слоя максимального стока половодий (С) со средней высотой водосборов (Н , м БС).

(рис. 5). Дифференцировать зависимости для водосборов с оледенением не удалось. Изменчивость модулей стока во всем диапазоне высот в 1,5 раза выше этой характеристики для слоя стока.

Ввиду многообразия факторов формирования стока, редкой наблюдательной сети установить надежные связи нормы слоя стока Н0 и модуля максимального стока д0 со средней высотой водосборов (Нср) не удалось.

При анализе влияния доли оледенения на величину слоя стока весенних половодий получена надежная зависимость вида Н0 = /([ ) (рис. 6). Зависимость свидетельствует о возрастании стока под действием ледников и может быть использована при определении слоя стока неизученных рек водосборов с оледенением. Переход от величин слоя к модулям может быть

Водное хозяйство России № 2, 2012

Водное хозяйство России

осуществлен по их связи вида И0=1,98д0+85,5, характеризующаяся достаточной теснотой (г = 0,87).

Заключение

1. Условия формирования стока северного и южного склонов Чуйской долины существенно отличаются в связи с разной долей оледенения.

2. Анализ гидрографов стока по постам на р. Чуе позволил выделить три генетических типа волн весенне-летних половодий.

3. Колебания характеристик стока для рек с разной долей оледенения асинхронны, что определяется различным соотношением между талыми снеговыми и ледниковыми водами в периоды различной атмосферной циркуляции. Репрезентативный период наблюдений на постах получен равным 38-39 годам.

4. Полученные зависимости вида С=/(Иср) не дифференцируются между водосборами с оледенением и без него, характеризуются достаточной теснотой и могут быть использованы в расчетах стока неизученных рек. Полученные зависимости вида И0 = /(/ ) и д0 = /(И0) могут быть использованы при расчетах стока половодий неизученных рек, имеющих ледники на водосборе.

Водное хозяйство России

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Комлев А.М., Титова Ю.В. Формирование стока в бассейне р. Катуни. Новосибирск: «На-

ука», 1966. 156 с.

2. Самойлова С.Ю. Реконструкция планового положения ледников бассейна Верхней Чуи

(Юго-Восточный Алтай) в максимум последнего похолодания: автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Барнаул. 2011.

3. Гидрологические исследования рек Чуйской степи Горно-Алтайской АО. Экспедиция по

изучению водных ресурсов целинных и залежных земель ГГИ. Л., 1960. 62 с.

4. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 15. Алтай и Западная Сибирь. Вып. 1. Горный Алтай

и Верхний Иртыш. Ч. 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 320 с.

5. Каталог ледников СССР. Т. 15. Вып. 1. Ч. 6. Бассейн р. Чуи. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

60 с.

6. СП 33-101-2003 Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Утв.

постановлением Госстроя России № 218 от 26 декабря 2003 г

7. Строительство малой ГЭС «Чибит» на р. Чуя в Улаганском районе Республики Алтай.

ТЭО (Проект). Т. 3. Природные условия. Кн. 1. Климат и гидрология. Красноярск. 2008. 86 с.

Сведения об авторе:

Клименко Дмитрий Евгеньевич, к. г. н., доцент, кафедра гидрологии и охраны водных ресурсов, Пермский государственный национальный исследовательский университет (ПГНИУ), Россия, 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15; e-mail: klimenkodi@rambler.ru

Водное хозяйство России № 2, 2012

Водное хозяйство России