CC BY
22
УДК502/504: 556.16 Е. Г. ИВАНОВ
Институт водных проблем РАН
Г. X. ИСМАЙЫЛОВ
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства»
ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ И ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРИТОКА К ВОДОХРАНИЛИЩАМ ВОЛЖСКО-КАМСКОГО КАСКАДА*
Дана оценка пространственной и временной изменчивости бокового притока к водохранилищам Волжско-Камского каскада. Анализ особенностей протекания гидрологических процессов в бассейне Волги выполнен по агрегированным показателям, отображающим условия формирования поверхностных вод на 11 крупных частных водосборах, т. е. по показателям суммарного стока с этих водосборов. Характер колебаний годовых значений боковой приточности к каждому из рассматриваемых водохранилищ оценен по данным наблюдений за период 1914-2004 гг.
Волга, бассейн, водохранилище, боковой приток, временная изменчивость, пространственная изменчивость, связанность характеристик притока.
There is given an estimation of spatial and time changeability of the lateral inflow to water basins of the Volga — Kama cascade. The analysis of peculiarities of the hydrological processes behavior in the Volga basin is fulfilled according to the aggregated indicators which reflect the conditions of surface water formation on 11 large private water collecting basins i.e. in accordance with the indicators of the total drainage from these water basins. The character of fluctuations of annual values of the lateral inflow to each of the considered water basins is analyzed according to the observation data for the period of 1914 — 2004.
The Volga, basin, water basins, lateral inflow, time changeability, spatial changeability, coherence of inflow characteristics.
Оценка пространственной и временной изменчивости притока к водохранилищам Волжско-Камского каскада имеет большое практическое значение. Такая оценка необходима для выработки эффективных правил управления режимом работы всей водохозяйственной системы волжского бассейна и отдельных ее элементов, т. е. региональных водохозяйственных комплексов.
Многолетние изменения притока. Многолетние изменения притока к водохранилищам Волжско-Камского каскада оценивали по данным годовых значений боковой приточности за период 1914-2004 гг. Эти данные, отображающие общие условия формирова-
*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 07-05-00121а).
ния стока на 11 частных водосборах волжского бассейна в последние несколько десятилетий, были получены в институте АО Гидропроект. Для Иваньковского и Камского водохранилищ, расположенных в вершинах Волжско-Камского каскада, при оценках учитывался ход годовых значений не бокового, а общего притока, включающего боковой приток в водохранилище и сосредоточенный не-зарегулированный приток в него по руслу реки из вышележащей части водосбора, находящейся выше выклинивания подпора воды в водохранилище.
При анализе многолетнего хода стока в бассейне Волги необходимо учитывать следующие моменты. До 1935 г. условия изменения стока в пределах всего волжского бассейна определялись
природными факторами, т. е. характером увлажнения территории, режимом испарения с ее поверхности и изменением влагозапасов в почвогрунтах. Начиная с 1935 г. на изменение водности Волги существенное влияние стала оказывать хозяйственная деятельность человека. В 30-70 гг. прошлого столетия в долинах рек Волги и Камы был сооружен Волжско-Камский каскад водохранилищ, осуществляющий сезонное регулирование речного стока, резко выросли заборы воды на хозяйственные нужды. В результате режим стока Волги и Камы был нарушен, гидрологические наблюдения на этих водных объектах не в полной мере стали отражать условия развития природных процессов. Что касается формирования бокового притока к участкам рек Волги и Камы, на которых были построены водохранилища, то этот процесс не претерпел особых изменений. Хозяйственная деятельность на частных водосборах если и повлияла на режим изменения бокового притока к созданным водохранилищам, то весьма незначительно. Поэтому данные по боковой приточности к водохранилищам Волжско-Камского каскада без особой корректировки могут использоваться в оценках.
Для оценки многолетних изменений притока к водохранилищам Волжско-Камского каскада по указанным выше данным были построены разностные интегральные кривые колебаний годовых значений бокового притока к водохранилищам Верхней Волги, Средней Волги и Камы. Анализ этих графиков показал следующее. В хронологическом изменении стока на частных водосборах бассейна Волги (в хронологическом изменении бокового притока к водохранилищам) отмечалось последовательное чередование периодов различной водности. Так, период от начала наблюдений до 1929 г. характеризовался повышенной водностью. С 1930 по 1977 гг. в волжском бассейне наблюдалось затяжное маловодье. В 1978-2004 гг. на реках бассейна вновь наступила фаза по-
вышенной водности.
Внутри выделенных периодов режим боковой приточности к участкам рек Волги и Камы также не отличается высокой устойчивостью. Он характеризуется чередованием группировок лет с повышенным, средним и пониженным стоком. Наиболее часто встречаются группировки, состоящие из двух и трех лет. Внутри этих группировок, как правило, и находятся годы с исключительно низкой и очень высокой водностью, или приточностью. Самыми маловодными за имеющийся период наблюдений были 1921, 1937 и 1975 гг., наиболее многоводными — 1926, 1990 и 1994 гг. Как следует из материалов наблюдений, значительно реже встречаются затяжные группировки с повышенным и пониженным сроком, включающие 5 лет и более. Среди этих группировок особо выделяется очень глубокое маловодье 1930-1945 гг., захватившее большую часть бассейна Волги. Исключительно высокая водность периода 1957-1970 гг., проявляющаяся в боковой приточности к Воткин-скому водохранилищу, в других частях бассейна Камы не была зафиксирована. Такое положение обусловливается не совсем точными расчетами бокового притока к Воткинскому водохранилищу в указанный период. Несколько отличается от других кривых изменения стока хронологический ход бокового притока к Волгоградскому водохранилищу. Это водохранилище находится в самой южной части бассейна Волги. Здесь, скорее всего, происходит некоторое изменение условий формирования поверхностных вод за счет проявления фактора недостаточности увлажнения территории.
В целом можно сказать, что хронологический ход боковой приточности к водохранилищам Волжско-Камского каскада не является строго синхронным, но имеет много общих черт — совпадений экстремальных лет и точек перегиба на интегральных кривых многолетнего изменения стока.
Анализ статистической структуры рядов годового бокового притока к водохранилищам Волжско-Камского каскада также указывает на подобие характера протекания гидрологических
хранилищам Волжско-Камского каскада включает:
оценку изменений абсолютных величин притока при переходе от одного водохранилища к другому;
оценку степени синхронности колебаний стока на частных водосборах бассейна Волги (оценку корреляции процессов притока к последовательно расположенным водохранилищам).
Общий характер изменения абсолютных величин бокового притока к водохранилищам при совместном рассмотрении последних может быть выявлен по средним показателям приточ-ности (см. табл. 1). Из таблицы видно, что наибольшие объемы годового притока поступают в Чебоксарское, Камское и Куйбышевское водохранилища и составляют соответственно 60,0, 54,0 и 41,8 км3. Самый низкий приток формируется на частных водосборах Волгоградского, Воткинского и Угличского водохранилищ. Он равняется 2,95, 3,45 и 3,74 км3 в год соответственно.
Для общей оценки пространственных изменений (синхронных колебаний) годового стока в пределах бассейна Волги были составлены таблицы, характеризующие время наступления
процессов в различных частях бассейна Волги (табл. 1).
Пространственные изменения притока. Оценка пространственных изменений бокового притока к водо-
экстремумов в процессе формирования боковой приточности к водохранилищам. В качестве таких экстремумов рассматривали пять наиболее низких значений притока за период 19142004 гг. и пять наиболее высоких значений притока (табл. 2, 3). Далее анализировали частоту совпадений этих экстремумов в рядах приточности к разным водохранилищам. Анализ показал следующее.
Исключительно низкая и исключительно высокая боковая приточность к различным водохранилищам часто формируется в одни и те же годы. Так, очень маловодный 1921 г. был зафиксирован сразу на 7 частных водосборах, очень маловодный 1937 г. — на 6 частных водосборах и очень маловодный 1975 г. — тоже на 6 частных водосборах. В свою очередь, очень многоводный 1990 г. проявлялся на 6 частных водосборах, очень многоводный 1994 г. — на 5 частных водосборах и очень многоводный 1926 г. — на 4 частных водосборах. Все это указывает на то, что в бассейне Волги зонами формирования очень низкого и очень высокого стоков обычно охватываются достаточно обширные территории.
Таблица 1
Статистические параметры рядов годового бокового притока к водохранилищам Волжско-Камского каскада
Водохранилище Средний годовой приток, км3 Коэффициент вариации Коэффициент асимметрии Коэффициент автокорелляции
Иваньковское 8,66 0,26 0.0 0,38
Угличское 3,74 0,32 0,6 0,39
Рыбинское 20,7 0,27 0,3 0,36
Горьковское 19,1 0,28 0,5 0,47
Чебоксарское 60,0 0,23 0,4 0,33
Куйбышевское 41,8 0,25 0,8 0,54
Саратовское 7,28 0,47 0,8 0,62
Волгоградское 2,95 0,65 0,9 0,17
Камское 54,0 0,20 0,0 0,40
Боткинское 3,45 0,50 0,7 0,50
Нижнекамское 36,8 0,29 0,8 0,49
Таблица 2
Наиболее низкие годовые значения бокового притока к водохранилищам
Волжско-Камского каскада
Водохранилище Значение притока, км3 (верхняя строка) Год наблюдений (нижняя строка)
Иваньковское 3,31 1921 4,45 1964 4,57 1996 4,67 1939 4,83 1963
Угличское 1,23 1921 1,47 2002 1,59 1975 1,79 1972 1,93 1964
Рыбинское 9,39 2002 9,84 1972 10,4 1973 10,4 1975 10,8 1921
Горьковское 7,52 1937 9,57 1921 9,98 1938 10,1 1975 10,6 1960
Чебоксарское 31,8 1921 36,8 1975 37,4 1949 38,1 1937 40,9 1939
Куйбышевское 20,9 1937 21,4 1921 22,0 1934 22,4 1936 23,1 1975
Саратовское 1,65 1933 1,84 1935 2,63 1944 2,73 1921 2,77 1937
Волгоградское 0,50 1935 0,53 1933 0,57 1925 0,60 1939 0,61 1984
Камское 30,0 1938 32,2 1936 35,8 1920 35,9 1937 36,3 1954
Боткинское 0,36 1952 0,59 1937 0,67 1954 0,68 1949 0,90 1950
Нижнекамское 18,3 1935 19,4 1967 20,6 1975 21,9 1936 22,8 1955
Таблица 3
Наиболее высокие годовые значения бокового притока к водохранилищам
Волжско-Камского каскада
Водохранилище Значение притока, км3 (верхняя строка) Год наблюдений (нижняя строка)
Иваньковское 14,3 1990 13,2 1953 12,6 1916 12,2 1962 12,2 1998
Угличское 8,16 1990 7,50 1989 5,78 1916 5,61 1994 5,56 1915
Рыбинское 37,3 1916 34,1 1935 32,1 1955 32,0 1928 30,8 1923
Горьковское 36,0 1990 32,4 1952 30,5 1986 30,2 1953 28,7 1998
Чебоксарское 98,1 1979 94,0 1980 90,9 1926 90,8 1994 87,3 1978
Куйбышевское 83,1 1991 79,0 1990 57,3 1994 57,2 1926 55,5 1957
Саратовское 17,8 1994 15,7 1990 15,0 1989 14,5 1992 14,5 1991
Волгоградское 7,85 1932 7,63 1917 7,62 1995 7,48 1957 6,87 1922
Камское 79,1 1994 75,7 1926 7,39 1914 73,4 1986 72,9 1990
Боткинское 8,41 1966 8,28 1970 7,38 1961 7,11 1968 6,98 1965
Нижнекамское 74,8 1926 60,7 1927 60,5 1946 58,7 1979 55,6 1914
Далее оценка степени синхронности колебаний годового стока в бассейне Волги осуществлялась на основе рассмотрения степени связанности не отдельных экстремальных величин притока, а всей совокупности членов
рядов боковой приточности к водохранилищам, т. е. на основе использования корреляционного анализа. Для этих целей была составлена корреляционная матрица годовых значений бокового притока к водохранилищам
Волжско-Камского каскада. Данная матрица представлена в табл. 4.
Как следует из приведенной таблицы, ряды годового стока, формиру-
дах стока соседних водосборов, коэффициент корреляции между ними составляет 0,60...0,80. По мере удаления частных водосборов друг от друга корреляция в рядах годового стока постепенно снижается и между характеристиками наиболее удаленных водосборов падает — значение коэффициента корреляции составляет 0,20.0,10. Следовательно, условия формирования поверхностных вод в бассейне Волги не остаются всюду одинаковыми, а претерпевают определенные изменения. Такие изме-
ющегося на частных водосборах бассейна Волги, повсеместно имеют положительную корреляцию. Наибольшая связанность членов проявляется в ря-
нения вызываются сменой климатических условий на обширных пространствах данного бассейна.
Материалы поступили в редакцию 28.03.2008.
Иванов Евгений Григорьевич, канд. географ. наук, ст. науч. сотрудник
Тел. 8(499)135-04-0
E-mail: sentsova@yandex.ru
Исмайылов Габил Худуш оглы, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой гидрологии, метеорологии и регулирования стока Тел. 8 (495) 976-23-68 E-mail: Ism37@ mail.ru
Таблица 4
Корреляционная матрица годовых значений бокового притока к водохранилищам Волжско-Камского каскада
Водохранилище Иваньковское Угличское Рыбинское Горьковское Чебоксар -ское Куй-бы-шев-ское Саратовское Вол-го-градское Камское Боткинское Никамское
Иваньковское 1,00 0,79 0,60 0,66 0,60 0,50 0,34 0,06 0,25 0,05 0,20
Угличское 0,79 1,00 0,61 0,71 0,53 0,52 0,44 0,14 0,28 0,02 0,20
Рыбинское 0,60 0,61 1,00 0,58 0,41 0,31 0,15 0,17 0,25 0,07 0,16
Горьковское 0,66 0,71 0,58 1,00 0,56 0,61 0,42 0,05 0,47 0,07 0,27
Чебоксарское 0,60 0,53 0,41 0,56 1,00 0,59 0,50 0,29 0,40 0,24 0,49
Куйбышевское 0,50 0,52 0,31 0,61 0,59 1,00 0,68 0,11 0,67 0,42 0,57
Саратовское 0,34 0,44 0,15 0,42 0,50 0,68 1,00 0,45 0,42 0,24 0,59
Волгоградское 0,06 0,14 0,17 0,05 0,29 0,11 0,45 1,00 0,02 0,09 0,34
Камское 0,25 0,28 0,25 0,47 0,40 0,67 0,42 0,02 1,00 0,34 0,66
Боткинское 0,05 0,02 0,07 0,07 0,24 0,42 0,24 0,09 0,34 1,00 0,35
Нижнекамское 0,20 0,20 0,16 0,27 0,49 0,57 0,59 0,34 0,66 0,35 1,00
