CC BY
1УДК 556.16 DOI: 10.35567/19994508-2024-5-51-68
Влияние промерзания почв речных бассейнов на процессы формирования пространственной и временной изменчивости зимнего и весеннего стока
рек Башкортостана
В.И. Барышев И , И.Л. Калюжный
И hfl@mail.ru
ФГБУ "Государственный гидрологический институт", Санкт-Петербург, Россия АННОТАЦИЯ
Актуальность. Процессы формирования зимнего и весеннего стока рек имеют важнейшее значение при проектировании и эксплуатации водохозяйственных систем, разработке методов прогнозов и расчетов стока. Актуальность этих исследований значительно возрастает при изменении климата, что обусловлено необходимостью поиска путей оптимизации водохозяйственного комплекса к новым условиям. Методы. Оценка изменений характеристик стока и механизма его формирования на речных водосборах основана на учете закономерностей почвенно-гидрологических и гидрофизических процессов. Результаты. На основании анализа натурных наблюдений на сети гидрологических станций УГМС Башкортостана установлено, что при изменении климата, уменьшилась глубина промерзания почвы, увеличился запас зимней стокоформирующей влаги, что вызывает повсеместное увеличение зимнего стока. При климатических изменениях сток весеннего половодья может как увеличиваться, так и уменьшаться в зависимости от процесса образования водонепроницаемого слоя и других факторов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: промерзание почвы, зимний и весенний сток, процессы формирования стока, изменение климата.
Для цитирования: Барышев В.И., Калюжный И.Л., Влияние промерзания почв речных бассейнов на процессы формирования пространственной и временной изменчивости зимнего и весеннего стока рек Башкортостана // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2024. № 5. С. 51-68. DOI: 10.35567/19994508-2024-5-51-68.
Дата поступления 25.04.2024.
Influence of soils freezing of river basins on processes of formation of spatial and temporal variability of winter and spring flow of
Bashkortostan rivers Valeriy I. Baryshev ISI (E , Igor L. Kalyuzhny
ISI hfl@mail.ru
State Hydrological Institute, St.-Petersburg, Russia ABSTRACT
Relevance. The processes of formation of winter and spring flow of rivers are of paramount importance in the design and operation of water management systems, the development of methods for forecasting and calculating flow. The relevance of these studies increases significantly with climate change, as it becomes necessary to find ways to optimize the economic complex to new conditions. Methods. Assessment of changes in the characteristics of runoff and the mechanism
© Барышев В.И., Калюжный И.Л., 2024
of its formation on river catchments is based on taking into account the laws of soil-hydrological and hydro/physical processes. Results. Based on the analysis of field observations at the network of hydrological stations of Bashkortostan, it was established that with climate change, the depth of soil freezing decreased and the stock of winter stocking moisture increased. The latter causes a widespread increase in winter runoff. With climatic changes, spring flood runoff can either increase or decrease, depending on the process of formation of a waterproof layer and other factors.
Keywords: soil freezing, winter and spring runoff, runoff formation processes, climate change.
For citation: Baryshev V.I., Kalyuzhny I.L. Influence of soils freezing of river basins on processes of formation of spatial and temporal variability of winter and spring flow of Bashkortostan rivers. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2024. No. 5. P. 51-68. DOI: 10.35567/19994508-2024-5-51-68.
Received 25.04.2024.
ВВЕДЕНИЕ
На территории России во второй половине XX в. наблюдался рост температуры воздуха, атмосферных осадков и стока в речных системах. В работах [1, 2] впервые показано, что наибольшие изменения речного стока происходили на рубеже 1980-1981 гг., при этом интенсивность протекания этого процесса была индивидуальна для каждого региона России.
В аналитической работе, с детальным анализом инструментальных наблюдений, Б.Г. Шерстюковым [3] предложено современное изменение климата рассматривать как продолжение многолетних долгопериодных природных колебаний, которые являются основными факторами изменения климата. В практическом плане возникает вывод о том, что необходима адаптация к этим природным колебаниям, которая является оптимальным путем к преодолению возникших (или возникающих) препятствий на пути стабильного функционирования экономики конкретного региона [4]. В полной мере это относится и к бассейнам рек Республики Башкортостан.
Возможность оценки изменений характеристик зимнего и весеннего стока рек позволяет разработать методы адаптации водохозяйственного комплекса к новым климатическим условиям, а также усовершенствовать методы расчета и прогноза стока [5].
Изучение закономерностей процессов формирования стока речных бассейнов и оценка их временных изменений, обусловленных глобальным потеплением климата, является весьма актуальной проблемой для регионов России [6-8]. Так, проведенные исследования в бассейне р. Волги позволили установить разнонаправленный характер изменения весеннего стока: на 30 % водосборов происходит рост стока половодья, на 70 % - его уменьшение [7].
В статье [9], на основе анализа многолетних рядов среднегодовых значений температуры воздуха и годового количества осадков, установлено повышение на территории Республики Башкортостан температуры воздуха и осадков, а также определена доля изменений их сезонных значений. Однако оценка влияния этих климатических изменений на все фазы речного стока рек отсутствует.
Оценка изменений характеристик зимнего и весеннего стока рек осложняется тем, что они располагаются как в предгорной, так и в горной частях
Урала, охватывая при этом лесостепную и степную зоны, с существенно различающимися по своим водно-физическим свойствам типами почв [10, 11] и строением речных бассейнов [12].
Целью представленной работы является оценка пространственных и временных изменений характеристик зимнего и весеннего стока рек, исследование механизма и процессов его формирования под влиянием изменения климата.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В зимний период основным природным фактором воздействия на речной бассейн является температура приземного слоя воздуха. Под ее влиянием почва промерзает на определенную глубину, вследствие чего изменяется фазовое состояние воды в почве. Как следствие, часть почвенной влаги замерзает, становится неподвижной и исключается из процесса формирования зимнего стока. Другая часть, находящаяся в талой зоне, не изменяет своего физического состояния и, возможно, принимает определенное участие в формировании зимнего стока. Запасы влаги в талом слое почвы расходуются на зимний сток, в мерзлой зоне - на формирование талого стока в весенний период.
Глубина промерзания почвы на речных водосборах осуществляет регулирующую функцию перераспределения стока в зимний период [13]. Фактором, оказывающим значительное влияние на формирование талого стока, является запас воды в снежном покрове речного бассейна. Снежный покров осуществляет также теплоизолирующие функции, существенно замедляя промерзание почвы. Таким образом, основным методом достижения поставленных в данной работе целей становится критический анализ механизма формирования зимнего и весеннего стока в условиях изменения климата и под воздействием промерзания почвы, состояния почвенной влаги и других факторов.
Исходная гидрометеорологическая информация
Исходная информация о глубине промерзания почвы, временной и пространственной ее изменчивости получена из данных многолетних наблюдений на сети метеорологических, агрометеорологических и гидрологических станций и постов УГМС Республики Башкортостан. Глубины промерзания почвы измерялись в 25 пунктах, составляют ряды длительностью до 83 лет, начиная с зимы 19361937гг. [14]. Характеристики зимнего и весеннего стока рек определялись по 26 пунктам наблюдений. Продолжительность рядов 83 и больше лет, начиная с 1933-1936 гг. Запасы воды в снежном покрове в период наибольшего снегонакопления рассчитывались по данным снегомерных съемок на 23 гидрометеорологических станциях, осуществляющих этот вид наблюдений, начиная с 1961 г.
На всем протяжении рядов инструментальных наблюдений как за глубинами промерзания, так и за стоковыми характеристиками выделяются в каждом из них два периода. Первый, квазистационарный, характерен практически стабильными, относительно небольшими временными изменениями наблюдаемой характеристики (глубины промерзания и характеристики стока), второй - их существенной изменчивостью. Оценка переломного периода носит достаточно условный характер. В работах [15, 16] критически оценена задача оптимально-
го построения трендов и определения моментов времени, устанавливающих границы интервалов с устойчивой тенденцией изменения. Влияние изменения климата в ряду изучаемой характеристики может проявляться в виде монотонного его убывания или ступенчатого перехода между двумя относительно стационарными состояниями. При монотонном убывании членов ряда переломную точку перехода определяли путем оценки достоверности тренда.
Значимость линейных трендов оценивали по методике, приведенной в работе1. При уровне значимости 5 %, что соответствует удвоенной случайной средней квадратической ошибке (а), величина 2 а меньше коэффициента корреляции (И), на основании чего признается неоднородность рядов и значимость тренда.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Краткий анализ пространственно-временной изменчивости глубин промерзания приведен в работе [14]. Установлено, что весь период наблюдений за гидрометеорологическим режимом в бассейнах рек Башкортостана можно представить в виде двух отрезков: период квазистационарного состояния (с 1937 по 1980-1984гг.) и период климатических изменений (с 1981-1985 гг. по 2017-2020гг.).
В период квазистационарного состояния климата средние глубины промерзания по Башкортостану составляли 79 см, изменяясь при этом от 44 до 115 см. В горных речных бассейнах промерзание достигало 198 см. На южном склоне его величина снижалась до 65 см.
В период климатических изменений глубины промерзания во всех речных бассейнах в среднем уменьшились на 22 см, что составляет 28 % от первоначальной величины. Наблюдается корреляция глубин промерзания почв смежных речных бассейнов. На территории Башкортостана коэффициент корреляции изменяется в пределах от 0,45 до 0,73.
В табл. 1 приведены средние глубины промерзания в речных бассейнах в квазистационарный и последующий периоды климатических изменений.
Одним из основных факторов, влияющих на формирование пространственной изменчивости глубин промерзания почвы, является растительный покров, его влияние на динамику снежной массы и теплоизоляционные свойства снежного покрова. С увеличением высоты снега увеличиваются его теплоизоляционные свойства и уменьшается глубина промерзания. В горнолесной и лесной зонах ветровой перенос снега практически отсутствует, снег в этот период обладает высокими теплофизическими свойствами (его плотность на протяжении зимы составляет 0,20-0,22 г/см3) поэтому средняя глубина промерзания как в квазистационарный период (58 и 82 см соответственно), так и при климатических изменениях (40 и 60 см) в 1,5-2,0 раза меньше, чем в лесостепной и степной зонах. В степных зонах, на полях, высота снега формируется под влиянием пожнивных остатков и ветрового переноса с последующим отложением снега в отрицательных формах рельефа. Эти факторы обусловливают пространственную изменчивость глубины промерзания и, как следствие, влияют на пространственную изменчивость характеристик стока.
1 Методические рекомендации по оценке однородности гидрологических характеристик и
определению их расчетных значений по однородным рядам. Санкт-Петербург, 2010. 162 с.
Таблица 1. Изменения глубин промерзания почв речных бассейнов, обусловленные изменением климата (фрагмент таблицы [14]) Table 1. Changes in soils freezing depths of river basin caused by climate change (fragment of Table [14])
Квазистационарный Режим изменения Изменение
Метеостанция режим климата климата промерзания
период,год промерзание, см период, год промерзание, см см %
Горнолесная область
Архангельское 1937-1980 44 1981-2020 25 19 43,2
Зилаир 1937-1980 58 1981-2020 52 6 10,3
Мраково 1937-1980 72 1981-2020 44 28 38,9
Лесная зона
Янаул 1972-1986 96 1987-2020 61 35 36,5
Аскино 1937-1981 60 1982-2020 41 19 31,7
Дуван 1937-1981 90 1982-2020 78 12 13,3
Лесостепная зона
Чишмы 1937-1980 115 1981-2020 72 43 37,4
Аксаково 1937-1980 99 1981-2020 67 32 32,3
Раевский 1972-1986 124 1987-2020 64 60 48,4
Буздяк 1972-1986 109 1987-2020 60 49 53,1
Степная зона
Мелеуз 1937-1980 97 1981-2020 85 12 12,4
Зауральская лесостепная зона
Учалы 1973-1982 138 1982-2020 104 34 24,6
Зауральская степная зона
Акъяр 1952-1981 177 1982-2020 96 81 45,8
Примечание: уменьшение глубины промерзания почвы в % дано относительно средней глубины промерзания в квазистационарный период.
Согласно данным табл. 1, в период изменения климата средняя глубина промерзания в природных зонах Башкортостана уменьшилась от 22,6 % (лесная зона) до 42,8 % (лесостепная зона) по отношению к средним величинам квазистационарного периода. Зимний сток
Промерзание почвы разделяет ее на талую и мерзлую зоны [13]. Влага талой зоны является основным источником формирования зимнего стока. Увеличение его возможно только в случае, если зимние запасы влаги превышают наименьшую полевую влагоемкость (НВ). В большинстве пунктов наблюдений НВ на территории Башкортостана составляет 300-340 мм.
В предосенний период почва имеет существенный дефицит влаги. Осенние осадки его ликвидируют и запас влаги в почве становится равным НВ или превышает его. При глубоком промерзании стокоформирующая талая
зона значительно уменьшается, что влечет снижение расходов зимнего стока, в ряде случаев - до аналитического нуля. В качестве характеристики зимнего стока принят 30-дневный минимальный расход воды ^ЗИМ).
На рис. 1 приведена динамика глубин промерзания и минимальных зимних расходов воды в створе р. Белая - г. Стерлитамак (Б = 21 000 км2) по данным наблюдений за период с 1937 по 2018 гг. Оба ряда наблюдений разделяются ступенчатым переходом в 1982-1983 гг. на два периода: квазистационарный -с 1937 по 1983 гг. и период изменения климата - с 1983 по 2018 гг., при котором формируется новый квазистационарный уровень глубин промерзания и, аналогично ему, минимальных расходов.
1Л0
]935 1955 ]975 ]995 2015 Гол
Рис. 1. Временные изменения глубин промерзания почвы (1) и 30-дневного минимального расхода воды (2) в створе р. Белая - г. Стерлитамак.
Fig. 1. Temporary changes in soil freezing depths (1) and 30-day minimum water flow (2) in the range of the Belaya River - the city of Sterlitamak.
Анализ динамики этих двух элементов показывает достаточно устойчивую корреляционную зависимость между ними. С увеличением глубины промерзания уменьшаются зимние расходы воды.
Зависимость Q3MM = /(П) аппроксимируется выражением вида:
ОзиМ = 52,136*е -011*П(м3/с), (1)
где П - здесь и далее, глубина промерзания почвы, см;
е - основание натуральных логарифмов. Коэффициент корреляции уравнения (1) R = 0,511.
При глубинах промерзания менее 80-100 см значительный динамический запас влаги располагается в талой зоне, расходы воды (Q3MM) возрастают и приближаются к 6-8 м3/с.
На больших реках лесостепной зоны, но со значительно меньшей площадью водосбора (р. Дема - д. Бочкарево, F = 12 800 км2) характер зависимости Q3MM = /(П) (2) сохраняется. На рис. 2 приведена зависимость Q3MM от наибольшей глубины промерзания почвы в бассейне р. Дема, которая аппроксимируется уравнением вида:
Q3MM = 31,08*e -0 007*П(м3/с), (2)
при коэффициенте корреляции И = 0,694.
Наиболее значительная зависимость зимних расходов проявляется на реках зауральской лесостепной и степной зон. На рис. 3 представлен временной ход глубины промерзания и зимние расходы в створе р. Миндяк - с. Новобай-рамгулово (Б=785 км2). В этих зонах при квазистационарном режиме климата глубина промерзания почвы достигала 1,5-2,0 м. Практически вся стокофор-мирующая влага в мерзлом слое была в форме льда и не участвовала в зимнем стоке. Зимний сток прекращался, только глубокие оттепели за счет фазовых превращений воды в почве формировали кратковременный сток.
При изменении климата изменяются глубины промерзания почвы, пере-мерзание русел не наблюдается и, как следствие, возрастает зимний сток.
40
л 30
S 20
10
*
• » • Ф • ..... • _• _
• *■■>..... -.it fcvv'«
»
150
200
П 50 ¡00
Глубина ироифминя, см Рис. 2. Зависимость минимального 30-суточного зимнего стока от наибольшей глубины промерзания в бассейне р. Дема - д. Бочкарево. Fig. 2. Dependence of the minimum 30-day winter runoff on the highest freezing depth in the basin of the Dema River - the village of Bochkarevo.
2.5
1,5
if
0,5
-9—2
—» » Лги л
1965
1975
¡985
1995
2005
2015 Год
Рис. 3. Временные изменения глубин промерзания почвы (1) по м/с Учалы и зимнего 30-суточнового минимального расхода воды (2) в створе р. Миндяк - с. Новобайрамгулово. Fig. 3. Temporary Changes of Soil Freezing Depths (1) of m/s Uchaly and Winter 30-Day Minimum Water Flow (2) in the range of the Mindyak River - the village of Novobayramgulovo.
Зависимость Q3MM = /(П) для р. Миндяк - с. Новобайрамгулово описывается линейным уравнением (при R = 0,599):
Озим = -0,007 * П + 1,17 (м3/с), (3)
Таблица 2. Средние значения минимального 30-суточного зимнего стока рек в природных зонах при квазистационарном периоде климата и при его изменении Table 2. Average values of minimum 30-day winter flow of rivers in natural zones at quasi-stationary period of climate and at its change
Климатические периоды Увеличение
Гидрометрический квазистационарный изменения климата расхода (ри -рк)
створ период среднее (Рк). м3/с период среднее (Ри). м3/с м3/с в %
Горнолесная область
р. Нугуш - д. Новосеитово 1950- -1980 1,41 1981- 2018 3,68 0,59 54
р. Лемеза - с. Нижние Лемезы 1959- -1983 4,49 1984- -2018 5,91 1,42 32
р. Сакмара - д. Верхне-Галеево 1958- 1985 1,27 1986 -2019 1,85 0,58 46
р. Малый Кизил - пос. Муракаево 1960- 1983 0,32 1984- -2018 0,40 0,08 25
р. Б. Кизил - д. Верхне-Абдряшево 1959- 1983 0,23 1984- -2018 0,38 0,15 65
Лесная зона
р. Бирь - с. Малосухоязово 1951-1985 7,05 1986- -2018 8,20 1,15 16
р. Быстрый Танып - д. Алтаево 1936-1980 10,8 1981- 2018 15,8 5,00 46
р. Ай - с. Лаклы 1935-1988 9,91 1989- -2018 17,7 7,79 79
р. Инзер - д. Азово 1958-1980 6,55 1981- 2018 7,48 0,93 14
Лесостепная зона
р. Дема - д. Бочкарево 1947-1980 11,6 1981- 2018 21,3 9,70 84
р. Мияки - с. Мияки-Тамак 1955-1980 0,30 1981- 2018 0,64 0,34 113
р. Уршак - с. Ляхово 1949-1981 2,28 1982- -2018 4,00 1,72 75
р. Ик - с. Нагайбаково 1934-1979, 13,0 1980 -2018 26,7 13,7 105
р. Белая - г. Стерлитамак 1937-1982 23,2 1983- -2018 42,4 19,2 83
Степная зона
р. Мелеуз - г. Мелеуз 1951- 1981 0,23 1982- -2019 0,88 0,65 280
Зауральская лесостепная зона
р. Миндяк - с. Новобайрамгулово 1967-1981 0,064 1982- 2017 0,45 0,38 600
Зауральская степная зона
р. Таналык - с. Самарское 1958-1980 0,039 1981- 2018 0,243 0,20 520
р. Карагайлы - д. Старо-Сибаево 1949-1980 0,024 1982- 2018 0,071 0,05 240
Примечание: увеличение 30-суточного расхода в % дано относительно среднего расхода в квазистационарный период.
На малых и средних реках горно-лесной области и лесной зоны сохраняется аналогичная зависимость QЗИМ = f (П). В бассейне р. Лемеза (р. Лемеза -с. Нижние Лемезы, Б = 1680 км2) эта зависимость имеет вид (при И = 0,576):
Анализ зависимостей QЗИМ = f (П) по ряду речных бассейнов показывает низкую коррелятивную зависимость (И = 0,280-0,600), что свидетельствует о воздействии на процесс формирования зимнего стока ряда неучтенных факторов.
В табл. 2 приведены средние величины минимального 30-суточного зимнего стока ряда рек, приуроченных к основным природным зонам Башкортостана в условиях квазистационарного режима и изменения климата. Анализ табл. 2 показывает, что увеличение зимнего 30-дневного минимального расхода воды происходит на всех реках, но в разных природных зонах степень увеличения различная, вне зависимости от площади речных водосборов. На реках горно-лесной и лесной зон среднее увеличение за зиму, по отношению к средней величине аналогичного расхода в квазистационарный период, возросло на 44-45 и 47 % соответственно; в лесостепной зоне - на 90-92 %. Наибольшее увеличение зимнего стока наблюдается на реках высокогорной и степной зон, где оно в разы (3-6 раз) может превышать аналогичный сток квазистационарного периода.
Сток весеннего половодья
Анализ рядов большой длительности как по промерзанию почвы речных водосборов, так и по стоку весеннего половодья приведен в табл. 3. Каждый из многолетних рядов наблюдений разбит на два периода: квазистационарный отрезок характеризует относительно стабильный период, второй отрезок отличается монотонным убыванием или ступенчатым переходом на новый квазистационарный уровень. Оценка значимости трендов глубин промерзания и стока весеннего половодья также представлена в табл. 3.
Характерным примером влияния климатических изменений на сток весеннего половодья являются результаты наблюдений по створу р. Ашкадар -д. Ново-Федоровка с 1971 по 2017 гг. Для выбранного створа использованы результаты наблюдений за глубиной промерзания по м/с Стерлитамак с 1937 по 2017 гг. В многолетнем ходе наибольших глубин промерзания наблюдается два характерных периода: с 1937 по 1985 гг. и с 1986 по 2017 г. Первый период имеет хорошо выраженный квазистационарный режим со средней глубиной промерзания (Пк) в 76 см. Линейный тренд глубин промерзания этого периода описывается уравнением:
где т - член ряда, начиная с 1937 г. при И= 0,106 и а = 0,143.
Во втором периоде 1983-1986 гг. глубина промерзания резким ступенчатым переходом уменьшилась на 29 см и составила 47 см, т. е. на 38 % меньше по отношению к первому периоду. С 1986 по 2017 гг. тренд изменения глубины промерзания отсутствует, а ряд наблюдений переходит в новое квазистаци-
Q3MM = -0,0437 * П + 6,44 (м3/с).
(4)
ПК = -0,2208т + 508,6 (м3/с),
К
(S)
Таблица 3. Статистические характеристики трендов глубины промерзания и стока весеннего половодья (С) по бассейнам рек Дема, Ашкадар и Бирь Table 3. Statistical characteristics of trends of the depth of freezing and spring flood runoff (С) in the basins of the Dema, Ashkadar and Birh rivers
Период, Уравнение тренда Статистические характеристики Характер изменения
год R 2 Среднее тренда, значимость
Гидроствор р. Дема - д. Бочкарево, данные промерзания по м/с Чишмы
1947- 1984 СК = -0,663т + 1369 (мм) 0,243 0,305 65 Слабое возрастание, не значим
1985- -2019 СИ = -1,4770т + 2986 (мм) 0,497 0,251 67/+2 Монотонное снижение, значим
1937- 1984 ПК = 0,5851т - 1034 (см) 0,311 0,260 113 Слабое возрастание, значим
1985- 2020 ПИ = -0,3363т + 744 (см) 0,138 0,333 70/43 Ступенчатый переход, не значим
Гидроствор р. Ашкадар - д. Ново-Федоровка, данные по м/с Стерлитамак
1971- 1985 СК = -5357т + 1143 (мм) 0,078 0,513 84 Слабо выражен, не значим
1998 -2017 СИ = -4,0452т + 8196 (мм) 0,642 0,250 71/13 Монотонное снижение, значим
1937- 1985 ПК = -0,2208т + 504,4 (см) 0,106 0,296 76 Стационарный режим, не значим
1986 -2017 ПИ = 0,0718т - 97 (см) 0,036 0,352 47/29 Ступенчатый переход, не значим
Гидроствор р. Бирь - с. Малосухоязово, данные по м/с Бирск
1951- 1985 СК = 0,0619т + 9,29 (мм) 0,014 0,338 174 Стационарный режим, не значим
1986 2020 СИ = -3,216т + 6563 (мм) 0,572 0,242 167/7 Монотонное снижение, значим
1937- 1985 ПК = 0,1506т - 219,5 (см) 0,077 2,84 76 Стационарный режим, не значим
1986 2020 ПИ = -0,1423т + 320 (см) 0,069 0,366 35/41 Ступенчатый переход, не значим
Примечание: С - слой стока весеннего половодья, мм. В знаменателе (см. графу Среднее) разность между средними величинами квазистационарного периода (индекс К) и последующего измененного ряда (индекс И).
онарное состояние (рис. 4). На реках Дема и Бирь (табл. 3) на втором отрезке рядов глубин промерзания переход в новое квазистационарное состояние происходил хорошо выраженным ступенчатым переходом. Коэффициент корреляции тренда ряда становится не значим. Реакции формирования слоя стока в переломный момент уменьшения глубин промерзания (1983-1986 гг.) не наблюдается, т. е. тренд не значим. В период 1971-1985 гг. средняя величина слоя стока весеннего половодья равна 84 мм.
На коротком отрезке от 1986 до 1988 гг. сохраняется средняя величина слоя весеннего стока (на протяжении с 1971 до 1997 гг.). Его монотонное снижение, как реакция на значительно сниженную глубину промерзания (средняя величина 47 см), наступает в 1997 г. (рис. 4). Тренд отрицательный, значим и хорошо выражен, его параметры приведены в табл. 3. Средняя величина слоя талого стока в этот период равна 71,0 мм, т. е. он уменьшился на 13 мм (на 15,5 % от первоначальной величины). Таким образом, снижение глубины промерзания на 38 % обусловило уменьшение стока весеннего половодья на 15,5 %.
160
г
и
120
= э = -
1 Е
е-1 i = ан s
л ш
= I
й s @
и
SO
40
1985
1990
1995
2000 Год
2005
2010
2015
2020
Рис. 4. Фрагмент динамики глубин промерзания (1) и слоев стока весеннего половодья (2) в период формирования процесса их изменений, р. Ашкадар - д. Ново-Федоровка. Fig.4. Fragment of the dynamics of freezing depths (1) and runoff layers of spring flood (2) during the formation of the process of their changes Ashkadar River - the village of Novo-Fedorovka.
Снежный покров в речном бассейне косвенно и прямо воздействует на процесс формирования стока в период половодья. Косвенное его воздействие происходит путем некоторого повышения температуры поверхности почвы, обусловленного теплоизолирующими свойствами снега. Прямое - аккумулированными запасами воды в снежном покрове. На рис. 5 приведена динамика годовых изменений наибольших снегозапасов за период с 1961 до 2020 гг. и слоя стока весеннего половодья в бассейне р. Ашкадар. Все изменения хорошо выражены и происходят практически синхронно.
Анализ данных хода снегозапасов показывает, что они повышаются до 1981 г. и составляют в среднем 99,5 мм. За относительно короткий период (1982-1998 гг.) они повысились до 135 мм. Далее, с 1999 до 2020 гг., следует уменьшение запасов воды в снеге (Б) до 130 мм, т. е. на 5 мм. Тренд описывается уравнением (при И= 0,220 и а = 0,206):
Б = - 1/883т + 3814 (мм) (6)
Тренд отрицательный (6), что свидетельствует об уменьшении снегозапасов.
Рис. 5. Временные изменения запасов воды в снеге (1) и слоя стока весеннего половодья (2) по створу р. Ашкадар - д. Ново-Федоровка.
Fig. 5. Temporary Changes in Water supply in Snow (1) and Spring Flood Runoff Layer (2) in the range of the Ashkadar River - the village of Novo-Fedorovka.
В табл. 4 приведены осредненные значения слоя весеннего половодья в период квазистационарного состояния климата и при его изменении.
Анализ стока рек весеннего половодья при изменении климата показывает, что наблюдается как увеличение слоя стока, так и его уменьшение. Наименьшие значения слоя стока весеннего половодья отмечаются в том случае, когда в почве речного бассейна при таянии снега образуется водонепроницаемый слой (ВС). Согласно работам [17, 18], он наблюдается при температуре почвы февраля от -2,0 до -4,0 °С и ниже, увлажнении близком к наименьшей полевой влагоемкости.
На рис. 6 приведена динамика температуры почвы на глубине 20 см по данным наблюдений м/с Чишмы, Дуван и Зилаир. Анализ временного хода температуры с 1981-1982 по 2020 гг. соответствует периоду климатических изменений. Температура февраля ниже -2,0 °С позволяет определить зимы, в которых возможно образование водонепроницаемого слоя.
При образовании водонепроницаемого слоя, в слое от поверхности почвы до нижней границы, влага консервируется и не участвует в стоке весеннего половодья. В период его существования на сток расходуются только запасы влаги в снежном покрове и влага, образовавшаяся при фазовых переходах в мерзлом слое. При полном оттаивании мерзлого слоя талая влага инфильтра-ционным путем пополняет запасы грунтовых вод и не участвует в формировании половодья. Поэтому при образовании в почве водонепроницаемого слоя наблюдаются наименьшие величины весеннего половодья.
В горнолесной области слой стока весеннего половодья при изменении климата незначительно увеличивается, в среднем на 6-7,5 %. По данным м/с Дуван в бассейне р. Большой Ик до створа с. Таишево за период климатических изменений с 1981 по 2019 гг. из 42 лет температура почвы (в слое 20 см) в феврале ниже -2,0 °С наблюдалась в 30 зимах. В период весеннего половодья
Таблица 4. Средние значения слоя стока весеннего половодья в природных зонах Башкортостана при квазистационарном периоде климата и его изменении Table 4. Average values of the spring flood runoff layer in the natural zones of Bashkortostan during the quasi-stationary period of the climate and its change
Гидрометрический створ Климатические периоды Разность (Уи-УК)
квазистационарный Изменение климата
период, год Сток (УК), мм период, год Сток (Уи), мм мм %
Горнолесная область
р. Нугуш-д. Новосеитово 19S0-1980 249 1981-2018 2S2 +3 +1,2
р.Лемеза - с. Нижние Лемезы 19S9-1984 293 198S-2019 318 +2S +8,1
р. Селеук - д. Нижнеиткулово 1946-1987 193 1988-2019 199 +6 +3,1
р. Инзер - д. Азово 19S8-1987 238 1988-2019 26S +28 +11,8
р. Большой Ик - с. Таишево 19S0-1981 94 1982-2019 106 +12 +12,8
Лесная зона
р. Бирь - с. Малосухоязово 19S1-198S 174 1986-2019 167 -7 -4,0
р. Быстрый Танып - д. Алтаево 193S-1980 124 1981-2019 119 -S -4,0
р. Ай - с. Лаклы 1936-1987 11S 1988-2019 111 -4 -3,2
р. Юрюзань - пос. Атняш 1932-1981 132 1982-2019 131 -1 -0,77
Лесостепная зона
р. Дема - д. Бочкарево 1947-1981 67 1982-2019 6S -2 -3,0
р. Мияки - с. Мияки Тамак 19SS-1980 70 1981-2019 62 -8 -11,4
р. Уршак - с. Ляхово 1949-1981 S8 1982-2019 S3 -S -8,6
р. Ик - с. Шгайбаково 1934-1979 70 1980-2019 S2 -18 -25,7
р. Белая - г. Стерлитамак 1919-1983 119 1984-2019 109 -10 -8,4
р. Ашкадар - д. Швофедоровка 1971-198S 84 1986-2017 71 -13 -13,8
Степная зона
р. Мелеуз - г. Мелеуз 19S0-1981 94 1982-2019 76 -18 -19,2
Зауральская лесостепная зона
р. Миндяк - с. Швобайрамгулово 1967-1981 66 1982-2017 76 +10 +1S
Зауральская степная зона
р. Таналык - с. Самарское 19S8-1980 25,7 1982-2021 32,2 +6,5 +2S
Примечание: изменение слоя весеннего стока дано относительно средней величины стока в квазистационарный период.
10
Рис. 6. Временные изменения средней температуры почвы в феврале на глубине 20 см по данным наблюдений на м/с Чишмы (1), м/с Дуван (2) и м/с Зилаир (3). Fig. 6. Temporary changes in the average soil temperature in February at a depth of 20 cm according to observations on Chishma (1), Duvan (2) and Zilair (3) meteorological stations.
в почвах речных бассейнов образовывался водонепроницаемый слой. Слой стока весеннего половодья в среднем составлял 93 мм при средней температуре февраля в эти зимы равной -4,2 °С. Образование водонепроницаемого слоя исключает часть стокоформирующей влаги из процесса формирования весеннего половодья. При полном оттаивании мерзлого слоя содержащаяся в нем талая влага инфильтрационным путем частично может пополнять запасы грунтовых вод. В 12 зимах температура февраля была выше -2,0 °С. Ее среднее значение составило -1,2 °С и водонепроницаемый слой, естественно, образоваться не мог. Слой стока половодья в среднем составлял 163 мм. В годы при образовании водонепроницаемого слоя сток половодья уменьшался в среднем в 1,8 раза. Таким образом, за период изменения климата, соотношение зим с наличием водонепроницаемого слоя и его отсутствием обусловливали среднее значение стока весеннего половодья.
Характерной особенностью горнолесной зоны является превышение запасов воды в снеге в период изменения климата по сравнению с квазистационарным периодом. По результатам наблюдений на м/с Улу-Теляк - это превышение в среднем достигает 33 мм при средней величине снегозапасов 229,3 мм.
В лесной и лесостепной зонах слой стока за половодье уменьшается. Обусловлено это тем, что в этих зонах зимний сток увеличился на 80-100 %. Часть стокоформирующей влаги была израсходована на зимний сток, что значительно уменьшило запасы стокоформирующей влаги весеннего половодья. Так, по данным м/с Верхнеяркеево в 2010 г. температура февраля в слое почвы 20 см была равна -7,6 °С, что свидетельствует об образовании водонепроницаемого слоя на водосборе р. База в створе с. Рсаево. За период изменения климата (1981-2019 гг.) средняя величина стока весеннего половодья составила 65,4 мм. В 2010 г., когда наблюдался водонепроницаемый
слой, слой весеннего половодья составил 51 мм, что на 22 % меньше величины от среднего значения стока половодья.
Аналогичные значения наименьших слоев стока весеннего половодья при образовании водонепроницаемого слоя наблюдались в бассейне р. Дема до створа с. Бочкарево в 2006, 2010 и 2018 гг. При температуре февраля, соответственно, -4,6 °С, -5,0 и -3,4 °С, слои стока весеннего половодья составили 25 мм, 37 и 47 мм, что значительно меньше средней многолетней величины 65,5 мм.
Зауральская степная и лесостепная зоны характеризуются глубокими промерзаниями почвы как при квазистационарном климате, так и при его изменении. При глубоком промерзании почвы в период квазистационарного режима климата более 1,5 м практически ежегодно возникали условия образования водонепроницаемого слоя. В период климатических изменений промерзание уменьшилось до 35-80 см, что несколько изменило условия образования водонепроницаемого слоя. Слой стока весеннего половодья возрос в среднем на 20 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Фактором, обусловливающим изменение характеристик зимнего и весеннего стока рек, является глубина промерзания почв речного бассейна. При климатических изменениях глубина промерзания осуществляет регулирующую функцию перераспределения стока. В зимний период она разделяет сто-коформирующие запасы влаги на две зоны: талую и мерзлую. При изменении климата в результате уменьшения глубины промерзания увеличивается запас влаги в талой зоне. Влага талой зоны формирует зимний и весенний сток.
Установлено, что в период квазистационарного состояния климата средние глубины промерзания составляли 79 см, изменяясь при этом от 44 до 115 см. В период климатических изменений глубины промерзания во всех речных бассейнах в среднем уменьшились на 22 см, что составляет 28 % от первоначальной величины. Коэффициент корреляции зависимости Q3MM= f(n) изменяется в пределах от 0,280 до 0,700, это свидетельствует о воздействии на формирование зимнего стока ряда неучтенных факторов.
Увеличение зимних расходов воды происходит на всех реках. На реках горнолесной и лесной зоны Башкортостана среднее увеличение за зиму, по отношению к аналогичному расходу в квазистационарный период, возросло на 44-45 и 47 % соответственно; в лесостепной зоне - на 90-92 %. Наибольшее увеличение зимнего стока (в 2-6 раз) наблюдается на реках высокогорной и зауральской степной зон. При увеличении зимнего стока, уменьшается запас стокоформирующей влаги, которая пополняет сток весеннего половодья. В лесной и лесостепной зонах, где зимний сток увеличился на 80-100 %, слой стока за половодье уменьшается: в лесостепной зоне в среднем на 11,8 %, от 3 до 25,7 %; в лесной - на 3 %. Уменьшение слоя стока весеннего половодья наблюдается также в том случае, когда в почве при таянии снега образуется водонепроницаемый слой. При образовании водонепроницаемого слоя, влага консервируется в мерзлом слое и только при его оттаивании принимает участие в стоке весеннего половодья.
Зауральская степная и лесостепная зоны отличаются глубокими промерзаниями почвы как при квазистационарном климате, так и его изменении. При промерзании почвы до 0,6-0,8 м практически ежегодно создаются условия образования водонепроницаемого слоя. В условиях климатических изменений, при возрастании зимних осадков, слой стока весеннего половодья в этих зонах возрос в среднем на 20 %. В горнолесной зоне, за счет увеличения зимних осадков, весенний сток увеличивается в среднем на 7,4 %, изменяясь в пределах от 1,2 до 12,2 %.
Таким образом, в рамках проведенной работы впервые показано, что при потеплении климата на территории Республики Башкортостан главным фактором, обусловливающим изменения характеристик гидрологического режима рек, является глубина промерзания почвы. В практическом плане возникает вывод о том, что необходима адаптация к этим природным изменениям как в области гидрологических прогнозов и расчетов стока, так и при разработке мероприятий по стабильному функционированию экономики региона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Георгиевский В.Ю., Ежов А.В., Шалыгин А.Л., Шикломанов И.А., Шикломанов А.И. Оценка влияния возможных изменений климата на гидрологический режим и водные ресурсы рек территории бывшего СССР // Метеорология и гидрология. 1996. № 11. С. 89-99.
2. Шикломанов И.А., Георгиевский В.Ю. Современные и перспективные изменения стока рек России под влиянием климатических факторов // Водные ресурсы суши в условиях изменяющегося климата. 2007. С. 20-32.
3. Шерстюков Б.Г. Глобальное потепление и его возможные климатические причины // Гидрометеорология и экология. 2023. № 70. С. 7-37. D0I:10.33933/2713-2023-70-7-37.
4. Школьник И.М., Мелешко В.П., Кароль И.Л., Киселев А.А., Надеждина Е.Д., Говоркова В.А., Павлова Т.В. Ожидаемые изменения климата на территории Российской Федерации в XXI веке // Труды Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2014. Вып. 575. С. 65-118.
5. Попов Е.Г. Вопросы теории и практики прогнозов речного стока. М.: Гидрометеоиздат, 1963. 395 с.
6. Григорьев В.Ю., Фролова Н.Л., Джамалов Р.Г. Изменение водного баланса крупных речных бассейнов Европейской части России // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2018. № 4. C. 36-47. DOI: 10.35567/1999-4508-2018-4-3.
7. Лавров С.А., Калюжный И.Л. Влияние климатических изменений на сток весеннего половодья и факторы его формирования в бассейне Волги // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2016. № 6. С. 42 - 60. DOI: 10.35567/1999-4508-2016-6-4.
8. Горбаренко А.В., Варенцова Н.А., Киреева М.Б. Трансформация стока весеннего половодья и паводков в бассейне Верхней Волги под влиянием климатических изменений // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2021. № 4. C. 6-28. DOI: 10.33933/2713-2023-70-7-37.
9. Красногорская Н.Н., Фащевская Т.Б., Головина А.В., Ферапонтов Ю.И., Жданова Н.В. Климатические особенности формирования стока р. Белая // Метеорология и гидрология. 2012. № 1. С. 82-91.
10. Хазиев Ф.Х. Экология почв Башкортостана. Уфа: Гилем, 2012. 312 с.
11. Мукатанов А.Х. Ландшафты и почвы Башкортостана. Уфа: БНЦ УрО РАН, 1992. 118 с.
12. Гареев А.М. Реки, озера и болотные комплексы Башкортостана. Уфа: Гилем, 2012. 246 с.
13. Калюжный И.Л., Лавров С.А. Механизм влияния глубины промерзания почв речных бассейнов на зимний сток // Водные ресурсы. 2017. Т. 44. № 4. С. 442-451. DOI 10.7868/ S0321059617040071.
14. Барышев В.И., Калюжный И.Л. Глубины промерзания почв при изменении климата в бассейнах рек Республики Башкортостан // Труды Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2023. № 608. С. 91-108.
15. Лобанов В.А., Шадурский А.Е. Применение эмпирико-статистических методов для моделирования и анализа климатических изменений // Ученые записки РГГМУ. 2010. № 14. С. 73-88.
16. Восканян К.Л., Иванова Т.И., Кузнецов А.Д., Никитина В.С., Сероухова О.С., Симакина Т.Е. Анализ смены периодов климатической стабильности северной территории России // Гидрометеорология и экология. 2022. № 67. С. 207-220. DOI: 1033933/2713-30012022-67-207-220.
17. Вершинина Л.К., Крестовский О.И., Калюжный И.Л., Павлова К.К. Оценка потерь талых вод и прогнозы объема стока половодья. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 192 с.
18. Журавин С.А. Исследование процессов влагооборота на воднобалансовых станциях в России. СПб.: РИАЛ, 2022. 224 с.
REFERENCES
1. Georgievsky V. Y., Ezhov A. V., Shalygin A. L., Shiklomanov I. A., Shiklomanov A. I. Assessment of the effect of possible climate changes on hydrological regime and water resources of rivers in the former USSR. Meteorology and Hydrology. 1996. No. 11. P. 89-99 (In Russ.).
2. Shiklomanov I.A., Georgievsky V.Y. Modern and prospective changes in the flow of rivers in Russia under the influence of climatic factors. Land water resources in a changing climate. 2007. Р. 20-32. (In Russ.).
3. Sherstyukov B. G. Global warming and its possible causes. Journal of Hydrometeorology and Ecology. 2023. No. 70. P. 7—37. doi: 10.33933/2713-3001-2023-70-7-37 (In Russ.).
4. Shkolnik, I.M., Meleshko, V.P., Karol I.L., Kiselev A.A., Nadyozhina E.D., Govorkova V.A., Pavlova T.V. Expected climate change in the Russian Federation in the 21st century. Proceedings of Voeikov Main Geophysical Observatory. 2014. Iss. 575. P. 65-118. (In Russ.).
5. Popov E.G. The questions of theory and practice of streamflow forecasting. Moscow: Gidrometeoizdat, 1963. 394 p. (in Russ.)
6. Grigoryev V. Y., Frolova N. L., Dzhamalov R.G. The Water Balance Change of Large River Basins of the European Russia. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2018. № 4. Р. 36-47. DOI: 10.35567/1999-4508-2018-4-3 (in Russ.).
7. Lavrov S.A. Kalyuzhniy I.L. Impact of the climatic changes on the spring fl ood runoff and its formation factors in the Volga River basin. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, Management. 2016. No. 6. P. 42-60. DOI: 10.35567/1999-4508-2016-6-4 (in Russ.).
8. Gorbarenko A.V., Varentsova N.A., Kireeva M.B. Transformation of the Spring High-water and Flood Runoff in the Upper Volga Basin under the Climate Change Impact. Water Sector of Russia: Problems, Technologies, management. 2021. No. 4. P. 6-27. DOI: 10.35567/1999-4508-2021-4-1 (in Russ.).
9. Krasnogorskaja N.N., Fashhevskaja T.B., Golovina A.V., Ferapontov Ju.I., Zhdanova N.V. Climatic features of the formation of the flow of the Belaya River. Meteorology and hydrology. 2012. № 1. P. 82-91. (In Russ.).
10. Khaziev F.H. Ecology of soils in Bashkortostan. Ufa: Gilem, 2012. 311 p. (In Russ.).
11. Mukatanov A.Kh. Landscapes and soils of Bashkortostan. Ufa: Bashkir Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 1992. 118 p. (In Russ.).
12. Gareev A. M. Rivers, lakes and bog complexes of the Republic of Bashkortostan. Ufa: Gilem, 2012. 248 p. (In Russ.).
13. Kalyuzhniy, I.L., Lavrov, S.A. The mechanism of the influence of the soil freezing depth in river basins on the winter runoff. Water resources. 2017. Vol. 44. No. 4. P. 442-451 (In Russ.).
14. Baryshev V.I., Kalyuzhnyj I.L. Depth of soil freezing in climate change in river basins of the Republic of Bashkortostan. Proceedings of Voeikov Main Geophysical Observatory. 2023. Iss. 608. P. 91-108 (In Russ.).
15. Lobanov V.A., Shadursky A.E. Application of empiric-statistical methods for modeling and analysis of climatic changes. Proceedings of the Russian State Hydro/meteorological University. 2010. No 14. P. 73-88. (In Russ.).
16. Voskanyan K.L., Ivanova T.I., Kuznetsov A.D., Nikitina V.S., Seroukhova O.S., Simakina T.E. Analysis of the changes of periods of climatic stability in the northern territory of the Russian Federation. Hydrometeorology and Ecology. 2022. No 67. P. 207-220. DOI: 1033933/2713-30012022-67-207-220 (In Russ.).
17. Vershinina, L.K., Krestovskiy, O.I., Kalyuzhniy, I.L., Pavlova, K.K. Assessment of meltwater losses and forecasts of flood runoff. L: Gidrometeoizdat, 1985. 189 p. (In Russ.).
18. Zhuravin S. A. Study of water at the water balance stations in Russia. St. Petersburg: RIAL ltd, 2022: 224 p. (In Russ.).
Сведения об авторах:
Барышев Валерий Иванович, аспирант, ФГБУ «Государственный гидрологический институт», Россия, 199053, Санкт-Петербург, 2-я линия В.О., д. 23; ORCID: 00000002-3756-1683; e-mail: hfl@mail.ru
Калюжный Игорь Леонидович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, заведующий гидрофизической лабораторией, ФГБУ «Государственный гидрологический институт», Россия, 199053, Санкт-Петербург, 2-я линия В.О., д. 23; Scopus Author ID: 6602575483; ID РИНЦ: 58201; e-mail: hfl@mail.ru
About the authors:
Valerii I. Baryshev, Postgraduate student, State Hydrological Institute, 2nd Liniya V.O., 23, St.-Petersburg 199053 Russia; ORCID: 0000-0002-3756-1683; e-mail: hfl@mail.ru
Igor L. Kalyuzhny, Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Head, Hydro/physical laboratory, State Hydrological Institute, 2nd Liniya V.O., 23, St.-Petersburg 199053 Russia; Scopus Author ID: 6602575483; ID РИНЦ: 58201; e-mail: hfl@mail.ru
