CC BY
15
УДК 556.512 + 911.6
УЧЕТ ЛАНДШАФТНОЙ СТРУКТУРЫ ВОДОСБОРОВ ПРИ ОЦЕНКЕ ВОДНОГО БАЛАНСА ВОДОПРИЕМНИКОВ (НА ПРИМЕРЕ БЕССТОЧНОЙ ОБЛАСТИ ОБЬ-ИРТЫШСКОГО МЕЖДУРЕЧЬЯ) Ю.М. Цимбалей, И.В. Андреева
Институт водных и экологических проблем СО РАН, E-mail: [email protected]
Исторически сложившаяся система пунктов метеонаблюдений не всегда отвечает условиям равномерности размещения и репрезентативности местоположения, что сказывается на точности воднобалансовых расчетов. Этот недостаток может быть сглажен использованием для корректировки поля осадков региональной ландшафтной структуры, построенной с учетом как зональных, так и геоморфологических особенностей территории, регулирующих величину атмосферных осадков. Предположение проверено на примере ряда бассейнов водных объектов Обь-Иртышского междуречья.
Ключевые слова: Обь-Иртышское междуречье, бессточная область, региональная ландшафтная структура, водный баланс.
Природно-территориальные комплексы любого таксономического ранга являются результатом сложного взаимодействия зональных (биоклиматических) и азональных (геологогеоморфологи-ческих) факторов дифференциации географической оболочки. Это взаимодействие проявляется в разнокачественном характере компонентов ландшафта, которые обладают различными стокофор-мирующими свойствами на региональном и топологическом уровнях.
На региональном уровне ведущая стокоформирующая роль принадлежит водно-тепловому балансу, обеспечивающему дифференциацию приходной части водного баланса, и макрорельефу территории как структурно организующему фактору стока. Формы последнего, послужившие геоморфологической основой для обособления физико-географических провинций (возвышенности и плато, наклонные равнины, замкнутые низменности, крупные развитые речные долины), по-разному исполняют стокоформирующую функцию.
Структура сети водотоков возвышенностей и плато имеет центробежный характер, наклонных равнин - однонаправленный линейно-субпараллельный, собственно речных долин - канализованный, т.е. концентрирующий весь бассейновый сток в русле-канале и подрусловой части речной долины. В совокупности с крутизной склонов эти особенности обеспечивают различную степень расчлененности и скорость освобождения территории провинций от выпавших осадков, условия инфильтрации и питания подземной части гидросферы. На топологическом уровне преобладает ландшафтно дифференцированное перераспределение осадков между статьями водного баланса, включая эвапотранспирацию, поверхностный сток, инфильтрацию и т.д.
С целью подготовки плановой и структурной основы для изучения условий формирования стока и создания геоинформационной системы разработаны схема региональной ландшафтной структуры Западной Сибири (физико-географическое районирование до уров-
ня подпровинций и частично районов) и ландшафтно-типологические карты ряда модельных территорий и бассейнов водных объектов. Также выполнен анализ их морфологической структуры, дающий представление о сложности и ландшафтной раздробленности географической оболочки и площадных соотношениях, необходимых для количественных расчетов. Иерархическая схема региональных ландшафтов включает страну, зональную область, провинцию, подпровинцию [1] и район. До уровня последнего доведено районирование сельскохозяйственной зоны юга Западной Сибири [2].
При воднобалансовых расчетах учет особенностей подстилающей поверхности регламентирован рядом отечественных [3] и международных [4] документов. При условии достаточной равномерности сети наблюдений внутри однородных участков (лес, овраги, отдельные высотные зоны холмистых или горных территорий и т.д.) осреднение метеопараметров, полученных в пунктах их систематического мониторинга, рекомендовано производить по методу среднего арифметического. Окончательный результат представляет собой средневзвешенное значение с учетом доли площадей этих участков в структуре бассейна [5-6]. Однако, большинство территорий (бассейнов) не обеспечено ландшафтной основой необходимого масштаба, и использование рекомендованного подхода часто сталкивается с определенными трудностями. Заметим, что рассмотренная дифференциация подстилающей поверхности касается в основном топологического уровня.
В региональных ландшафтах неоднородность структуры водосбора, и в первую очередь биоклиматических условий, контролирующих приходную часть водного баланса, зафиксирована на уровне зональной области. Еще большая контрастность присуща провинциальному уровню, поскольку в обособлении природно-
территориальных комплексов этого ранга принимают участие элементы макро-морфоструктуры (возвышенности, низ-
менности), вносящие дополнительно высотный фактор в распределение осадков даже для равнинных стран, не говоря уже о странах горных или горноскладчатых областях внутри областей платформенных. Однако надежность используемого для получения осред-ненных метеопараметров, в частности поля осадков, метода изолиний напрямую связана с равномерностью и достаточностью пунктов наблюдений, а также с репрезентативностью их расположения и продолжительностью существования. К сожалению, исторически сложившаяся система пунктов мониторинга зачастую не отвечает этим условиям. Нам представляется, что этот недостаток в значительной мере может быть сглажен использованием региональной ландшафтной структуры для корректировки поля осадков. Влияние региональной ландшафтной неоднородности на оценку приходной части водного баланса покажем на примере бессточной области Обь-Иртышского междуречья (рис. 1).
Территория представляет собой плосковогнутую аккумулятивную озерную и озерно-аллювиальную равнину площадью около 155 тыс. км2 с абсолютными отметками от 96 м (в центральной части) до 160 м (по периферии). Север области занимает обширная Барабинская низменность (Бараба), южнее расположена Кулундинская низменность, с востока - Приобское плато. К пониженным центральным частям приурочены многочисленные озера, среди которых два наиболее крупных озера Западной Сибири: Чаны и Кулун-динское. Их считают остаточными водоемами существовавшего здесь в прошлом обширного озерного бассейна.
Гидрографическая сеть представлена мелкими водотоками, которые протекая по засушливой равнине, теряются или впадают в бессточные озера. Источниками питания рек служат талые воды сезонных снегов, дожди и грунтовые воды. Наибольшие из рек - Кулун-да, Кучук (бассейн Кулундинского озера); Каргат и Чулым (бассейн озера Чаны).
Рис. 1. Бессточная область Обь-Иртышского междуречья
Для выявления особенностей формирования приходной части водного баланса и оценки показателя водного стока с учетом ландшафтной неоднородности водосборного бассейна рассмотрены озерно-речные бассейновые системы озер Чаны (север бессточной области) и Кулундинское (юг бессточной области) (рис. 2).
Чановская озерно-речная бассейновая система включает озера Большие и Малые Чаны и впадающие в них реки Каргат и Чулым. Площадь водосбора -39268 км2. Расположен бассейн в таеж-
ной (провинции 20 и 21), лесостепной (провинции 12-15) и степной (провинции 5-7) зональных областях. По его территории проходит раздел термических поясов: бореальный (с недостаточной теплообеспеченностью при достаточном увлажнении) и суббореальный (достаточно тепла при недостатке влаги).
Кулундинская озерно-речная бассейновая система включает озеро Ку-лундинское и реку Кулунда. Площадь ее водосбора - 12897 км2.
Рис. 2. Озерно-речные бассейновые системы озер Чаны (I) и Кулундинское (II): номера провинций соответствуют сквозной нумерации провинций Западно-Сибирской страны (табл.)
Территория находится в аридной зоне на стыке двух региональных мор-фоструктур: Кулундинской плосковогнутой низменной равнины, где расположена озерная подсистема, и Приобского плато, более возвышенного и расчлененного, в границах которого расположена значительная часть бассейна реки Кулунды. В физико-географическом отношении - это степная (провинции 6 и 7) и лесостепная (провинция 15) зональные области.
Вычисление общего поступления влаги с атмосферными осадками на водосборы выполнено как средневзвешенный показатель с учетом удельного веса площади каждой провинции (рис. 2, табл.). Оценка величин средне-многолетних осадков для каждой провинции производилась раздельно путем осреднения данных по метеостанциям и постам, расположенным в контурах соответствующей провинции, включая и близлежащие пункты, находящиеся во внешней приграничной зоне.
Таблица
Влияние ландшафтной неоднородности водосбора на оценку суммарных показателей влагооборота
Зональная область Провинция Площадь водосбора, км2 Осадки* исправл., мм/год Сток, мм/год
Бассейн оз. Чаны
Таежная 20. Верхнеомская 3324 560 62,5
21. Вьюновская 1668 593 88,8
Лесостепная 15. Верхнеобская 3170 517 46,8
14. Восточнобарабинская 8635 485 31,7
12. Западнобарабинская 116 421 21,8
13. Барабинская 15959 436 21,8
Степная 5. Южнобарабинская 6396 371 15,3
Итого 39268
Без учета ландшафтной структуры 504 28,9 (5,7%)**
С учетом ландшафтной структуры 460 23,5 (5,1%)
Бассейн оз. Кулундинское
Лесостепная 15. Верхнеобская 6734 517 46,8
Степная 6. Кулундинская 2237 371 15,3
7. Южноприалейская 3926 461 21,8
Итого 12897
Без учета ландшафтной структуры 450 28,0 (6,2%)
С учетом ландшафтной структуры 475 33,7 (7,1%)
Примечание: * - по данным метеопунктов и постов, расположенных в пределах провинций; ** - коэффициент стока.
Полученные значения среднего годового слоя осадков для бассейна оз. Чаны отличаются на 44 мм в сторону уменьшения от результатов расчета при общепринятом способе прямого побас-сейнового обобщения данных метеостанций.
По отношению к общему количеству осадков эта величина составляет около 9,6 % и в пересчете на объем осадков, выпадающих на площадь водосбора озера, оценивается в 1,7 км3/год, т.е. фактически территория получает осадков на 1,7 км3/год меньше. Соответственно уменьшается и коэффициент стока с 5,7 % до 5,1 %, т.е., почти на 12 %. В системе балансовых расчетов эти уточнения могут рассматриваться как достаточно значимые.
Для бассейна Кулундинского озера аналогичный расчет дает фактическое увеличение осадков на 25 мм/год, т.е. на 5,3 %, что составляет 0,3 км3/год и увеличение коэффициента стока на 12,6 %. Более детальный анализ условий формирования стока в модельных речных бассейнах показал уверенную их диф-
ференциацию на уровне физико-географических подпровинций.
Для оценки валового объема осадков, выпадающих на изучаемую часть водосбора, производилось построение полей осадков по данным климатического мониторинга (ГМС, посты других организаций) с привлечением максимального числа пунктов наблюдений. Расчеты климатического увлажнения бассейнов модельных водных объектов (р. Алей, оз. Чаны) и построение полей осадков выполнены с учетом структуры региональных ландшафтов, а также данных по составу и структуре почвен-но-растительного покрова как интегрального индикатора климатических условий. Это позволило уточнить структуру поля осадков и скорректировать интерполяцию данных между редко расположенными станциями, а также более надежно проводить экстраполяцию атмосферного увлажнения. Анализ выполнен по данным 14 метеопостов в бассейне р. Алей и 19 метеопостов бассейна оз. Чаны за период измерений с 1960 по 2008 гг.
На примере бассейна р. Алей (рис. 3) установлено, что при доминирующей роли сухостепных и засушли-востепных ландшафтов в водосборе (интервал водосбора Гилево-Рубцовск) в формировании речного стока участвует не более 2,7 % годовых осадков; за-сушливостепных и умеренно засушли-востепных (Рубцовск-Алейск) - 7,7 %; а умеренно засушливостепных и южнолесостепных (Алейск-Хабазино) - 12,0 %.
Для горных ландшафтов (исток-Гилево) этот показатель превышает 32,7 % (табл. 2).
Как видим, порядок значений коэффициентов стока согласуется с результатами расчета параметров стока для соответствующих зональных областей Западной Сибири, выполненного на уровне физико-географических провинций.
Рис. 3. Бассейн р. Алей. Региональная ландшафтная структура территории бассейна (подпровинции) и расчетные интервалы водосбора, опирающиеся на замыкающие створы: Гилево, Рубцовск, Алейск и Хабазино
Осадки и русловой сток в бассейне р. Алей
Таблица 2
Створ и доминирующие ландшафты в интервале между створами*, % Среднегодовой сток в створе, км3 Площадь водосбора между створами, км2 Показатели на водосборе между створами Доля осадков, формирующих русловой сток, %
средне-взвешенный слой осадков**, мм валовый объем осадков, км3 объем речного стока, км3 слой стока, мм
Исток 0 - - - - - -
УЗС-51; ГЮС-49 - 3816,2 488 1,86 0,61 159,8 32,7
Гилево 0,61 - - - - - -
СС-35,5; ЗС-32,7; УЗС-25,1 - 4912,7 415 2,04 0,06 11,3 2,7
Рубцовск 0,67 - - - - - -
ЗС-36,1; УЗС-63,0 - 8502,5 430 3,65 0,28 33,3 7,7
Алейск 0,95 - - - - - -
УЗС-41,6%; ЮЛС-58,4% - 2169,6 450 0,98 0,12 55,3 12,3
Хабазино 1,07 - - - - - -
Примечание: - такие ландшафты, как СС - сухостепные; ЗС - засушливостепные; УЗС - умеренно засушливостепные; ЮЛС - южнолесостепные; ГЮС - гор южной Сибири; ** - с учетом ландшафтной структуры.
Низкие значения коэффициента речного стока в интервале Гилево-Рубцовск (2,7 %) обусловлены как зонально закономерной повышенной испаряемостью и большим дефицитом влаги в почво-грунтах сухостепной зоны, так и, вероятно, повышенным оттоком грунтовых и подрусловых вод по погребенной долине пра-Алея, сложенной грубообломочными породами (га-
Список литературы
лечниками и валунами), за пределы бассейна р. Алей.
Уместно заметить, что во многих расчетах не учитывается подрусловой сток, который в зависимости от состава аллювия и перепада высот может достигать значительных величин и во многих
случаях служит надежным источником питьевого водоснабжения.
1. Винокуров Ю.И., Цимбалей Ю.М. Региональная ландшафтная структура Сибири. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2006. - 96 с.
2. Цимбалей Ю.М. Ландшафтный подход к решению региональных проблем природопользования // Сибирский экологический журнал. - 1997. - № 2. - С. 127-134.
3. Методические указания управлениям гидрометслужбы. № 89. - Л., 1974. - 96 с.
4. Методы расчета водных балансов. Международное руководство по исследованиям и практике. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 120 с.
5. Бабкин В.И. Водный баланс речных бассейнов (теория, методы и практика расчетов): дисс. на соискание ученой степени д.г.н. - Л., 1982. - 420 с.
6. Кузин П.С., Бабкин В.И. Географические закономерности гидрологического режима рек. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 200 с.
H3eecmun AO PW. 2015. № 1 (36)
ON ACCOUNTING THE LANDSCAPE PATTERNS OF THE CATCHMENTS WHEN ASSESSING THE WATER BALANCE
OF WATER INTAKES (BY THE EXAMPLE OF A DRAINAGE AREA OF THE OB-IRTYSH INTERFLUVE)
Yu.M. Tsymbalei, I.V. Andreeva
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, Barnaul, E-mail: [email protected]
Historically formed system of meteorological observations does not always meet the requirements of sites' uniformity and representativeness that makes a negative effect on the accuracy of water balance calculations. It can be mitigated by the use of the regional landscape structure built with regard to zonal and geomorphological features regulating the amount of atmospheric precipitation. The assumption was tested in several basins of water objects of the Ob-Irtysh Interfluve.
Keywords: Ob-Irtysh interfluve, drainage area, regional landscape structure, water balance.
