ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТА И АНТРОПОГЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА СТОК Р. ЕРТИС (ИРТЫШ) В ПРЕДЕЛАХ КАЗАХСТАНА И КИТАЯ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология №1 2014

УДК 556.18.004.14

Канд. техн. наук С.П. Шиварева *

М.М. Азнабакиева

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КЛИМАТА И АНТРОПОГЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА СТОК Р. ЕРТИС (ИРТЫШ) В ПРЕДЕЛАХ КАЗАХСТАНА И КИТАЯ

ВОДОПОТРЕБЛЕНИЕ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ СТОКА, БЫТОВОЙ СТОК, МЕТОДЫ ОЦЕНКИ, СОКРАЩЕНИЕ СТОКА, АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ

Приводится метод оценки изменения стока реки Ертис и её притоков за период инструментальных измерений в пределах Китая и Казахстана в связи с изменением климата. Уменьшение стока по р. Ертис началось с 1996 г. На границе с Китаем в результате забора воды на его территории, сток за период 2006... 2012 гг. уменьшался в среднем на 3,12 км3/год.

Река Ертис образуется в результате слияния рек Кара Ертис и Ку-Ертис, истоки которых находятся в Китайской Народной Республике (КНР) на ледниках юго-западных склонов Монгольского Алтая. До впадения в оз. Зайсан река носит название Кара Ертис. Длина реки в пределах КНР - 520 км, а площадь водосбора - 50860 км2. Её водный режим характеризуется длительным весенне-летним половодьем, в основном, обусловленным таянием высокогорных снегов и ледников. В летний период на основную волну половодья накладываются дождевые паводки с резкими подъемами и спадами. В осенне-зимний период сток носит устойчивый характер и изменяется незначительно [3]. На территории Республики Казахстан (РК) сток р. Кара Ертис измеряется на гидрологическом посту с. Боран, расположенном недалеко от границы с КНР. Почти весь сток, регистрируемый в створе этого гидрологического поста, формируется в пределах КНР. Нижняя часть бассейна р. Ертис находится в пределах Российской Федерации (РФ). В табл. 1 приведены гидрологические посты, на которых ведутся наблюдения в зоне формирования стока как на территории РК, так и на территории КНР.

* Казгидромет, г. Алматы

55

Таблица 1

Список гидрологических постов в верхней части бассейна р. Ертис, расположенных на территории РК и КНР

Пункт наблюдения, река - пост Период наблюдений, год Источник данных

Республика Казахстан

р. Кара Ертис - с. Боран 1938. .2012 Казгидромет

р. Ертис - Усть-Каменогорск ГЭС 1903. .2012 Казгидромет

Вдхр Буктырма - Буктырминская ГЭС 1961. .2012 Казгидромет

р. Бас-Теректы - с. Мойылды 1961. .2012 Казгидромет

р. Кальджыр - с. Черняевка 1911. .2012 Казгидромет

р. Куршим - с. Вознесенка 1911. 2012 Казгидромет

Китайская Народная Республика

Irtysh - Buerjin 1953. .2010 China_gov

Kuyi'ertesi - Fuyun 1956. .2010 China_gov

Kayi'ertesi - Kuwei 1956. .2010 China_gov

Kelan - Aletai 1958. .2010 China_gov

Bu'erjin - Qunkule (II) 1957. .2010 China_gov

Haba - Kelatashi (IV) 1957. .2010 China gov

Анализ исторических данных в бассейне р. Ертис на территории РК производился за весь период инструментальных наблюдений, проводимых Казгидрометом. К сожалению, опубликованные сведения, не в полной мере отражают действительные значения основных гидрологических характеристик рек. В некоторые годы, данные о стоке неполные, либо отсутствуют, либо просто не приводятся из-за низкого качества материалов наблюдений на постах или в связи с закрытием гидрологических постов в 1990 годах. Из 19 рассматриваемых гидрологических постов на р. Ертис, данные по которым использованы для определения тенденций изменения стока, лишь три не имеют пропусков в рядах наблюдений -с. Боран, Усть-Каменогорская и Буктырминская ГЭС. С помощью гидрологических расчётов удалось рассчитать сток реки в период отсутствия наблюдений. Например, был составлен 100-летний ряд наблюдений по стоку р. Кальджыр - с. Черняевка [2]. Для этого применялись различные методические разработки. В случаях, когда расходы воды на гидрологических постах измерялись только в весенне-летние месяцы, восстановление среднегодовых расходов воды производилось следующим образом. Имея сумму среднемесячных расходов воды за период половодья (с апреля/мая по сентябрь/октябрь), вычислялось его среднее значение, а затем и коэффициент корреляции со среднегодовыми значениями за те годы, когда данные имелись за весь год. После чего строился график связи, и выводилось 56

уравнение, по которому и производилось определение недостающих среднегодовых расходов воды.

В случаях, когда данные о стоке за отдельные годы отсутствуют полностью, либо в большую часть месяцев года, при определении бытового стока использовались реки-аналоги. Для этого выбирался одинаковый период наблюдения и вычислялся коэффициент корреляции между среднегодовыми расходами данной реки и реки-аналога, и если он был удовлетворителен, то строился график связи, и выводилось уравнение регрессии. Полученное уравнение уточнялось, и затем по нему определялся среднегодовой расход воды в бытовых условиях.

Оценка изменения исторического стока р. Ертис выполнена тремя методами:

1) анализ тренда исторического стока,

2) анализ совмещенных разностных интегральных кривых бытового и естественного стока,

3) сравнение величин стока различной обеспеченности за два периода: базовый и современный.

На рис. 1.. .3 показаны тренды изменения стока за весь период наблюдений 1903...2012 гг. на территории РК в пункте р. Ертис - г. Усть-Каменогорск и за один и тот же период 1956.2010 гг. на территории РК (р. Ертис - с. Боран) и на территории КНР 111у8Ь - Виецт. Как видно на рис. 2.3, сток р. Ертис имеет тенденцию к снижению как на территории РК, так и на территории КНР. Особенно отмечается снижение стока р. Ертис по пункту г. Усть-Каменогорск (рис. 1).

Q, м /с 1000 800 600 400 200 0

..............................................................................................................

ттттттттттт СЛС^С^С^С^С^С^С^С^С^О Год

Рис. 1. Тренд изменения бытового стока р. Ертис - г. Усть-Каменогорск

(РК) за 1903.2012 г.

57

0, м3/с

600 г

500 к ? и о

400 300 г

200 - т ууч/

100

0 ........................... ............................

чо^чо^чо^чо^чо^чо слслслслслслслслслоо Год

Рис. 2. Тренд изменения бытового стока р. Ертис - с. Боран (РК) за

1956...2010 гг.

0, м3/с 200

150

100

50

0 .......................................................

ЧОО^ООС^ЮО^ООС^ЮО^ОО

тчоюю^^оооооо^^ооо ^

Год

Рис. 3. График бытового стока Irtysh - Впвгрп (КНР) за 1956.2010 гг.

Оценка изменения стока р. Ертис и ее основных притоков за прошедшие годы производилась с помощью интегральных кривых. Эти кривые позволяют выявить в рядах годового стока рек однородные периоды, с целью определения влияния климата и антропогенной деятельности на сток рек.

Восстановление естественного стока производится методом гидрологической аналогии, где в качестве аналогов используются реки, на которых влияние хозяйственной деятельности отсутствует или является незначительным. При отсутствии водопотребления естественный сток в рассматриваемом створе можно принять равным его бытовому значению. Следует отметить, что значительные трудности связаны с восстановлением естественного стока трансграничной р. Ертис, значительная часть бассейна которой находится в пределах КНР и используется в основном для нужд ирригации. Следует отметить, что когда речь идет об условно-естественном стоке, рассматриваются не только его естественные значения, сформировавшиеся под влиянием элементов климата (в первую очередь атмосферных

58

осадков и температуры воздуха), но и под влиянием исторически сложившегося уровня водопотребления в первой половине 20 века.

Методика восстановления естественного стока р. Ертис - с. Боран была основана на синхронности суммарного стока рек Кальджыр -с. Черняевка и р. Куршим - с. Вознесенка и стока р. Ертис - с. Боран.

На рис. 4 приведены совмещенные разностно-интегральные кривые стока рек Ертис - с. Боран и суммы рек Куршим - с. Вознесенка и Кальджыр - с. Черняевка за период 1938.2012 гг. Параметры этих кривых определялись за период естественного стока (1938...1995 гг.)

Е(к1-1)/е

10,0 г

8,0 -

6,0 -

4,0 -

2,0 -

0,0 - ^

-2,0 -

-4,0 -

-6,0 -

-8,0 -

-10,0

т

сл

О КЧ

О КЧ О КЧ О КЧ

|л к! ю ь ь

О КЧ О КЧ

00 00 с^ с^

о «ч о

О О ^

ООО Год

<4 с^

Рис. 4. Совмещенные разностные интегральные кривые стока р. Кара Ертис - с. Боран и суммарного стока рек Кальджыр - с. Черняевка и Куршим - с. Вознесенка за 1938.2012 гг. 1 - условно-естественный сток,

2 - сток при относительно устойчивом водопотреблении.

Анализ этих кривых показал, что за период 1938.1995 гг. наблюдается синхронное изменение стока рассматриваемых рек. Сток за период 1938.1995 гг. по оценкам авторов является естественным. Начиная с 1996 года, синхронность стока р. Ертис - с. Боран и суммы рек Куршим -с. Вознесенка и Кальджыр - с. Черняевка нарушается, что по мнению авторов обусловлено уменьшением стока р. Ертис - с. Боран за 1996.2012 гг. в результате влияния хозяйственной деятельности.

Значения естественного стока р. Ертис - с. Боран, начиная с 1996 г. до 2012 г., были восстановлены, используя его зависимость от суммарного стока рек Кальджыр и Куршим, режим которых за это время не нарушался.

На рис. 5 приведены совмещенные разностные интегральные кривые восстановленного (естественного) и бытового (наблюденного) стока р. Кара Ертис - с. Боран.

V

59

ЦМУС 10,0 5,0 0,0 -5,0 -10,0 -15,0

-—

_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I*

5050505050505050

т^^^^ююььмооф^оогч

слс^с^с^с^с^с^с^с^с^с^с^с^ооо Год

Рис. 5. Совмещенные разностные интегральные кривые восстановленного (естественного) и бытового (наблюденного стока) р. Кара Ертис -с. Боран за 1938.2012 гг. 1 - условно-естественный сток, 2 - сток при относительно устойчивом водопотреблении.

При построении этих кривых использованы статистические характеристики стока реки в естественных условиях за 1938...2012 гг.: Q0 =

305 м3/с; С = 0,27.

Анализ этой кривой показывает, что со второй половины 90-х годов 20 века естественный сток р. Кара Ертис - с. Боран не уменьшился, а бытовой измеренный сток - уменьшился за счет использования стока в верхней части бассейна на территории КНР. Сопоставление восстановленного естественного и наблюденного (бытового) стока показывает, что, начиная с 1996 года естественный сток р. Кара Ертис - с. Боран превышает его наблюденные значения. За 1996.2005 гг. суммарное уменьшение бытового стока составило - 11,2 км3 или в среднем 1,12 км3/год. За 2006.2012 гг. суммарное уменьшение составило 21,8 км3 или в среднем 3,12 км3/год. Таким образом, бытовой сток р. Ертис на границе с КНР, начиная с 2006 г. по 2012 г., в связи с изменением климата мог бы увеличиться на 30 % , если бы не водозабор на территории КНР [1].

Результаты восстановления естественного стока р. Кара Ертис -с. Боран представлены на рис. 6. На рис. 6 видно, что естественный сток, отражающий воздействие климата в бассейне р. Ертис - с Боран, за весь исторический период не имеет тенденции к увеличению, т.е. отмеченное изменение климата в конце прошлого века и начале 21 века ещё не отразилось на естественном стоке р. Ертис.

60

Рис. 6. Тренд естественного стока р. Кара Ертис в пункте с. Боран с

1938.2012 гг.

Величина естественного стока р. Ертис у г. Усть-Каменогорска, начиная с 1959 г. до настоящего времени, была восстановлена, используя его зависимость от суммарного стока р. Ертис - с. Боран, р. Кальджыр -с. Черняевка, р. Кушим - с. Вознесенка и р. Буктырма - с. Лесная Пристань за период 1921.1958 гг. На рис. 7 показаны совмещенные разност-но-интегральные кривые бытового и естественного стока р. Ертис -г. Усть-Каменогорск.

Рис. 7. Совмещенные разностно-интегральные кривые бытового и естественного стока р. Ертис - г. Усть-Каменогорск с 1903.2012 гг.

1 - условно-естественный сток, 2 - сток при относительно устойчивом

водопотреблении.

Как видно на рис. 7 и как было сказано выше, бытовой сток р. Ертис - г. Усть-Каменогорск имеет тенденцию к снижению. Снижение бытового и естественного стока от 1960 г. до 1983 г. было вызвано созданием в 1959.1960 гг. вышерасположенных Буктырминского и Усть-Каменогорского водохранилищ. Начиная с 1983 г. по 2010 г., как видно на

61

рис. 7, естественный сток, отражающий влияние климата, не уменьшился, а бытовой сток значительно сократился. Отмеченное сокращение бытового стока, в то время как естественный климатический сток стабилизировался, объясняется тем, что забор воды на территории КНР отразился и на нижерасположенном от границы пункте - г. Усть-Каменогорск. Если бы не было водозабора на территории КНР, то бытовой сток р. Ертис -г. Усть-Каменогорск не имел бы тенденции к снижению.

Воздействие забора воды на территории КНР отразилось и на других нижерасположенных гидрологических постах: р. Ертис - с. Шульба, р. Ертис - с. Семиярка. Величина естественного стока р. Ертис у с. Шульба, начиная с 1959 г. до настоящего времени, была восстановлена, используя его зависимость от суммарного стока р. Ертис - г. Усть-Каменогорск, р. Ульби -с. Ульба Перевалочная и р. Оба - с. Шемонаиха за период 1921.1958 гг. На рис. 8 показаны совмещенные разностно-интегральные кривые бытового и естественного стока р. Ертис у с. Шульба.

2(к1-1)/Су __-!

5,0 г ~°~-2

0,0 --5,0 --10,0 --15,0 --20,0 -

-25,0 ................

05050505050505050

Год

Рис. 8. Совмещенные разностно-интегральные кривые бытового и естественного стока р. Ертис - с. Шульба с 1935.2012 гг. 1 - условно-естественный сток, 2 - сток при относительно устойчивом водопотреблении.

Снижение естественного и бытового стока р. Ертис у с. Шульба, также как и у г. Усть-Каменогорска вызвано созданием Буктырминского и Усть-Каменогорского водохранилищ. Однако, начиная с 1990 г., естественный климатический сток стабилизировался, а бытовой снижается из-за воздействия забора воды на территории КНР.

Естественный сток р. Ертис у с. Семиярка восстанавливался по зависимости его величины от стока р. Ертис у г. Усть-Каменогорска за период 1935.1958 гг. На рис. 9 показаны совмещенные разностно-интегральные кривые бытового и естественного стока р. Ертис у с. Семиярка. Как естест-

62

венный, так и бытовой сток р. Ертис в самом нижнем створе у с. Семиярка, начиная с середины 70-х годов, начал уменьшаться. Только в конце 90-х годов естественный климатический сток стабилизировался, а бытовой сток также как и в вышерасположенных гидрологических пунктах снижается за счёт забора воды на территории КНР.

2(к;-1)/Су 5

0

-5

5050505050505

050 001 000 (N(N(4

Год

Рис. 9. Совмещенные разностно-интегральные кривые бытового и естественного стока р. Ертис - с. Семиярка за 1935.2012 гг.

1 - условно-естественный сток, 2 - сток при относительно устойчивом

водопотреблении.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что бытовой (измеренный) сток р. Ертис, начиная от границы КНР до границы с Российской Федерацией, в конце 90-х и начале 2000 годов имеет тенденцию к снижению. На границе КНР сток с 2006.2012 гг. уменьшался в результате забора воды на территории КНР в среднем на 3,12 км3/год. Такое сокращение стока отразилось и на нижерасположенных гидрологических постах.

Восстановленный естественный сток р. Ертис отражает воздействие климата на его формирование. Анализируя хронологический ряд естественного стока р. Ертис за весь период наблюдений, можно утверждать, что изменение климата конца 20 начала 21 в. ещё не оказало существенного влияния на сток на границе с КНР.

На рис. 10.11 приведены разностные интегральные кривые стока рек, бассейна р. Ертис, расположенных на территории КНР. В качестве нормы стока был принят период 1961. 1990 гг., соответствующий выбранному базовому периоду метеорологических и гидрологических наблюдений.

63

Как показывают наблюденные данные стока реки Ви'ецт в створе Qunkule, начиная с 1992 г. сток этой реки стал заметно увеличиваться, по сравнению с базовым периодом. По-видимому, это увеличение связано с климатическими изменениями и увеличением количества осадков.

!(к;-1)/Су

Год

Рис. 10. Разностно-интегральная кривая стока р. Би'егрп - Qunkule за

1957.2010 гг.

Х(кг1)/С 4

иччою^о^^оооооос^с^ооо Год

Рис. 11. Разностно-интегральная кривая стока р. Kuyi'ertesi - Еиуип за

1957.2010 гг.

Проанализировав разностно-интегральную кривую расходов воды реки КиуГе11е81 в створе Биуип, можно сделать вывод, что сток данной реки изменяется в пределах нормы за 1961.1990 гг.

На рис. 12 отчетливо прослеживается синхронность изменения количества атмосферных осадков и стока реки Ке1ап. Начиная с 1993 г. наблюдается существенное повышение стока за счет увеличения количества атмосферных осадков.

Совсем иная картина наблюдается на реке 1йу8Ь - Виецт (рис. 13).

64

Х(кг1)/С. 20 15 10 5 0 -5

тчочочо^^^оооооооос^с^с^ооо^ Год

Рис. 12. Совмещенныеразностно-интегральные кривые стока воды (1) р. Ке1ап - ЛШт и осадков (2) с 1959.2010 гг.

Пкг1)/Су

15 г

10 -

5 -

чос^г^тоо^^т^ог^чос^г^тоо^^г^о шшщщ^ьььсооооосо^^^ооо^

Год

Рис. 13. Разностно-интегральная кривая стока р. Irtysh - Впегрп с

1956.2010 гг.

В отличие от других рек рассматриваемого бассейна (расположенных на территории КНР), на реке ХгЬузЬ - Биегдп, начиная с 1996 г., наблюдается значительное сокращение стока, по сравнению с базовым периодом. Учитывая то, что на остальных реках этого бассейна наблюдается либо повышение стока за этот период, либо его колебания в пределах нормы, можно сделать вывод, что уменьшение стока на реке 1йу8Ь - Биегдп вызвано увеличением водопотребления.

Как было показано выше, уменьшение стока р. Ертис на территории КНР и на территории РК началось с 1996 г. В табл. 2 показано изменение стока р. Ертис на территории РК за период 1996.201 гг. по сравнению с предшествующим периодом. Сток р. Ертис за последние годы уменьшился на границе КНР на 15,6 % в результате водопотребления на территории КНР, а сток притоков Куршим и Кальджир, где нет хозяйственной деятельности, увеличился.

65

0

Таблица 2

Исторический бытовой сток р. Ертис и ее основных притоков

Река - пост 3Норма стока, м3/с/ период, год Годовой сток до 1995 г., м3/с/период, год Годовой сток за 1996.2012 гг., м3/с Изменение стока, %

Ертис - с. Боран 289 1938.2012 300 1938.1995 253 -15,6

Ертис - ГЭС Усть-Каменогорская 587 1903.2012 594 1903.1995 547 -7,88

Ертис - с. Семиярка 897 1935.2012 917 1935.1995 827 -9,76

Ертис - г. Павлодар 864 1935.2011 874 1935.1995 809 -7,51

Буктырма - с. Печи 107 1940.2012 109 1940.1995 99,8 -8,26

Оба - г. Шемонаиха 170 1954.2012 182 1954.1995 140 -23,2

Ульби - с. Ульби Перевалочная 95,9 1930.2012 98,7 1930.1995 85,4 -13,5

Куршим - с. Вознесенка 58,9 1911.2012 58,2 1911.1995 62,6 7,73

Кальджыр - с. Черняевка 22,9 1911.2012 22,4 1911.1995 25,0 11,6

В табл. 3 сделано сопоставление стока различной обеспеченности в пунктах р. Ертис - с. Боран (РК) и р. Ыу8Ь - Виецт (КНР) за базовый (1956.1995 гг.) и современный (1996.2010 гг.) периоды. Как видно сток р. Ертис на границе уменьшился в многоводные годы (5 %) на 19,7 %, на территории КНР это уменьшение составило 33,9 % также уменьшился сток 50 % обеспеченности. Вероятно, это вызвано значительным водозабором на территории КНР.

Таблица 3

Изменение бытового стока (м3/с) различной обеспеченности р. Ертис - с. Боран (РК) и р. Шу8Ь - Виецт (КНР) за базовый и современный периоды

Обеспеченность,%

5 50 95

.г г .г г % .г г .г г % .г г .г г %

Страна 1956.1995 1996.2010 изменение, 1956.1995 1996.2010 изменение, 1956.1995 1996.2010 изменение,

РК 462 371 -19,7 286 258 -9,8 163 181 11,0

КНР 174 115 -33,9 84,6 59,4 -29,8 32,9 25,8 -21,6

66

Уменьшение стока по р. Ертис на территории КНР и на территории РК началось с 1996 г. На границе с КНР сток за период 2006.2012 гг. уменьшался в результате забора воды на территории КНР в среднем на 3,12 км3/год. Такое сокращение стока отразилось и на нижерасположенных гидрологических постах. Наибольшее снижение стока р. Ертис отмечается у с. Семиярка. Здесь на изменение стока оказывают влияние Бук-тырминское и Усть-Каменогорское водохранилища.

Сток рек бассейна Ертиса, расположенных на территории Китая, с начала 90-х годов 20 века начал существенно повышаться за счет изменения климата и увеличения количества атмосферных осадков. Увеличение стока или его колебания около нормы прослеживается практически на всех исследуемых реках, за исключением реки ХгЬузЬ в створе Биецт. На этой реке наблюдается значительное сокращение стока, начиная с 1996 г. Это, по-видимому, связано с увеличением забора воды из данной реки на хозяйственные и промышленные нужды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голубцов В. В., Азнабакиева М.М. О сокращении стока р. Черный Иртыш - с. Буран в связи с водопотреблением в КНР // Гидрометеорология и экология. - 2012. - №2. - С. 88-93.

2. Голубцов В.В., Ли В.И. Оценка стока р. Кальджир на посту у с. Черняевка по стоку у с. Алтай // Гидрометеорология и экология. -2012. - № 3. - С. 165-167.

3. Ресурсы поверхностных вод СССР / Том 13 Центральный и Южный Казахстан. - Вып. 2. Бассейн озера Балхаш. - Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 644 с.

Поступила 21.01.2014

Техн. гылымд. канд. С.П. Шиварева

М. М. Азнабакиева

;р жэне ;хр территориясыньщ шегщдеп ерт1с

еЗЕНШЩ АГЫСЫНА АНТОРОПОГЕНД1 ЦЫЗМЕТТЩ ЖЭНЕ КЛИМАТТЫЦ ЭСЕР ЕТУ1Н АНЫЩТАУ

Климаттыц езеру1не байланысты ЦР жэне ЦХР территориясыньщ шег1ндег1 аспаптыц елшеыер кезентдег1 Ерт1с езентц агысыныц жэне оныц тарауларыныц езреу1н баглау эд1а келт^рыген. ЦХР территориясында жэне ЦР территориясында Ерт1с езентц агысыныц азаюы 1996 ж. басталган. ЦХР шекарада 2006 жылдан 2012 жж. кезешнде КХР теоориториясында суды алу нэтижеанде орташа 3,12 км3/жыл азайган.

67