CC BY
134
УДК 556.16
СОВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЯ СТОКА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ РЕК КУРСКОЙ ОБЛАСТИ
© 2012 А. В. Апухтин1, М. В. Кумани2
1 аспирант каф. физ. географии и геоэкологии e-mail: apukhtin87@gmail.com 2докт. с.-х. наук, профессор каф. физ. географии и геоэкологии e-mail: kumanim@sovtest.ru
Курский государственный университет
В статье рассматриваются современные процессы изменения слоя весеннего стока, характерные для бассейнов рек Курской области. Описаны механизмы взаимодействия разнообразных гидрометеорологических факторов, приводящих к редукции слоя стока.
Даны качественные и количественные характеристики наблюдаемых изменений.
Ключевые слова: слой стока, климатические изменения, интегральные кривые, относительное изменение стока.
В настоящее время на формирование весеннего стока оказывают влияние множество естественных и антропогенных факторов. Некоторые из них проявились достаточно давно и продолжают свое воздействие и сейчас, некоторые возникли, либо их влияние значительно усилилось, сравнительно недавно. Учет и характеристика факторов, вносящих в настоящее время значительные коррективы в процессы формирования стока весеннего половодья необходимы в связи с вновь возрастающим интересом к проблеме паводковых явлений и потребностью в гидрологических прогнозах элементов весеннего половодья.
Таким образом, целью данной работы является изучение современной динамики изменения слоя стока весеннего половодья рек Курской области. Соответственно поставленной цели определены следующие задачи:
• выявить доминирующие факторы в изменении слоя стока весеннего половодья, характерные для настоящего времени;
• описать механизм происходящих изменений;
• дать количественную оценку наблюдаемым изменениям.
Для проведения работы использовались следующие данные:
1. многолетние ряды наблюдений по гидрологическим постам Курской (10 гидрологических постов в пределах области) и Брянской областей (гидрологический пост р. Навля у пос. Навля), предоставленные Курским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями (КЦГМС-Р);
2. многолетние метеорологические и агрометеорологические наблюдения по метеостанциям, расположенным в пределах исследуемой территории, полученные из КЦГМС-Р и системы «Аисори - Удаленный доступ к ЯОД-архивам», разработанной ГУ ВНИИГМИ МЦД Росгидромета - web-технологии, обеспечивающей удаленный доступ к архивам метеоинформации.
Методика исследования включала обобщение и статистический анализ данных гидрологических и метеорологических наблюдений. В виду наличия длительных рядов наблюдений, становится возможным исследовать свойства временных рядов и зависимости стока от стокоформирующих факторов, применяя графические и
графоаналитические методы.
Графически отобразить колебания интересующих величин возможно, если
применять разностную интегральную кривую (РИК). Как правило, РИК строятся в
относительных величинах - модульных коэффициентах, определяемых по формуле
КІ = М^, (1)
М ’ ^
ср
где М; - значение исследуемого ряда в і-году наблюдений; Мср - среднее многолетнее значение характеристики за весь период наблюдений.
Текущие ординаты РИК на конец і-года от начала кривой определяются путем последовательного суммирования отклонений модульных коэффициентов К{.
-1)=/ (г) (2)
1
Таким образом, разностная интегральная кривая представляет собой нарастающую сумму отклонений модульных коэффициентов от среднемноголетнего значения ряда для каждого М; года.
Наклон разностной интегральной кривой вверх относительно горизонтальной линии обусловлен положительными значениями отклонений модульных коэффициентов, наклон кривой вниз - отрицательными.
Также для графического представления многолетних гидрологических данных широко используется построение графика связи ординат интегральных кривых (прием двойных интегральных кривых - ДИК), отображающих связи между двумя последовательно суммированными величинами: многолетних рядов наблюдения за стоком исследуемого объекта со стоком рек аналогов или элементом водного баланса.
Ординаты интегральных кривых величин х и у определяются так:
^ (х) = ¿х и ^ (у) = ¿у. (3)
г=1 г=1
Затем строится график связи Б^х) и Б^у).
При рассмотрении в качестве контрольной величины времени, ДИК будет выражена в форме графика:
£у = f (Т), (4)
1
п
Т У у й
где I - годы; - последовательные суммы значений стока или
1
метеорологических характеристик.
По данному графику в первом приближении устанавливают начало и степень изучаемых изменений.
Относительное изменение стока определяется по уравнению
Кн = г%а / 1%ах, (5)
где Кн - среднее за период изменение исследуемой величины; а и а 1 - углы наклона интегральной кривой для периодов до и после начала воздействия.
Более подробно используемые методы и подходы были описаны ранее (см., например: [Методические рекомендации... 1986] и [Рождественский, Чеботарев 1974]).
В течение XX века процесс формирования стока весеннего половодья претерпевал множество изменений. В различные моменты времени начинали действовать разнообразные факторы, так или иначе влияющие на сложные взаимосвязанные процессы, результатом которых является формирование весеннего стока.
Отмечается ряд изменений в формировании стока малых рек Центрального Черноземья, связанные в первую очередь с хозяйственной деятельностью человека. В этот период изменяется структура сельскохозяйственного производства, способы и приемы вспашки, виды и количество вносимых удобрений, сменяются выращиваемые культуры, начинает применяться тяжелая сельскохозяйственная техника, проводятся агротехнические мероприятия и полезащитное лесоразведение, выполняются комплексы лесозащитных мероприятий, интенсивно строятся пруды и водохранилища [Кумани 2003]. Многие из перечисленных факторов воздействия возникали повсеместно и практически синхронно, при этом они оказывают разнонаправленное влияние на процессы формирования весеннего стока, что значительно осложняет их учет и выявление значимости каждого фактора в происходящих изменениях гидрологического режима рек.
В последние десятилетия наблюдается значительное снижение величины слоя стока весеннего половодья. Рассмотрим изменения основных гидрометеорологических величин, влияющих на формирование слоя стока весеннего половодья, используя разностные интегральные кривые (рис.1).
Рис. 1. Разностные интегральные кривые слоя стока весеннего половодья по гидрологическому посту р. Тускарь у г. Курск и некоторых метеорологических величин (по метеостанции Курск); Обозначения: 1 - слой стока за период половодья (У); 2 - среднемесячная температура зимних месяцев; 3 - сумма запасов воды в снеге и осадков за период половодья
Как следует из анализа рисунка, сумма запасов воды в снеге и осадков за период
половодья за весь период наблюдений оставалась в некотором диапазоне отклонений от среднего значения. Напротив, значения слоя стока и среднемесячной температуры зимних месяцев претерпевали значительные колебания. Так, до 1950-1955 гг. происходило нарастание исследуемой величины весеннего стока, в период 1955-1985гг. значения были близки к норме, а после 1985-1990 гг. происходило резкое снижение. Периоды нарастания и спада модульных коэффициентов слоя стока и средней температуры зимних месяцев практически синхронны.
Рассмотрим сумму запасов воды в снеге и осадков за период половодья (Б+х) более подробно. Данная величина складывается из максимального запаса воды в снеге и ледяной корке (Бтах+Бл.к.) и осадков (х). В свою очередь осадки можно разделить на несколько хронологических групп: от момента наступления (Бтах) до начала таяния (х1); от момента начала таяния до схода снежного покрова в бассейне (х2) и от момента схода снежного покрова до окончания половодья (х3). При рассмотрении разностной интегральной кривой данных величин (рис. 2) отмечается, что начиная с 1995-1998 гг. уменьшается запас воды в снеге и ледяной корке.
Рис. 2. Разностные интегральные кривые запасов воды в снеге и ледяной корке и осадков различных периодов паводка: Бтах - максимальный запас воды в снеге и ледяной корке; х1 - от момента наступления Бтах до начала таяния; х2 - от момента начала таяния до схода снежного покрова в бассейне; х3 - от момента схода снежного покрова до окончания половодья
Эти запасы составляют более 75% всей величины Б+х. Напротив, отмечается отклонение количества осадков от среднего значения в сторону увеличения, что особенно характерно для периодов х3 и х1. Но если осадки периода х1 практически полностью участвуют в формировании величины слоя стока весеннего половодья, то осадки, выпадающие после момента схода снежного покрова (составляющие в среднем около 10-15% от величины Б+х), участвуют в этом процессе частично. Часть поступившей влаги задерживается формами микрорельефа, часть испаряется, часть расходуется на дополнительное увлажнение почвы. Особенно сильно этот процесс проявляется при слабопромерзших и талых почвах. То есть, можно говорить о том, что в настоящее время снижается количество воды, эффективно участвующей в формировании величины слоя стока.
Из разностной интегральной кривой основных гидрометеорологических
характеристик, влияющих на формирование потерь талых вод за период половодья (рис. 3), следует, что предвесеннее увлажнение почв начиная с 1994-1997 гг, увеличилось и в настоящее время относительно стабильно, а глубина промерзания почвы с 1997 г уменьшается. При этом высота снежного покрова с 1997-2000 гг. отклоняется от средних значений в сторону уменьшения.
&
о
С~|
о
С~|
Рис. 3. Разностные интегральные кривые основных гидрометеорологических характеристик, влияющих на формирование потерь талых вод за период половодья
Обозначения: 1 - предвесеннее увлажнение почвы; 2 - глубина промерзания почвы; 3 - высота снежного покрова
Из вышесказанного следует, что отмечаемые повышения среднемесячных температур воздуха в зимний период формируют меньшее промерзание почвы, а из-за частых оттепелей происходит дополнительное увлажнение почвогрунтов, приближая их значения к наименьшей полевой влагоемкости (НВ). При талых и слабопромерзших почвах, увлажненных до уровня НВ, потери воды на увлажнение отсутствуют и вся профильтровавшаяся вода поступает в нижние горизонты зоны аэрации и на пополнение запасов грунтовых вод [Евстигнеев 1990]. Следовательно, наблюдаемая в настоящее время тенденция к уменьшению величины слоя стока за период половодья относительно среднемноголетних значений может быть обусловлена в первую очередь изменением в температурном режиме холодного периода.
Одним из наиболее весомых антропогенных факторов может являться снижение степени распаханности водосборов, что влечет за собой увеличение слоя весеннего стока. Основываясь на «Методических рекомендациях...», вычислим возможное изменение весеннего стока, связанное со снижением степени распаханности водосбора:
±Ау = Ауп (^ - /п) /100 , (6)
где АУ„ - возможное уменьшение слоя весеннего стока при полной
распаханности водосбора;
Бп - средняя распаханность водосборов в пределах исследуемого района на период построения карты изолиний слоя весеннего стока, % (определяется по
приложениям «Методических рекомендаций...»);
Гп - фактическая распаханность водосбора, %.
Учитывая, что средняя распаханность водосборов в период с 1990 по настоящее время уменьшилась на 10-15%, а &уп на различных участках в зависимости от уклона склонов и уровня грунтовых вод может принимать значения от 9 до 16 мм , получаем приблизительное увеличение слоя стока на 1-2 мм. Из этого следует, что антропогенные факторы в наблюдаемом процессе редукции слоя стока играют второстепенную роль.
Для подтверждения сделанных предположений был произведен анализ двойной интегральной кривой слоя стока весеннего половодья рек Тускарь у г. Курск и Навля у пос. Навля (рис. 4). Выбор в качестве реки-аналога р. Навля обусловлен меньшей антропогенной преобразованностью ландшафтов бассейна и большей залесенность, при этом климатические показатели синхронны для двух бассейнов.
Как следует из рисунка, на ДИК наблюдается несколько переломов. Первые отражают наклон оси ДИК к оси абсцисс, на которой отмечены последовательно суммированные значения слоя весеннего стока для реки Навля у пос. Навля, что говорит об относительном уменьшении значения слоя стока бассейна р. Тускарь, связанного с интенсивными антропогенными преобразованиями данной территории. Вторая группа переломов ДИК отмечается в 1997 и 2003 гг. При этом наблюдается отклонение кривой сначала к оси абсцисс, а затем к оси ординат, до значений угла а, приближенно равных углу а 1 до начала отмечаемых переломов. Из этого следует, что оба рассматриваемых бассейна испытывали воздействия, сходные по генезису и приближенно равные по интенсивности, но различные по времени наступления.
Это подтверждает анализ разностных интегральных кривых слоя стока весеннего половодья р. Навля пос. Навля и средних температур зимнего периода по метеостанции Брянск (рис. 5).
При общем повышении средних температур в зимние месяцы, наблюдаемых с 1993-1995 гг. по метеостанции Брянск, слой стока отклоняется от средних значений лишь в 2003 г. Разница во времени наступления изменений слоя стока за период половодья для двух объектов объясняется более низкими температурами воздуха и большей залесенностью, характерными для бассейна р. Навля.
Таким образом, можно утверждать, что наблюдаемое в настоящее время снижение слоя весеннего стока на исследуемых бассейнах связано в основном с климатическими изменениями, и в первую очередь с общим повышением температурного фона, учащением оттепелей и изменением во временном распределении осадков. При этом отмечаются и антропогенные изменения, однако они носят второстепенный характер и их влияние на величину слоя стока меньше, нежели климатических факторов.
Определим относительное изменение стока, вызванное описанными факторами, используя прием двойных интегральных кривых.
По ДИК, на которой по оси значений указаны нарастающие суммы слоя стока весеннего половодья, а по оси категорий - года (рис 6), определим общее изменение исследуемой величины.
л
а
я
а
и
Н
?
н
ся
ся
ся
ся
ся
ся
о
о
Рис. 6. Двойная интегральная кривая слоя стока весеннего половодья р. Тускарь у г.Курска
Определяем углы наклона оси ДИК: а1= 29°, а=21°.
Кнобщ.= tg (21°) / tg (29°) = 0,55/0,38=0,69.
Таким образом, общее относительное снижение средней величины слоя стока по гидрологическому посту р. Тускарь у г. Курск за исследуемый период составляет около 30%.
Определим относительное изменение средней величины слоя стока, обусловленное действием выделенных ранее климатических факторов. По ДИК слоя стока за период половодья и суммы запасов воды в снеге и осадков от начала снеготаяния до момента схода снега (Б+х1+х2) оцениваются нарушения, связанные с изменением температурного фона (рис. 7), а по ДИК слоя стока за период половодья и средних зимних температур - нарушения связанные с изменением количества воды, участвующей в формировании слоя стока (рис. 8).
Примем, что Кн 5+х - среднее за период изменение слоя стока половодья, связанное с Б+х; Кн т.ф. - среднее за период изменение слоя стока половодья, обусловленное повышением температурного фона.
Определим Кн т.ф., обусловленный повышением температурного фона. При а 1=31° и а =24°
Кн т.ф. = (24°)/(31°) = 0,45/0,60=0,75.
Соответственно, исходя из данных, представленных на рисунке 8, определим Кн £+х, обусловленный изменением осадков. При а 1=23,5° и а =22,5°,
Кн 8+х = Щ (22,5°)/ г% (23,5°) = 0,41/0,43=0,95.
Определим общее изменение за исследуемый период по формуле
Кн
общ
Кн ¡+х х Кн т.ф,
где Кн общ - общее среднее за период изменение исследуемой величины.
Кн общ =0,95х 0,75=0,715.
Также определим общее среднее изменение по ДИК слоя стока половодья (У) по гидропостам р. Тускарь г. Курск и р. Навля пос. Навля (рис. 4).
Кн общ = = гщ (15,5°)/гщ (22°) = 0,28/0,40=0,70.
Таким образом, коэффициент Кн общ, определенный по ДИК слоя стока половодья (У) р. Тускарь у г. Курск и р. Навля у пос. Навля и частным ДИК, приблизительно равен, что может свидетельствовать о верности расчетов.
Аналогично были рассчитаны значения Кн для гидропостов, расположенных в пределах Курской области. Результаты расчета представлены в таблице.
Расчетные значения среднего относительного изменения слоя стока
Гидрологический пост Кн $+х Кн т.ф Кн обш
Снова-Щурово 0.964 0.784 0.756
Тускарь-Свобода 0.892 0.850 0.758
Тускарь-Курск 0.953 0.750 0.715
Рать-Беседино 0.717 0.762 0.546
Сейм-Зуевка 0.961 0.720 0.692
Сейм-Лебяжье 0.929 0.800 0.743
Сейм-Рышково 0.957 0.844 0.809
Сейм-Рыльск 0.964 0.925 0.891
Свапа-Старый город 0.918 0.750 0.688
Реут-Любицкая 0.922 0.756 0.697
Наблюдающееся в настоящее время уменьшение слоя стока за период половодья вызван преимущественно климатическими факторами. При этом наибольшее значение коэффициента, характеризующего относительное изменение слоя стока, соотносится с общим повышением температурного фона и учащением оттепелей. В связи с этим слой стока рек сократился в среднем на 15-25%. Уменьшение слоя стока весеннего половодья, вызванное сокращением количества воды, поступающей на поверхность бассейна, составило около 4-10%.
При этом остается открытым вопрос о степени влияния современных изменений в хозяйственной деятельности на процессы формирования слоя стока весеннего половодья в пределах исследуемой территории. В настоящее время данные изменения оказывают гораздо меньшее влияние на общую редукцию слоя стока половодья, перекрываясь более интенсивными процессами климатических изменений. Но при этом нельзя ими пренебрегать, рассматривая как незначительные.
Библиографический список
Евстигнеев В. М. Речной сток и гидрологические расчеты. М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 1990.
Кумани М. В. Способы регулирования почвенно-эрозионных процессов и гидрологического режима агроландшафтов Центрально-черноземной зоны: автореф. дисс. ... докт. с/х наук. Курск, 2003.
Методические рекомендации по учету хозяйственной деятельности на сток малых рек при гидрологических расчетах для водохозяйственного проектирования. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.
Рождественский А. В., Чеботарев А. И. Статистические методы в гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.
