CC BY
26
УДК 556.044:556.078
DOI: 10.24411/1728-323X-2020-14043
РОЛЬ СИНХРОННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В МОНИТОРИНГЕ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ПРИМЕРЕ БАССЕЙНА РЕКИ МАЙМА, ГОРНЫЙ АЛТАЙ
В. В. Зуев, чл.-корр. РАН, д. ф.-м. н., проф., г. н. с.,
Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (ИМКЭС СО РАН), vzuev@list.iu, Томск, Россия,
Н. Е. Зуева, к. ф.-м. н, с. н. с., Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (ИМКЭС СО РАЛ), n11.zueva@yandex.ru, Томск, Россия, В. А. Уйманова, м. н. с., Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (ИМКЭС СО РАН), skvaler-i91@mail.ru, Томск, Россия
Дополнительные наблюдения на водосборных бассейнах с высокой паводковой опасностью позволяют заблаговременно предупредить о возможном развитии чрезвычайной ситуации, а также принять меры для уменьшения ущерба региону. В связи с этим в бассейне р. Маймы была установлена система автономного мониторинга состояния окружающей среды, разработанная в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, получившая название Автономный комплекс «Майма». На основе синхронных наблюдений в нескольких точках водосбора он позволяет осуществлять непрерывный дистанционный мониторинг гидрометеорологической ситуации в реальном времени с любой заданной периодичностью измерений в любой заданной точке водосбора и моментально проводить ее оценку. В данной статье показано, как проходило половодье 2016 года и каковы различия внутригодовой динамики измеряемых параметров в двух пунктах наблюдений, расположенных на территории бассейна реки всего в 30 км друг от друга. Также затронута проблема пропускной способности почвы и грунтов во взаимодействии с метеорологическими характеристиками в период весеннего половодья. Выявлено, что синхронные наблюдения в нескольких точках водосбора позволяют уменьшить ущерб от чрезвычайной ситуации гидрологического характера в бассейне реки.
Multipoint observations in the catchment basins of the rivers with a high flood hazard are intended to obtain early warning of a possible emergency situation, as well as to take appropriate actions for reducing damage. In this regard, an autonomous system for monitoring the environment state was installed in the basin of the Mayma River. This system, called the Autonomous Complex "Mayma", was developed in the Institute of Monitoring of Climatical and Ecological Systems of the SB RAS (IMCES SB RAS). Due to the synchronous observations at several points in the catchment area, it provides continuous real-time remote monitoring of the hydrological situation with any required measurement period at any point of the catchment area, allowing instant assess of the situation. The differences in the in-tra-annual dynamics of the measured parameters at two observation points located in the territory of the river basin only 30 km from each other, are described in the case study of 2016 spring flood, as well as the problem of the soil infiltration capacity in interaction with meteorological characteristics. The synchronous observations at several points of the catchment area can reduce the damage from a hydrological emergency in the river basin.
Ключевые слова: р. Майма, Горный Алтай, водный режим, мониторинг, «наукастинг», автономный измерительный комплекс.
Keywords: the Mayma River, the Altai Mountains, water regime, monitoring, nowcasting, autonomous measurement system.
Введение. В настоящее время наблюдается рост числа чрезвычайных ситуаций, связанных с резким повышением уровня воды в реках, а прогнозируемое потепление климата ведет к учащению повторяемости таких бедствий в большинстве регионов России [2]. В таких неоднозначных гидрометеорологических условиях важно иметь оперативный мониторинг обстановки и территории, подверженной риску подтопления. То есть на водосборных бассейнах с потенциально высокой паводковой опасностью [11] необходимо создание сети станций и постов для проведения планомерных гидрометеорологических исследований [9]. Организация дополнительной сети оперативного мониторинга состояния окружающей среды позволяет предсказать развитие чрезвычайной ситуации и своевременно принять меры по уменьшению ущерба региону.
Наибольшее увеличение повторяемости и продолжительности опасных наводнений вследствие современных климатических изменений приходится на территорию Алтайских гор [2]. Прогнозные оценки высоты возможных дождевых паводков и потенциальной опасности затопления населенных пунктов показали, что областью наиболее высокой паводковой опасности является Майминский район, на территории которого расположен водосборный бассейн реки Маймы. Для контроля гидрометеорологической обстановки в бассейне р. Маймы была установлена система автономного мониторинга состояния окружающей среды, разработанная в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (ИМКЭС СО РАН) [6]. Система, получившая название Автономный комплекс «Майма» (АК
«Майма»), расположена в нескольких точках по течению р. Маймы, и представляет собой автоматизированный измерительный комплекс, собирающий и передающий гидрометеорологическую информацию на сервер ИМКЭС СО РАН в реальном времени [4]. Установлен он с середины 2015 года и позволяет дистанционно контролировать гидрометеорологические изменения, оперативно получая информацию со всей территории водосборного бассейна в любое время года, а также дает возможность анализировать данные «онлайн». На сегодняшний день АК «Майма» является достаточно доступной в финансовом плане системой наблюдения, в отличие от приборного обеспечения Росгидромета.
Методика исследований. Майма — река на севере Республики Алтай, правый приток Катуни. Протекает на территории одноименного Май-минского района. Длина реки 57 км, площадь водосборного бассейна 780 км2. По типу водного режима р. Майма относится к рекам с весенним половодьем и летними паводками. Около 45 % стока приходится на весну, 30 % — на лето [10]. Одним из факторов выбора данной территории является то, что бассейн р. Маймы основательно обеспечен гидрометеорологической информацией в многолетнем периоде, то есть имеется большой ряд наблюдений. Бассейн имеет и замыкающий створ (гидрологический пост в с. Майма) и длительно функционирующую метеостанцию (с. Кызыл-Озек). В низовьях р. Маймы также расположены столица Республики Алтай, г. Горно-Алтайск и самое большое село России — с. Майма, которым был нанесен значительный ущерб в конце мая 2014 года. Также выбор данной территории обусловлен тем, что бассейн р. Майма характеризуется относительным единством условий формирования стока с точки зрения геоморфологической и высотно-поясной организации и является перспективным модельным объектом для ландшафтно-гидрологических исследований в условиях дефицита гидрометеорологической информации, репрезентативным для всего Алтая [3].
Для исследования использовались данные по метеостанции в с. Кызыл-Озек [1], по гидрологическому посту в с. Майма [7] и уникальные данные с АК «Майма». Измерительные приборы АК установлены в трех точках по течению Маймы, начиная от ее истока: в с. Урлу-Аспак, пос. Филиал и окрестностях с. Кызыл-Озек. В число измеряемых параметров входят: высота снежного покрова, атмосферное давление, влажность и температура воздуха, количество осадков, температура почвы в метровом слое, уровень и температура воды, количество солнечной радиации,
скорость и направление ветра. Информация с АК «Майма» регистрируется и передается на сервер ИМКЭС СО РАН каждые 15 минут [4].
Результаты и их обсуждение. В работах [5, 12] было достоверно установлено, что гидрометеорологическая информация, получаемая с автономного комплекса (АК) «Майма», является репрезентативной и соответствует официальным данным Росгидромета. Чтобы определить основные факторы, при которых в бассейне р. Майма во время половодья возможно развитие экстремальных ситуаций, были проанализированы данные измерений уровня воды, температуры воздуха, температуры почвы на глубине, жидких осадков, высоты снежного покрова по АК «Майма» в совокупности с данными Росгидромета в 2016 г.
Важно проводить комплексные наблюдения в нескольких точках на территории всего водосбора. На рис. 1 представлена динамика высоты снежного покрова и температуры почвы в двух пунктах наблюдения: № 3 (с. Кызыл-Озек) и № 1 (с. Урлу-Аспак), которые располагаются на расстоянии 30 км друг от друга. Несмотря на небольшое расстояние между пунктами наблюдений, выявлены различия внутригодовой динамики высоты снежного покрова и промерзания почвы (рис. 1). Выше по течению в с. Урлу-Аспак высота снежного покрова больше в среднем на 5 см, в отдельные месяцы (февраль-март) на 10 см, чем в с. Кызыл-Озек. Промерзание почвы также имеет значительные различия — в среднем на 1 °С ниже в с. Кызыл-Озек, из чего следует, что оттаивание почвы в этом пункте началось позднее, нежели в с. Урлу-Аспак (рис. 1). Вся «лишняя» влага в период половодья, что не впиталась в почву выше по течению, склоновым стоком отправится в те места, где почва еще не успела оттаять и не имеет возможности впитывать. Переизбыток влаги в почве с запирающим мерзлым слоем и наличие дополнительных обильных жидких осадков могут спровоцировать образование ЧС в бассейне реки.
Детализировать развитие половодья позволяют данные, графически представленные на рис. 2. Из него видно, что подъем воды в реке осуществлялся в течение 13 суток. Жидкие осадки во время половодья были распределены неравномерно. Регулярное выпадение не более 10 мм/сут регистрировалось в пункте № 3 (с. Кызыл-Озек). Однако основным фактором, предопределившим формирование второго пика, стало выпадение жидких осадков 12—13 апреля. В этот период было зарегистрировано 24 и 22 мм жидких осадков соответственно. В Докладе Министерства природных ресурсов, экологии и имущественных от-
ношений Республики Алтай [8] период 12—14 апреля и половодье на малых реках по северу республики в это время отмечено как опасное гидрометеорологическое явление.
Первый пик паводка весной 2016 года начал формироваться через девять суток от начала периода активного снеготаяния (рис. 2). Кроме того, по данным АК «Майма», сход снега на исследу-
Температура почвы на глубине
--0 см
--10 см
Рис. 1. Динамика высоты снежного покрова и температуры почвы в двух пунктах наблюдения: № 3 (с. Кызыл-Озек) и № 1 (с. Урлу-Аспак)
Дата
Рис. 2. Комплексный график данных в пункте наблюдения № 3 (с. Кызыл-Озек) с 1 марта по 20 апреля 2016года: 1 — начало периода интенсивного снеготаяния; 2 — начало формирования первого пика половодья; 3 — дата перехода через 0 °С температуры верхнего слоя почвы; 4 — дата перехода через 0 °С температуры почвы на глубине 10 см
емой территории был неравномерным: в пункте наблюдения № 1 (с. Урлу-Аспак) он завершился на семь суток позднее, чем в пункте № 3 (с. Кы-зыл-Озек) (рис. 1). Дата начала половодья примерно 26 марта.
Поиск доминирующего фактора, определяющего возможность развития экстремальных ситуаций во время половодья, является актуальной задачей. Прежде всего, речь идет о сроках начала половодья относительно периода снеготаяния и интенсивности подъема уровня воды.
По данным измерений АК «Майма», степень осеннего увлажнения почвы на момент установления постоянного снежного покрова была достаточно высокой (влажность составляла около 43 %). В холодный период после установления постоянного снежного покрова динамика состояния почвы определялась совокупностью таких факторов, как температура воздуха и высота снежного покрова. Анализ полученных АК «Майма» данных выявил отличия внутригодовой динамики измеряемых параметров в двух пунктах наблюдений, расположенных на территории бассейна реки в 30 км друг от друга. В сезон 2015—2016 годов относительная теплая, с аномальными оттепелями зима, невысокий уровень снега, до 30 см, и низкие температуры января спровоцировали замерзание влажной почвы с образованием мерз-
лого слоя. Заморозки в марте закрепили промерзание с —0,2 до —1,3 °С (рис. 2), тем самым замедлив поступление новой влаги в почву. Отсутствие больших снегозапасов и большого количества жидких осадков не повлекло за собой образования ЧС в бассейне реки, а к моменту 12—14 апреля весь снежный покров сошел, почва оттаяла, при этом не успев насытиться влагой. Половодье 2016 года можно назвать достаточно спокойным и умеренным, о чем говорят наблюдения АК «Майма».
Заключение. Основным преимуществом АК «Майма» является осуществление непрерывного дистанционного мониторинга гидрометеорологической ситуации в реальном времени с любой заданной периодичностью измерений в любой точке водосбора, что значительно повышает степень объективности информации и позволяет предопределять развитие гидрометеорологической ситуации, в том числе в период половодья. Совмещая долговременный прогноз, мониторинг АК «Майма» и действующий прогноз погоды, можно заблаговременно предупредить о критическом подъеме уровня воды в бассейне р. Май-мы в период весеннего половодья на основе синхронных наблюдений в нескольких точках водосбора, что позволит уменьшить ущерб от ЧС в бассейне реки.
Библиографический список
1. Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации — Мировой центр данных (ВНИИГМИ-МЦД). URL: http://meteo.ru/data/162-temperature-precipitation (дата обращения 01.09.2020).
2. Второй оценочный доклад Росгидромета об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. — М.: ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН», 2014. — 1009 с.
3. Золотов Д. В., Лубенец Л. Ф., Черных Д. В. Ландшафтные факторы формирования стока в бассейне реки Майма (Северный и Северо-Восточный Алтай) // Мир науки, культуры и образования. — 2012. — Т. 33, № 2. — С. 360—369.
4. Зуев В. В., Кураков С. А., Уйманова В. А. Комплексный мониторинг погодно-климатического и гидрологического режима бассейна р. Майма (Горный Алтай): первые результаты // Ползуновский вестник. — 2017. — № 3. — С. 70—75.
5. Зуев В. В. Короткова Е. М., Уйманова В. А., Кураков С. А. Сравнительный анализ гидрометеорологических наблюдений Росгидромета и автономного измерительного комплекса «Майма» в бассейне р. Майма (Горный Алтай) // Водное хозяйство России. — 2018. — № 5. — С. 65—74.
6. Кураков С. А. Система автономного мониторинга состояния окружающей среды // Датчики и системы, 2012. — № 4. — С. 29—32.
7. Майма: Справочная информация для туристов-водников, каякеров, рыбаков. URL: http://aUrivers.info/river/mayma (дата обращения 15.07.2020).
8. Министерство природных ресурсов, экологии и имущественных отношений Республики Алтай: Доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Республики Алтай в 2016 году». URL: http://www.altai-republic.ru/society/ doklad_nature_2016.pdf (дата обращения 10.07.2020).
9. Природные комплексы Майминского района Республики Алтай: кол. моногр. / А. В. Шитов и др. — Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2006. — 200 с.
10. Пузанов А. В., Робертус Ю. В., Любимов Р. В., Кивацкая А. В. // Гидролого-гидрохимические аспекты поверхностного стока в бассейне р. Майма (Горный Алтай) // Проблемы региональной экологии. — 2015. — № 1. — С. 49—55.
11. Харламова Н. Ф., Плехова А. В. Факторы формирования чрезвычайных гидрологических ситуаций в бассейнах малых рек предгорно-низкогорной зоны Алтая // Ломоносовские чтения на Алтае: фундаментальные проблемы науки и образования. Барнаул, 20—24 октября 2015 г. — Барнаул, 2015. — С. 1407—1410.
12. Kiselev M. V., Voropay N. N., Dyukarev E. A., Kurakov S. A., Kurakova P. S., Makeev E. A. Automatic meteorological measuring systems for microclimate monitoring // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 2018. Vol. 190. P. 012031.
THE ROLE OF SYNCHRONOUS OBSERVATIONS IN THE HYDROLOGICAL REGIME MONITORING IN THE CASE STUDY OF THE MAYMA RIVER BASIN (THE ALTAI MOUNTAINS)
V. V. Zuev, Corresponding Member of the RAS, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Principal Researcher, Institute of Monitoring Climatic and Ecological Systems, SB RAS, vzuev@list.ru, Tomsk, Russia;
N. E. Zueva, Ph. D. in Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher, Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, SB RAS, n11.zueva@yandex.ru, Tomsk, Russia;
V. A. Uymanova, Junior Researcher, Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems, SB RAS, skvaleri91@mail.ru, Tomsk, Russia
References
1. All-Russian Research Institute of Hydrometeorological Information. World Data Center (RIHMI-WDC). URL: http://me-teo.ru/data/162-temperature-precipitation (01.09.2020) [in Russian].
2. The Rosgidromet second assessment report on the climate change and its consequences in the territory of the Russian Federation. Moscow, FSBI "IGCE of Roshydromet and the RAS", 2014. 1009 p. [in Russian].
3. Zolotov D. V., Lubenets L. F., Chernykh D. V. Landshaftnye faktory formirovaniia stoka v basseine r. Mayma (Severnyi i Severo-Vostochnyi Altai) [Landscape factors of the runoff formation in the Mayma River Basin (the North and North-East Altai]. Mir nauki, kul'tury, obrazovaniia. [The world of science, culture, education]. 2012. No. 2. P. 360—369 [in Russian].
4. Zuev V. V., Kurakov S. A., Uimanova V. A. Kompleksnyi monitoring pogodno-klimaticheskogo i gidrologicheskogo rezhima basseina r. Mayma (Gornyi Altai): pervye rezul'taty [Comprehensive monitoring of the climatic and hydrological regime of the Mayma River Basin (the Gorny Altai): first results]. Polzunovskii vestnik. [Polzunovsky Bulletin], 2017. No. 3. P. 70—75 [in Russian].
5. Zuev V. V., Korotkova E. M., Uimanova V. A., Kurakov S. A. Sravnitel'nyi analiz gidrometeorologicheskikh nabliudenii Ros-gidrometa i avtonomnogo izmeritel'nogo kompleksa "Mayma" v basseine r. Maima (Gorniy Altay) [Comparative analysis of hydro-meteorological observation of the Rosgidromet and "Mayma" autonomous measuring complex in the Mayma River Basin (the Gorniy Altay)]. Vodnoe khoziaistvo Rossii. [Water sector of Russia], 2018. No. 5. P. 65—74 [in Russian].
6. Kurakov S. A. Sistema avtonomnogo monitoringa sostoianiia okruzhaiushchei sredy [Environmental condition autonomous monitoring system] Datchiki i sistemy. [Sensors and systems], 2012. No. 4. P. 29—32 [in Russian].
7. All Rivers. Info. Mayma River. URL. https://allrivers.info/gauge/mayma-majma/ (date of access 15.07.2020) [in Russian].
8. Ministry of Natural Resources, Ecology and Property Relations of the Altai Republic. Report "On the state and protection of the environment in the Altai Republic in 2016". URL: http://www.altai-republic.ru/society/doklad_nature_2016.pdf (date of access 10.07.2020).
9. Shitov A. V. et al. Nature complexes in the Mayma District in the Republic of Altay: collective monograph. Gorno-Altaisk, RIO GAGU, 2006. 200 p. [in Russian].
10. Puzanov A. V. Robertus Yu. V., Lubimov R. V., Kivatskaya A. V. Gidrologo-gidrokhimicheskie aspekty poverkhnostnogo stoka v basseine r. Mayma (Gorniy Altay) [Hydrological and hydro-chemical aspects of surface runoff in the Maima River Basin (the Altai Republic)]. Problemy regional'noi ekologii. [Regional Environmental Issues]. 2015. No. 1. P. 49—55 [in Russian].
11. Kharlamova N. F., Plekhova A. V. Faktory formirovaniia chrezvychainykh gidrologicheskikh situatsii v basseinakh malykh rek predgorno-nizkogornoi zony Altaya [Factors of forming the extreme hydrological situations in the small river basins of the Altay submountain-lowmountain zone]. Lomonosovskie chteniya na Altae: fundamental'nyeproblemy nauki i obrazovaniia. [Lomonosov Readings in Altai: Fundamental Problems of Science and Education]. Barnaul, 2015. P. 1407—1410 [in Russian].
12. Kiselev M. V., Voropay N. N., Dyukarev E. A., Kurakov S. A., Kurakova P. S., Makeev E. A. Automatic meteorological measuring systems for microclimate monitoring. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2018. Vol. 190. P. 12—31.
