CC BY
12УДК 502/504: 556.5
оценка изменения и взаимосвязь элементов водного баланса бассейна реки волги в условиях изменения климата*
© 2015 г. Г.Х. Исмайылов, Н.В. Муращенкова
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», Институт природообустройства имени А.Н. Костякова, Москва
Ключевые слова: речной сток, суммарное испарение, элементы водного баланса, речной бассейн, изменчивость речного стока, река Волга, изменение климата, водосбор.
Г.Х. Исмайылов Н.В. Муращенкова
Приведены результаты анализа и оценки годовых и сезонных элементов водного баланса частных водосборов, выделенных водохозяйственных районов и бассейна р. Волги в целом. Рассмотрена пространственно-временная динамика изменчивости годовых и сезонных элементов водного баланса бассейна р. Волги. Получены уравнения связи годового и сезонного стока от определяющих его климатических факторов (атмосферные осадки, суммарное испарение, температура подстилающей поверхности).
На протяжении всего 20-го столетия проблеме изучения взаимосвязи атмосферных осадков, речного стока и испарения в целях познания закономерностей формирования речного стока уделялось повышенное внимание. В результате к концу ХХ в. в воднобалансовых исследованиях проявилась четкая тенденция перехода от изучения водного баланса (ВБ) в его простейшей форме в виде традиционных трех- и четырехчленных уравнений баланса к изучению ВБ отдельных звеньев единого гидрологического цикла в системе «атмосфера - земная поверхность - зона аэрации - грунтовые воды - русла рек» с учетом их взаимосвязи и на этой основе разработка моделей формирования речного стока. Этому в немалой степени способствовали экспериментальные исследования ВБ, проведенные в 1960-70-х гг.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект №12-05-00193а)
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
водное хозяйство России
как в России, так и за рубежом. Эти исследования показали, что излишняя дифференциация уравнения ВБ за счет включения в его традиционную структуру дополнительных составляющих не способствует уменьшению его невязки. Кроме того оказалось, что закономерности формирования и взаимосвязи элементов водного баланса (ЭВБ) и определяющих их факторов, установленные для малых водосборов, не удается напрямую использовать для средних и крупных речных бассейнов. В то же время несомненно, что именно результаты экспериментальных исследований способствовали разработке математических моделей гидрологического цикла и формирования речного стока. Несмотря на это, и в настоящее время мы не располагаем даже годовыми оценками основных ЭВБ (осадки, сток, испарение, вла-гозапасы) для большинства речных бассейнов России за период имеющихся инструментальных наблюдений за стоком и атмосферными осадками.
Непосредственную оценку таких ЭВБ крупного речного бассейна, как атмосферные осадки и суммарное испарение, в последнее время можно получить по результатам численной реализации моделей общей циркуляции атмосферы (МОЦА) как для реальных условий прошедшего ХХ в., так и для возможных сценариев изменения климата XXI в. Однако и в этом случае остается неопределенность в части оценки изменения бассейновых влагозапасов, что может приводить к значительным погрешностям в определении речного стока конкретных лет по разности осадков и испарения. Таким образом, и для XXI в. оценка ЭВБ речных бассейнов остается одной из фундаментальных и актуальных задач гидрологии суши.
Наиболее достоверно определяемым ЭВБ речного бассейна, независимо от его пространственных масштабов, является речной сток. Хотя формирование речного стока происходит в различных по физико-географическим условиям, масштабам и направленности антропогенного воздействия участках водосбора, его интегральная характеристика, измеряемая в замыкающем створе, оценивается для годового отрезка времени достаточно надежно, с точностью до 5-10 %.
Наряду с речным стоком, по результатам инструментальных наблюдений оцениваются и атмосферные осадки, определяющие величину и характер увлажнения речного бассейна. Однако если речной сток является интегральной характеристикой, то осадки измеряются в отдельных точках водосбора, в связи с чем при воднобалансовых исследованиях необходима процедура их осреднения для всей площади речного бассейна за рассматриваемой отрезок времени.
Гораздо большие трудности связаны с определением суммарного испарения, прежде всего из-за отсутствия достаточно надежных методов инструментального измерения испарения.
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
Одним из наиболее трудно определяемых ЭВБ остается изменение бассейновых влагозапасов (ДУ). В общем случае ДУ представляет собой алгебраическую сумму изменения запасов воды в снежном покрове (ДУп), наледях, ледниках и многолетних снежниках (Ду), озерах и водохранилищах (ДУ2), болотах (ДУЬ), русловой сети (ДУгг), зоне аэрации (ДУе) и водоносных слоях, дренируемых речной системой (ДУг), т. е.
(1)
ДУ = ДУ + ДУ + ДУ + ДУ + ДУ + ДУ + ДУ .
5п 1 02 Ь гг ае дг
В зависимости от физико-географических и климатических условий уравнение (1) может быть упрощено. Так, для крупных речных бассейнов ЕТР можно принять, что
ДУ = ДУ + ДУ + ДУ + ДУ . (2)
5п 02 ае 4 '
Таким образом, единственно возможным методом оценки изменения бассейновых влагозапасов для крупных речных бассейнов является оценка их как остаточного члена уравнения ВБ, который кроме того, берет на себя и все погрешности определения других ЭВБ
ДУ = Ун - Ук = £ + Е - Р + 8, (3)
где Ун и Ук - начальный и конечный объемы бассейновых влагозапасов, £ -речной сток, Е - суммарное испарение, Р - атмосферные осадки, 8 - невязка, обусловленная погрешностями измерения и расчета отдельных ЭВБ [1].
В представленном исследовании основное внимание уделено результатам, полученным по разработанной методике оценки годового и сезонного (за периоды весеннего половодья и межени) суммарного испарения с поверхности речного бассейна за многолетний период с использованием лишь наиболее достоверно определяемых данных по речному стоку и атмосферным осадкам [2, 3].
Предложенная методика позволила получить временные ряды основных элементов водного баланса (речной сток, атмосферные осадки, суммарное испарение и бассейновые влагозапасы) речного бассейна за период половодья, межени и года в целом. Разумеется, наличие столь длительных временных рядов позволит осуществить пространственно-временной анализ элементов водного баланса речного бассейна и их взаимосвязи. Дополнительно к традиционно рассматриваемым ЭВБ определим также разности «осадки - сток» и «осадки - испарение», что позволяет расширить ЭВБ речного бассейна.
Располагая временными рядами годовых и сезонных атмосферных осадков в бассейне р. Волги и речного стока в замыкающих створах частных водосборов бассейна р. Волги до г. Волгограда и используя методику, приведенную в работе [2], осуществили оценку годового и сезонного сум-
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
марного испарения и изменения бассейновых влагозапасов. В результате реализации предлагаемой методики оценки годового испарения по стоку и осадкам получены многолетние ряды основных ЭВБ бассейна р. Волги за 1881/1882-2000/2001 гг. (п = 120 лет). Помимо стокоформирующей части бассейна р. Волги до г. Волгограда, были определены годовые и сезонные значения ЭВБ и для 11 частных водосборов водохранилищ Волжско-Камского каскада за период 1914/1915-2000/2001 гг. (п = 87 лет). Кроме того, для оценки пространственно-временной изменчивости ЭВБ были использованы временные ряды среднегодовых значений температуры воздуха, полученные по материалам данных Российского гидрометеорологического портала - Мирового центра данных за период 1901-2002 гг.
Для оценки пространственных закономерностей изменчивости ЭВБ использовано районирование территории бассейна р. Волги по межгодовой изменчивости ЭВБ. Для выделения районов, однородных с точки зрения межгодовой изменчивости ЭВБ, были получены матрицы коэффициентов взаимной корреляции временных рядов по каждому из рассмотренных элементов баланса. При этом в качестве критерия однородности принята величина коэффициента взаимной корреляции временных рядов каждого из ЭВБ большая или равная 0,80. В результате по характеру межгодовой и сезонной изменчивости годовых атмосферных осадков в пределах бассейна р. Волги выделяются 5 однородных районов: 1. Верхневолжский - водосборы Иваньковского, Угличского, Рыбинского, Нижегородского водохранилищ; 2. Средневолжский - водосборы Чебоксарского и Куйбышевского водохранилищ; 3. Камский - водосборы Камского, Воткинского, Нижнекамского водохранилищ; 4. Поволжский - водосборы Саратовского и Волгоградского водохранилищ; 5. Нижняя Волга - Волго-Ахтубинская пойма и дельта р. Волги.
На рис. 1-3 приведены колебания годовых и сезонных ЭВБ бассейна р. Волги в зоне формирования. Как видно из этих рисунков, годовые атмосферные осадки за XX в. не имеют явно выраженного изменения и носят стационарный характер (математическое ожидание не изменяется во времени), тогда как годовой сток и суммарное испарение имеют явную тенденцию с тем отличием, что если речному стоку свойственно непрерывное повышение, то суммарное испарение непрерывно понижается. Это объясняется динамикой изменения среднегодовой температуры воздуха в бассейне р. Волги, которая за более чем 100-летний период увеличивается на 1,1 оС (рис. 4).
Анализ тенденции (тренда) изменения сезонных ЭВБ показывает, что в период межени характерно повышение среднемноголетнего значения речного стока (тренда) за рассматриваемый период (1914/1915-2000/2001 гг.)
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
водное хозяйство россии
Р , мм/год
R , м м/год
Р =0,1231*1+6(54,6769
R =0,2902*1+17=6,81
0 10 20 30 40 50
Е_, м м/год
70 80
индекс времени
0 10 0 20 10 30 20 40 30 50
70 80
индекс времени
Е =493,8315- 0,3029*!
0 10 20 30 40 50
индекс времени
Рис. 1. Многолетние колебан ия и линейные тренды годовых элементов водного баланса в зоне формирования бассейна р. Волги за 1914/1915-2000/2001 гг. (Рг - атмосферные осадки, -о речной сток, Е - суммарное испарение).
Р , мм/сезон
Rn, мм/сезон
Р. =327,7086+0,0244*!
R =119,4502-0,0252*1
0 10 20 30 40 50 60 70 80
индекс времени
Е., мм/сезон
0 1 0 20 30 40 50 60 70 80
индекс времени
160
Е. =111,4067+0,0269*!
0 10 20 30 40 50
индекс времени
Рис. 2. М ноголетние колебания и линейные тренды элементов водного баланса за период весеннего половодья, 1914/1915-2000/2001 гг. (Рв - атмосферные осадки, - речной сток, Он - суммарное испарение).
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
водное хозяйство россии
Р.,, мм/сезон
Рм =336,9682+0,0987*
Я > мм/год
20 30 40 50 60 70 80
индекс времнии
Я=57,3869++,3154Ч
0 10 20 30 40 50 60 70 80
индеес времени
Ем, мм/сезон
Е. =382,4248-0,3299*1
0 10 20 30 40 50 60 70 80
индеек времени
Рис. 3. Многолетние колебанияи линейные тренды элементов водного баланса за период межени, 1914/1915-2000/2001 гг. (Рм - атмосферные осадки, Ям -речной сток, Ем - суммарное испарение).
а)
Т,0С
Т=12,2056+0,0061П
б)
1/иА к .тренд к ■ 11 1 1
гг !Г УшТУЫ'
ТТС
Т=-8,8395+0,0161П
енд
10 20 30 40 50 60 10 20 30 индекс времени
в)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 индекс времени
Т= 3,4163+0,0109П
Л .
10 20 30 40 50 60 70 80 90 индекс времени
Рис. 4. Многолетние колебания температуры воздуха в бассейне р. Волги за теплый (а), холодный (б) периоды и год в целом (в).
0 10
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
на 27 мм за 87 лет. В тоже время суммарному испарению меженного периода свойственно умеренное снижение на 29 мм за 87 лет. Аналогичная тенденция свойственна и температурному режиму холодного периода, за 100-летний период XX в. температура холодного периода возросла на 1,6 оС.
Особенно важное значение имеют изменения ЭВБ, происходящие в частных водосборах бассейна р. Волги. Анализ изменений ЭВБ за период половодья по частным водосборам бассейна р. Волги показал, что для района Верхней Волги среднемноголетнее значение стока колеблется от 60 мм (14 км3) до 240 мм (55 км3), района Средней Волги - от 30 мм (18 км3) до 95 мм (58 км3), района Камы - от 90 мм (33 км3) до 270 мм (100 км3) и района Поволжья - от 10 мм (1,5 км3) до 110 мм (16,5 км3). Аналогичная картина обнаруживается и для периода межени. Так, например, для района Камы среднегодовой сток за период межени колеблется в пределах от 55 мм (20,4 км3) до 210 мм (78 км3), а района Поволжья - от 5 мм (0,8 км3) до 60 мм (9 км3).
В отношении колебания среднегодового суммарного испарения по территории бассейна р. Волги обнаруживается несколько иная ситуация. Так, например, в период половодья, если для зоны избыточного увлажнения испарение изменяется от 50 мм (12 км3) до 145 мм (33 км3), то для зоны достаточного увлажнения - от 50 мм (31 км3) до 300 мм (183 км3) и для зоны недостаточного увлажнения - от 11 мм (2 км3)до 214 мм (32 км3). Для периода межени свойственна достаточно высокая степень испарения для всех частных водосборов - от 110 мм (67 км3) до 650 мм (397 км3).
В результате статистической обработки рядов увлажнения частных водосборов, водохозяйственных районов и бассейна в целом получена достаточно детальная картина распределения коэффициентов вариации увлажнения в бассейне р. Волги. Наибольшая изменчивость сумм атмосферных осадков за период половодья и межени наблюдается в южной части территории бассейна (частные водосборы, входящие в район Поволжья), которая изменяется от 0,22 до 0,30. Наименьшие значения коэффициента вариации наблюдаются в районах Верхней и Средней Волги, Камы и колеблются от 0,15 до 0,19. Изменчивость суммарных осадков за период половодья и межени выше, чем изменчивость годовых осадков.
Коэффициент вариации речного стока за период половодья, начиная с частного водосбора Иваньковского водохранилища постепенно уменьшается с 0,33 и на частном водосборе Куйбышевского водохранилища достигает 0,27; а затем, начиная с частного водосбора Саратовского водохранилища повышается с 0,48 до 0,74 (для частного водосбора Волгоградского водохранилища). Для района Камы коэффициент вариации речного стока в период половодья достаточно высок и достигает 0,57 (для частного водосбора Воткинского водохранилища). Для периода межени изменчивость
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
речного стока также имеет высокое значение и колеблется от 0,33 (частные водосборы Чебоксарского и Камского водохранилищ) до 0,70 (частный водосбор Волгоградского водохранилища).
Наибольшего значения коэффициент вариации испарения за период половодья достигает в частных водосборах бассейна р. Камы и в районе Поволжья, а в районе Верхней Волги коэффициент вариации снижается и колеблется в пределах от 0,17 до 0,21.
Для меженного периода свойственно понижение коэффициента вариации до 0,06-0,10 для района Верхней Волги, тогда как для районов Камы и Поволжья коэффициент вариации повышается и достигает 0,32 (частный водосбор Волгоградского водохранилища).
Важное значение имеет сопряженный анализ ЭВБ в отношение закономерности формирования цикличности этих составляющих водного баланса. Наличие продолжительных (80-100 лет) временных рядов ЭВБ позволяет выявить низкочастотные (долгопериодные) тренды в их динамике. С этой целью рассмотрим динамику скользящих средних 30-летних значений ЭВБ бассейна р. Волги 1892/93-2000/2001 гг. Для осадков и стока выделяется полный цикл их изменения, охватывающий фазы пониженной увлажненности (водности) с 10-й до 40-й 30-летки, когда средние осадки уменьшаются с 665 до 625, а сток - с 195 до 175 мм/год и повышения увлажненности (водности) с 40-й до 80-ой (до конца рассматриваемого периода), при росте осадков с 625 до 650, а стока - с 175 до 200 мм/год. Аналогичный цикл выделяется и в динамике влагозапасов, однако он является зеркальным отражением циклов увлажненности и стока - фазам спада осадков и стока соответствует фаза сработки бассейновых влагозапасов, а фазам роста - накопление воды в бассейне.
В изменениях испарения прослеживается непрерывная тенденция к снижению его средних 30-летних значений с их резким уменьшением с 70-й до 75-й 30-летки, почти на 10 мм, что составило более 50 % общего снижения за весь период. Изменится ли характер такого тренда испарения, предстоит выяснить в предстоящие годы, что требует непрерывного отслеживания ЭВБ бассейна Волги.
Наряду с динамикой 30-летних скользящих средних ЭВБ большой интерес представляет характер динамики скользящих 30-летних значений и таких статистических параметров, как стандарт и коэффициент автокорреляции. Характер динамики стандарта для всех ЭВБ идентичен: начиная с 5-й 30-летки и вплоть до 50-й, просматривается уменьшение стандарта для всех ЭВБ, сменяющееся его увеличением до конца рассматриваемого периода. Значительные изменения свойственны и коэффициентам автокорреляции в 30-летних рядах ЭВБ. Так, для осадков г(1) изменяется
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
от -0,20 до 0,40; стока от 0 до 0,70; испарения от -0,30 до 0,20 и бассейновых влагозапасов - от 0,20 до 0,40. При этом наибольшая корреляция смежных значений ЭВБ свойственна маловодным 30-леткам, тогда как в многоводные она менее существенна. Таким образом, в динамике ЭВБ бассейна Волги выделяются периоды, для которых степень расхождения значений их параметров статистически значима, что подтверждает гипотезу о нестационарности временных рядов ЭВБ.
Для выявления цикличности ЭВБ использованы разностные интегральные кривые годовых и сезонных ЭВБ (рис. 5). Как видно из рисунка, цикличность годовых осадков хорошо коррелируется с цикличностью годового стока, т. е. они почти синхронны, в то же время эти составляющие водного баланса противофазны годовому суммарному испарению. Аналогичная тенденция наблюдается и для цикличности изменения ЭВБ для периода половодья и межени.
£(Ki - 1)
1,2
0,8
0,4
0,0
-0,4
-0,8
-1,2
1920
б) £(Ki -1)
1940
1960
1980
2000 6о ды
£(Ki - 1) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2
а) атмосферные осадки,
б) аемной сток,
в) кумккарнок испкркник
1920 -940 1960 1980
2000 Годы
Рис. 5. Разностные интегральные кривые годовых элементов водного баланса
в бассейне р. Волги.
Исследование структуры межрядных связей ЭВБ показывает, что для зоны формирования ЭВБ в бассейне р. Волги (до г. Волгограда) наблюдается для периода весеннего половодья тесная корреляционная связь между атмосферными осадками и речным стоком (г = 0,52), эффективными осадками (Р - Е) и речным стоком (г = 0,79); аналогичная связь проявляется между
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
этими же ЭВБ и для периода межени (соответственно г = 0,71 и г = 0,93); для этих же годовых ЭВБ - г = 0,66 и г = 0,93 соответственно. Достаточно тесная связь обнаруживается и между атмосферными осадками и суммарным испарением в период межени (г = 0,72). Аналогичная закономерность обнаруживается в межрядных связях ЭВБ и для выделенных ВХР. Это свидетельствует о том, что для оценки величин речного стока можно выбрать прежде всего «эффективные осадки», а также собственно атмосферные осадки и суммарное испарение. Анализ внутрирядных связей показал, что обнаруживается умеренная связь между водностью стока смежных лет для годовых значений (0,50) и периода межени (0,44).
В табл. 1 приведены выборочные коэффициенты корреляции между ЭВБ для частных водосборов бассейна р. Волги за периоды весеннего половодья и межени и в целом для года за период 1914/1915-2000/2001 гг. (п = 87 лет). Как следует из таблицы связь между стоком и эффективными осадками (Р - Е) отчетливо проявляется в достаточно тесной взаимосвязи в годовом и сезонном разрезах (от г = 0,61 для частного водосбора Камского водохранилища до г = 0,99 для частного водосбора Куйбышевского водохранилища). Анализ данных таблицы позволяет выбрать для оценки величин речного стока (Я), прежде всего «эффективные осадки», а также собственно атмосферные осадки (Р), суммарное испарение (Е) и температуру подстилающей поверхности (Т).
В результате получены следующие уравнения связи речного стока с определяющими его климатическими факторами в зоне формирования бассейна р. Волги (до г. Волгограда):
а) период весеннего половодья
ДЯвпг = 0,379 д(рвп - евп),: ,
ДЯВП. = 0,235 ДРВП: - 1,146 ДЕ ;
ВПг ' ВПг ' ВПг'
б) период межени:
ДЯм: = 0,399 Д(Рм - Ем): ,
ДЯМ. = 0,518 ДР ■
Мг ' Мг
0,766 ДЕ
в) год в целом:
ДЯГ. = 0,086 ДР.. - 0,138 ДЕГ. ,
Гг Гг 1г
ДЯГ. = 0,130 Д(РГ - Е.). ,
ДЯГ. = 0,022 ДР . - 9,041 ДТ.,
Г^ Гг Гг
ДЯ. = -0,067 ДЕГ. - 5,916 ДТ ,
Г^ Г^ Гг
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
(10) (11)
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
где РГ - годовые атмосферные осадки, РВП - атмосферные осадки периода весеннего половодья, РМ - атмосферные осадки периода межени, ЯГ - годовой сток, ЯВП - сток весеннего половодья, ДЯМ - сток меженного периода, ЕГ - годовое суммарное испарение, ЕВП - суммарное испарение периода весеннего половодья, ЕМ - суммарное испарение периода межени.
В уравнениях (4) - (11) все ЭВБ бассейна р. Волги даны в виде их ежегодных отклонений от среднемноголетних значений. Таким образом, расчетные величины речного стока за тот или иной год будут равны
Я. = Я + Д Я.. (12)
I ср I 4 '
Данные табл. 2 и 3 со всей очевидностью свидетельствуют о том, что при наличии ежегодных данных об атмосферных осадках, суммарном испарении и температуре подстилающей поверхности для оценки ежегодных величин стока половодья и межени, а также года в целом, предпочтение, несомненно, должно быть отдано уравнениям, включающим в свою структуру как атмосферные осадки, так и суммарное испарение. Только в этом случае статистические параметры и динамика годового стока, полученного по сумме стока этих периодов, будут полностью соответствовать таковым для фактического (наблюденного) стока. Кроме того, полученные уравнения создают возможность достоверной оценки стока для различных сценариев климата, полученных по моделям общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦАО).
Таблица 1. Выборочные оценки коэффициентов корреляции (г.) между стоком и эффективными осадками (Р - Е) частных водосборов бассейна р. Волги за период весеннего половодья, межени и для года в целом за 1914/1915-2000/2001 гг. (п = 87)
Водосбор Зона формирования стока р. Волги
Период Иваньковского вдхр Угличского вдхр Рыбинского вдхр Нижегородского вдхр Чебоксарского вдхр Куйбышевского вдхр Камского вдхр Воткинского вдхр Нижнекамского вдхр Саратовского вдхр Волгоградского вдхр
Весенннее половодье 0,71 0,75 0,78 0,61 0,89 0,99 0,61 0,45 0,74 0,83 0,87 0,92
Межень 0,96 0,82 0,85 0,79 0,94 0,99 0,89 0,61 0,97 0,83 0,94 0,95
Год в целом 0,89 0,85 0,88 0,83 0,88 0,84 0,89 0,71 0,92 0,91 0,83 0,41
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
Таблица 2. Результаты сопоставления расчетного и фактического бокового притока речных вод в зоне формирования бассейна р. Волги за 1914/1915-2000/2001 гг.
Статисти- Весеннее половодье Межень
ческие параметры Уравнение (4) Уравнение (5) Фактический сток Уравнение (6) Уравнение (7) Фактический сток
Среднее (Яср) 118 118 118 71 71 71
Стандарт (стЯ) 20 25 25 19 20 20
С V 0,17 0,21 0,21 0,27 0,29 0,28
г(1) 0,03 0,18 0,18 0,30 0,44 0,44
г(Я,Я*) 0,79 0,99 - 0,93 0,99 -
г2(Я,Я*) 0,62 0,98 - 0,86 0,98 -
Таблица 3. Результаты сопоставления расчетного и фактического бокового притока речных вод в зоне формирования бассейна р. Волги за 1914/1915-2000/2001 гг.
Статисти- Год
ческие Фактический Уравнение Уравнение Уравнение Уравнение
параметры сток (8) (9) (10) (11)
Среднее (Яср) 190 191 190 189 189
Стандарт (стЯ) 36 36 34 36 33
Коэффициент 0,19 0,19 0,18 0,19 0,18
изменчивости
г(1) 0,49 0,55 0,45 0,48 0,40
г(Я,Я*) - 0,99 0,93 0,98 0,91
г2(Я,Я*) - 0,98 0,87 0,96 0,83
Особый интерес представляет выявление структуры водного баланса в периоды весеннего половодья и межени по характерным участкам бассейна р. Волги. В табл. 4 приведена средняя за период исследований (1914/19152000/2001 гг., п=87 лет) структура водного баланса половодья и межени по характерным участкам бассейна р. Волги в абсолютном (мм) и относительном (по отношению к среднемноголетним годовым атмосферным осадкам) выражении. При этом для весеннего половодья берутся осадки за зиму и весну (Х1-У1), а сток - за период половодья (1У-У1); для межени осадки - за лето-осень (У11-Х1), а сток - за лето-осень и зиму (У11-111) соответственно.
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
Данные табл. 4 свидетельствуют об относительном постоянстве структуры водного баланса для большей части бассейна р. Волги за исключением лишь водосборов Саратовского и Волгоградского водохранилищ (бассейн Нижней Волги), расположенных в степной и частично засушливой зоне. Для этой части бассейна на фоне снижения общей увлажненности территории до 500 мм/год снижается доля весеннего (0,11) и особенно меженного (0,04) стока при увеличении доли суммарного испарения соответственно 0,22 и 0,64; а в целом за год до 0,54. Для остальной части бассейна доля весеннего испарения колеблется от 0,14 до 0,18; для периода межени - от 0,48 до 0,57 при относительном постоянстве доли стока в пределах от 0,16 до 0,22 весной и от 0,08 до 0,15 в период межени.
Таблица 4. Среднемноголетняя структура водного баланса бассейна р. Волги за период половодья (1У-У1) и межени (У11-111) 1914/1915-2000/2001 гг. в абсолютных (числитель) и относительных (знаменатель) показателях, мм
Весеннее половодье Летнее - осеннее - зимняя межень
Р Я Е ±У Р Я Е ±У
1. Бассейн Верхней Волги
331 140 97 -94 354 94 354 +94
0,48 0,20 0,14 -0,14 0,52 0,14 0,52 +0,14
2. Бассейн Средней Волги
336 110 126 -100 343 57 386 +100
0,49 0,16 0,18 -0,15 0,50 0,08 0,57 +0,15
3. Бассейн Камы
333 155 104 -74 360 102 332 +74
0,48 0,22 0,15 -0,11 0,52 0,15 0,48 +0,11
4. Бассейн Нижней Волги
265 49 112 -104 237 22 319 +104
0,53 0,11 0,22 -0,21 0,47 0,04 0,64 +0,21
5. Бассейн Волги до г. Волгограда
326 120 114 -92 338 72 358 +92
0,49 0,18 0,17 -0,14 0,51 0,11 0,54 +0,14
Примечание: Я - речной сток, Е - суммарное испарение, Р - атмосферные осадки.
Для всех участков бассейна для периода весеннего половодья, кроме того, характерна аккумуляция части атмосферных осадков в размере 90-100 мм (15-20 % среднемноголетнего годового стока), т. е. эта часть осадков периода весеннего половодья участвует в формировании водного
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
баланса межени в качестве дополнительных осадков и поэтому должна учитываться при определении ЭВБ межени. Из условия равенства нулю изменения влагозапасов за достаточно длительный период времени очевидно, что в течение межени происходит их сработка, величина которой соответствует накоплению запасов воды в весенний период. В связи с этим очевидно, что определение среднего стока половодья и межени по разности осадков и испарения сопряжено со значительными ошибками (в 1,5-3,0 раза сток по разности «осадки - испарение» превышает его действительную величину), а для межени сток может быть нулевым и даже отрицательным. Также установлена доля бассейновых влагозапасов, участвующих в формировании поверхностного речного стока и суммарного испарения с суши по 11 частным водосборам бассейна р. Волги и бассейна в целом (до г. Волгограда).
В заключение отметим что, выявленные закономерности изменчивости ЭВБ за периоды весеннего половодья, межени и года в целом, а также оценка степени их взаимосвязи для бассейна р. Волги делают возможным оценку стока в годы различной водности с использованием сезонных величин атмосферных осадков и испарения.
список литературы
1. Бабкин В.И., Вуглинский В.С. Водный баланс речных бассейнов. Л.: Гидроме-теоиздат, 1982. 192 с.
2. Исмайылов Г.Х., Федоров В.М. Межгодовая изменчивость и взаимосвязь элементов водного баланса бассейна р. Волги // Водные ресурсы. 2008. Т. 35. № 3. С. 259-276.
3. Исмайылов Г.Х., Муращенкова Н.В. Оценка изменчивости элементов водного баланса половодья и межени бассейна реки Волги // Природообустройство. М.: ФГОУ ВПО МГУП, 2012. № 3. С. 64-69.
4. Режимы влагообеспеченности и условия гидромелиораций степного края / под ред. В.С. Мезенцева. М.: Колос, 1974. 240 с.
Сведения об авторах:
Исмайылов Габил Худушевич, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», Институт природообустройства имени А.Н. Костякова, 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49; e-mail: gabil-1937@mail.ru
Муращенкова Н.В. канд. техн. наук, доцент кафедры гидрологии, гидрогеологии и регулирования стока, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева», Институт природообустройства имени А.Н. Костякова, 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49; e-mail: splain75@ mail.ru
Водное хозяйство России № 5, 2015 г.
