CC BY
41
УДК 556.5+911.2
многолетняя изменчивость максимального
СТОКА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ МАЛЫх И СРЕДНИх РЕК БАШКИРСКОГО ПРЕДУРАЛЬЯ
© А.М. Гареев,
доктор географических наук,
заведующий кафедрой,
Башкирский государственный
университет,
ул. Заки Валиди, 32,
450076, г. Уфа, Российская Федерация
© П.Н. Зайцев,
ассистент кафедры,
Башкирский государственный
университет,
ул. Заки Валиди, 32,
450076, г. Уфа, Российская Федерация,
эл. почта: hydroeco@mail.ru
Изучение особенностей формирования максимальных расходов воды приобрело особую актуальность в связи с учащением случаев катастрофических наводнений в речных бассейнах на территории Российской Федерации. Имеется острая необходимость в полномасштабном изучении стокоформирующих факторов, оказывающих влияние на формирование и изменчивость максимальных расходов рек, с учетом возможности выполнения прогнозных оценок в целях заблаговременной оценки и предупреждения чрезвычайных ситуаций. Это позволит снизить масштабы негативного хозяйственно-экономического и экологического ущерба от весеннего половодья. Для анализа зависимости максимальных расходов воды весеннего половодья от основных стокоформирующих факторов в пределах изучаемой территории были выделены 16 бассейнов малых и средних рек. Следует отметить, что расположение метеорологических постов и станций к указанным бассейнам рек не привязано. В соответствии с этим нами была осуществлена пространственная интерполяция каждого из факторов по 12 метеостанциям. Относительно каждого из бассейнов рек были определены тяготеющие (близлежащие) пункты, типичность показателей по которым определялась посредством проведения корреляционного анализа между оцениваемыми факторами. В последующем определялись средневзвешенные показатели центра бассейна реки, которые были использованы для построения моделей, отражающих зависимость максимальных расходов воды от стокоформирующих факторов.
Ключевые слова: весеннее половодье, осенние влагоза-пасы, снежный покров, промерзание, интенсивность, сток, моделирование
© А.М. Gareev, P.N. Zaytsev
LONG-TERM PEAK DISCHARGE VARIABILITY DURING SPRING FLOODS IN SMALL AND MEDIUM-SIZED RIVERS OF THE BASHKIR CIS-URALS
Bashkir State University, 32, ulitsa Zaki Validi, 450076, Ufa, Russian Federation, e-mail: hydroeco@mail.ru
Investigations into peculiar features of the formation of peak water flows have acquired particular relevance in connection with the increasing frequency of catastrophic floods in some river basins on the territory of the Russian Federation. There is an urgent need for a full-scale study on flow forming factors that affect the formation and variability of peak river flows, with the possibility of performing predictive assessments to anticipate and prevent emergency situations. This will reduce the extent of the negative economic and environmental damage caused by spring flooding. To allow a detailed analysis of the dependence between peak discharges during spring floods and major flow forming factors within the area in question we distinguished 16 small and medium-sized river basins. It should be noted that the location of weather stations and posts are not bound to the river basins. In line with this, we carried out spatial interpolation of each of the factors from 12 weather stations. We identified nearby points for each river basin, with typical values determined through correlation analysis of the attested factors. In what follows we determined a weighted average relative to the centre of the river basin used to construct models reflecting the dependence between peak discharges and flow forming factors.
Key words: spring flood, autumn soil moisture reserves, snow cover, freezing depth intensity, discharge, modeling
2016, том 21, № 1 (81)
В связи с существенным изменением характеристик стока весеннего половодья в течение последних десятилетий возникает необходимость в комплексном и детальном изучении максимальных расходов воды и факторов, условий, влияющих на их формирование. В масштабе различных регионов страны обнаруживается периодическое формирование наводнений, наносящих большой хозяйственно-экономический и экологический ущерб отраслям экономики. Так, по данным А.А. Та-ратунина, среднемноголетний годовой экономический ущерб от негативного воздействия высоких вод половодий по Республике Башкортостан оценивается в 21 млн долл. [1].
Гидрометеорологическая информация в настоящее время не общедоступна, поэтому для анализа происходящих изменений имеется необходимость нахождения дополнительных источников, позволяющих дополнять недостающие звенья информации, особенно за
последние десятилетия. Эта проблема была решена нами при выполнении работ в 2007— 2014 гг. по программам, профинансированным Международными фондами и РФФИ. В качестве исходной информации были использованы материалы гидрометеорологических наблюдений за 1961—2010 гг. по 28 станциям и постам (см. рис. 1). Выбор в качестве объектов исследования бассейнов малых и средних рек, расположенных в пределах Башкирского Предуралья, определяется рядом причин. В числе основных: широкая дифференциация природно-климатических условий с учетом расположения части лесной, лесостепной и степной зон, геолого-геоморфологические условия, а также степень антропогенной трансформации ландшафтов в условиях активного влияния преимущественно нефтедобывающей, сельскохозяйственной отраслей экономики при значительной урба-низированности территории.
Рис. 1. Расположение метеорологических и гидрологических постов по бассейнам рек изучаемой территории[2]
2016 том 21, № 1 (81)
Водные ресурсы Башкортостана в целом, в т.ч. и в пределах Предуралья изучены достаточно хорошо [3; 4—8]. В то же время факт формирования большой совокупности водохозяйственных и водно-экологических проблем после засушливых 2010, 2012 гг. обусловливает необходимость более углубленного анализа и оценки тенденций в изменениях водных ресурсов в бассейнах рек различной категории. По основной части изучаемой территории на долю весеннего стока приходится от 50 до 82,3% годового стока. Достаточно равномерным распределением стока внутри года характеризуются только реки, протекающие в пределах Уфимского плато, что главным образом происходит в зависимости от влияния карста.
Как было указано ранее, количественные характеристики максимального стока характеризуются значительной изменчивостью в многолетнем разрезе. Для выявления основных тенденций изменения нами были приняты методы разностных интегральных кривых (РИК), скользящего осреднения по п-летиям, а также моделирования. Методика проведения таких расчетов изложена в опубликованных работах [9; 10]. Основные тенденции из-
менчивости максимального стока по РИК на примере отдельных водотоков отражены на рис. 2.
Как видно из рис. 2, максимальные расходы воды по указанным рекам характеризуются синхронностью колебаний и наличием четко прослеживаемых циклов. Необходимо отметить, что на фоне увеличения среднегодовых расходов [6] для максимального стока прослеживается тенденция к снижению значений в течение последнего десятилетия. Подробный анализ происходящих изменений приведен в ранее опубликованных работах [6; 7; 8], здесь же отметим, что это вызвано влиянием естественных и антропогенных факторов.
Как было отмечено ранее, на формирование максимальных расходов воды влияет множество стокоформирующих факторов. В работе А.М. Гареева, И.Л. Хабибуллина [8] приведен подробный анализ влияния каждого из них в отдельности, поэтому нами были выбраны несколько основных, оказывающих наибольшее влияние на формирование показателей максимального стока: осенние влагоза-пасы в почвогрунтах, запасы воды в снежном покрове перед началом весеннего снеготаяния, глубина промерзания почвогрунтов, интенсив-
• Ашквдар - Федоровка — — Дема - Бочкарево - Мелеуз - Мелеуз
Рис. 2. Графики разностных интегральных кривых максимальных расходов воды изучаемых рек за 1961-2010 гг. ...............ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2016, том 21, № 1 (81) 1111111111111111111111111111111111111111ННННШНЕИ
ность нарастания положительных температур за время весеннего снеготаяния. Анализ влияния последнего из указанных факторов проводится впервые. В последующем нами проводилась оценка значимости стокоформиру-ющих факторов, и в качестве исходной информации приняты фондовые материалы кафедры гидрологии и геоэкологии географического факультета БашГУ, полученные в рамках проведения работ по международному проекту в 2007—2012 гг. под научным руководством А.М. Гареева. Анализ изменчивости стокоформирующих факторов по всем метеостанциям представлен в ранее опубликованных работах [5—8]. В данной работе отражены основные тенденции их изменения в многолетнем разрезе по некоторым характерным метеорологическим станциям и постам.
Осенние влагозапасы в почвогрунтах имеют важное значение при формировании максимальных расходов воды весеннего половодья, особенно для бассейнов малых и средних рек. С одной стороны, они являются источником поступления дополнительного количества воды весной, с другой — оказывают влияние на цементацию почвы в зимний период, увеличивая период их оттаивания, и тем
самым вносят существенный вклад в формирование максимальных расходов. Данный фактор характеризуется значительной изменчивостью во времени. На рис. 3 показаны графики 5-летнего скользящего осреднения осенних влагозапасов за период 1961—2010 гг. по трем характерным метеостанциям.
По ним обнаруживается, что показатели осенних влагозапасов характеризуются определенной циклической изменчивостью и наличием тенденции к небольшому снижению в многолетнем разрезе.
Запасы воды в снежном покрове перед началом весеннего снеготаяния являются одним из ведущих факторов, оказывающих влияние на формирование водности реки в целом, а также максимальных расходов воды. Известно, что при оценке этого показателя необходимо учитывать высоту снежного покрова, его плотность, структуру, а также характер подстилающей поверхности и рельеф местности. Многолетняя динамика данного показателя отражена на рис. 4.
Как видно из рис. 4, для запасов воды в снеге характерна тенденция постепенного увеличения на фоне небольших колебаний, как правило, не превышающих 50 мм.
Рис. 3. Графики 5-летнего скользящего осреднения осенних влагозапасов в почве, мм
*2016 том 21, № 1 (81)
78
300
Аксаков о Бтздяк Чшлмы
Рис. 4. Графики 5-летнего скользящего осреднения запасов воды в снеге, мм
I 1 £Г\
I ии | ЛЛ ,
1+и л ч * 1 * С * ч 1 N - 1 а { А *
1 _ О 1 ПЛ. * 1 * - ч ч ч Ч 5 *
НАг ЯП - \ ч * Я
аи АП - к 1 (1 ч 1 ?! А ч к Ч J г - 1 \
о и АП - 3 * § ш ч ч ч (к * Л 1 г Ч
\ 'Ъшъ
ТА - I * 9 ж
¿У л _
и ч ч* $ £ * ? \ к * ¡Р ¡V А) £ кс; 1К с? □ Е о ф г- £ •Б; V* >4 ДЯ ф К Ф Ч 1Ш ч* - г N [Ы Ф Ф > V Ф ф
Рис. 5. Графики 5-летнего скользящего осреднения глубин промерзания почвогрунтов, см
.......ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2016, том 21, № 1 (81) .......................................................
Глубина промерзания почвогрунтов находится в тесной связи с осенними влагозапаса-ми в них и величиной снежного покрова. В свою очередь, она также существенно влияет на формирование максимального стока. Интенсивность инфильтрации поверхностного (склонового) стока зависит от степени насыщенности пор влагой, которая обусловливает формирование пространственной дифференциации значимости указанного фактора. Многолетняя динамика глубины промерзания отражена на рис. 5.
Как видно из рис. 5, глубины промерзания почвогрунтов характеризуются устойчивой тенденцией к снижению в многолетнем разрезе, что зависит от определенного увеличения мощности снежного покрова и повышения температуры воздуха в зимний период.
Интенсивность нарастания положительных температур за период весеннего снеготаяния является фактором, непосредственно оказывающим влияние на формирование абсолютных значений максимальных расходов воды. Значения данного показателя нами определялись как отношение суммы среднесуточных положительных температур за время снеготаяния к продолжительности этого периода (рис. 6).
Как видно из рис. 6, наблюдается устойчивое увеличение интенсивности нарастания температур во время весеннего снеготаяния. Это оказывает непосредственное влияние на формирование максимальных расходов воды в реках. Так, за период 1980—2010 гг. произошло увеличение указанного показателя более чем в 2 раза.
В условиях достаточно плотной приуроченности пунктов наблюдений за стокофор-мирующими факторами по изучаемой территории, репрезентативность исходной информации в многолетнем разрезе позволяет выявить характерные закономерности, отражающие зависимость максимальных расходов воды от влияющих естественных факторов. На основании полномасштабного анализа исходной информации нами была выявлена возможность применения зависимости вида: Ртах = 1^*х1+Кх2+Их3+Д1х4+Ъ, где W — осенние (предзимние) влагоза-пасы; Я — запасы воды в снежном покрове в период снеготаяния; И — глубина промерзания почвы до наступления весеннего снеготаяния; Д1 — интенсивность нарастания положительных температур за время снеготаяния; х1, х2, х3, х4 — коэффициенты, Ъ — поправка к значениям ординат.
Рис. 6. Графики 5-летнего скользящего осреднения интенсивности нарастания положительных температур в период снеготаяния, 0С/сут
2016 том 21, № 1 (81)
0Т45 0,4 0.1 0,23 0.2 0,15 0.1 0,05 »
2002 200? 2004 200? 2006 2007 -**0Ф ЗООК 2009 2010 2011 2012 2013 2014 201?
Рис. 7. Совмещенный график измеренных и вычисленных максимальных расходов воды р. Воробьевка
В целях ее верификации были приняты материалы наблюдений по водно-балансовой станции Дмитриевка, расположенной в Уфимском районе (лесостепная зона). Несомненным достоинством материалов наблюдений по указанной станции является компактность проведения метеорологических и гидрологические наблюдений, не выходя за пределы бассейна малой реки Воробьевка. Таким образом, имеющиеся продолжительные наблюдения за указанными метеорологическими факторами, а также максимальными расходами воды по р. Воробьевка позволили производить обнадеживающие расчеты. Как видно из рис. 7, между измеренными и вычисленными значениями максимальных расходов воды наблюдается тесная сходимость, что позволяет с большой уверенностью принимать результаты выполненных исследований в ходе решения практических задач. Зависимость между стокоформирующими факторами и показателями максимальных расходов воды позволяет применять изложенные методические положения для проведения гидрологических расчетов и оценок, в т.ч. прогноза максимальных расходов весеннего половодья различной за-благовременности.
Выявленные закономерности и методические положения могут быть применены для определения и прогноза максимальных расходов воды малых и средних рек не только по изучаемой территории, но и по другим бассейнам в пределах различных регионов РФ.
...............ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ /
/21
Так, по изучаемой территории основные положения, отражающие применимость изложенных методических положений и расчетных оценок, сводятся к следующему.
1. Несмотря на достаточно хорошую изученность характеристик речного стока по створам и пунктам наблюдений, до сих пор отсутствует надежный механизм расчета максимальных расходов воды применительно к выполнению прогнозных расчетов и оценок по бассейнам таких рек, как: Ашкадар, Ур-шак, Дема, Кармасан, Чермасан, База, Сюнь, Усень, Быстрый Танып и др.
2. Изложенные в данной работе методические положения предполагается применять в ближайшей перспективе по указанным рекам, а также многочисленным неизученным водотокам. Это имеет большое практическое значение.
3. Своевременное применение предшествующих данных перед началом весеннего половодья на уровне свободного (бесплатного) пользования гидрологической информацией (в т.ч. сведениями о стокоформирующих факторах) позволит заблаговременно и с большой надежностью обосновать и проводить противопаводковые мероприятия. С учетом того, что на устранение последствий наводнений по Республике Башкортостан ежегодно тратятся большие денежные средства, это также имеет большое практическое и экономическое значение.
2016, том 21, ^ 1 (81)
21, № 1 (S1)
