CC BY
143
ГЛОБАЛЬНЫЕ И РЕГИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
УДК 556.16 (470+571)
Н.Л. Фролова1, Д.П. Нестеренко2, Н.В. Шенберг3 ВНУТРИГОДОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СТОКА РЕК РОССИИ4
Рассмотрены зависимости характеристик внутригодовой неравномерности стока (коэффициент естественной зарегулированности стока, доля объема весеннего половодья в годовом стоке) от гидрографических, морфометрических, климатических и ландшафтных факторов. Проведено районирование территории России по неравномерности внутригодового распределения стока по данным более чем 900 гидрометрических постов. Дана оценка временной изменчивости коэффициента естественной зарегулированности стока для отдельных рек. Для рек европейской территории России выявлено устойчивое уменьшение неравномерности стока за период после 1935 г. Оценено возможное влияние неравномерности внутригодового распределения стока на гидроэкологическую безопасность территории.
Ключевые слова: изменение климата, внутригодовое распределение стока, естественная зарегулированность стока, водный режим.
Введение. Исследование внутригодового распределения стока рек — важная научная и практическая проблема современной гидрологии. На основе расчетов внутригодового распределения стока устанавливаются водохозяйственные параметры: гарантированная отдача воды, выработка электроэнергии, регулирующая емкость водохранилищ и др. Задача учета внутригодовой изменчивости стока воды часто возникает на этапах планирования мероприятий по улучшению экологического состояния малых и средних рек, при рационализации использования их водных ресурсов. Решение такой задачи необходимо при анализе риска снижения минимального расхода воды рек относительно величины, необходимой для надежной работы всех водопользователей, при оценке возможности сезонного превышения среднего месячного расхода воды (по отношению к региональному фону) и соответствующих экономических ущербов.
Постановка проблемы. Представление о вну-тригодовом распределении стока рек дают типовые хронологические графики хода стока отдельных рек (или рек однородных районов) за характерные годы. Анализ гидрографов стока многочисленных рек в различных географических зонах и районах территории бывшего СССР позволил, несмотря на многообразие индивидуальных особенностей их водного режима, установить общие или близкие черты, присущие тем или иным группам рек, разработать классификацию рек по источникам питания и внутригодовому распределению стока [4]. Последним обобщением данных
о характере внутригодового распределения и режима рек на территории РФ стала карта «Водный режим рек России и сопредельных территорий» масштаба 1:8 000 000 [2].
При изучении внутригодового распределения стока рек кроме хронологического (календарного) описания распределения стока используется анализ его некалендарного распределения в форме кривых продолжительности суточных расходов воды. Они дают возможность оценить продолжительность расходов воды, равных заданной величине или превышающих ее. Более распространено использование коэффициента естественной зарегулированности ф для характеристики неравномерности внутригодового распределения стока воды. Он соответствует доле «базисного» стока в годовом объеме стока. Численно коэффициент ф равен отношению площади гидрографа, расположенной ниже ординаты среднегодового расхода (базисный сток), к общей площади этого гидрографа (годовой сток). Базисная часть стока отражает естественную зарегулированность водосбора и его аккумулирующую способность, поэтому значение коэффициента ф уменьшается при уменьшении озерности, а также при переходе от лесной зоны к полупустынной. Этот коэффициент применяется в основном для сравнительной характеристики разных рек или районов в отношении величины наиболее устойчивых («базисных») водных ресурсов. Для конкретной реки величина ф меняется год от года в зависимости от особенностей, и в первую очередь от многоводной фазы водного режима.
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, доц., канд. геогр. н., e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, аспирант, e-mail: [email protected]
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра гидрологии суши, инж., тел. 939-55-15.
4 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 09-05-0041, 09-05-00339; 09-05-92001-ННС, 10-05-00252), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (государственный контракт № 02.740.11.0336 и проект № П164).
Так как способы определения значений коэффициента естественной зарегулированности стока по суточным данным довольно трудоемки, была предпринята попытка вычислить этот коэффициент по месячным данным для ряда рек севера европейской территории России (ЕТР), бассейнов Волги и Дона. Значения коэффициента ф, полученные обоими способами, оказались весьма близкими для всех рассмотренных случаев (коэффициент корреляции больше 0,95). При этом использование среднемесячных расходов дает несколько завышенную ее величину (примерно на 3—4% при ф=0,5 и на 9—10% при ф=0,3). Коэффициент вариации рядов значений коэффициента естественной зарегулированности равен 0,10 для северных рек и 0,15 для рек бассейна Волги, 0,25 для рек бассейна Дона. Таким образом, для обеспечения точности расчета в 10% достаточно рядов значений коэффициента ф продолжительностью 15—20 лет. Именно такого рода информация имеется в справочниках «Ресурсы поверхностных вод СССР». Для массовых расчетов вполне достаточно использовать ряды среднемесячных расходов воды.
Для характеристики неравномерности стока часто используется и другой обобщенный показатель — коэффициент внутригодовой неравномерности стока й = 1 — ф. Коэффициент й позволяет сравнивать условия регулирования стока, поскольку численно равен емкости регулирования, необходимой для полного выравнивания стока внутри года (в долях от суммарного объема водных ресурсов). Географические закономерности изменения значений коэффициентов ф и й известны из работ [1, 5—7].
Цель исследования — изучение пространственно-временной изменчивости характеристик неравномерности внутригодового распределения стока рек России. Для достижения этой цели решались следующие задачи:
— рассмотрение зависимостей характеристик внутригодовой неравномерности стока от гидрографических, морфометрических, климатических и ландшафтных факторов;
— районирование территории Российской Федерации по неравномерности внутригодового распределения стока;
— оценка временной изменчивости коэффициента естественной зарегулированности стока;
— характеристика возможного влияния неравномерности внутригодового распределения стока на гидроэкологическую безопасность территории.
Материалы и методы. В качестве основного источника информации о характеристиках неравномерности внутригодового распределения стока и гидрографических характеристиках речных бассейнов использованы материалы 40 выпусков справочника «Ресурсы поверхностных вод СССР» (монографическая серия и серия «Основные гидрологические характеристики») по 900 постам. Они обобщают режимные наблюдения на имевшейся на момент
выпуска изданий сети гидрологических станций и постов на реках СССР за многолетний период. Эти значения авторы соответствующих выпусков справочника «Ресурсы поверхностных вод СССР» усредняли по имеющимся рядам наблюдений.
Данные о суточных значениях расходов воды исследуемых рек получены из соответствующих выпусков гидрологических ежегодников. Все эти данные относятся к рекам с водным режимом, существенно не искаженным хозяйственной деятельностью, с диапазоном площади водосборов от 500 до 10 000 км2. Их статистическая обработка проведена с помощью стандартных пакетов Statistica и Excel, карты построены с помощью пакета ArcViewGis 3.2.
Особенности внутригодовой неравномерности стока рек России. Выделение районов по характеру и величине неравномерности внутригодового распределения стока проводили последовательно в несколько этапов. На первом этапе учитывалась широтная зональность определяющих факторов. Затем границы районов корректировали в соответствии с особенностями водного режима рек России [2, 4] и рельефа земной поверхности. Окончательная корректировка границ выделенных районов проводилась на основе показателей, характеризующих неравномерность внутригодо-вого распределения стока рек, и факторов, влияющих на естественную зарегулированность стока.
Выполненное районирование отображает пространственное распределение характеристик водного режима, обусловленное широтной зональностью, долготной дифференциацией и высотной поясностью. Решающее влияние на величину стока воды и ее временную изменчивость оказывают зональные климатические факторы (осадки, испарение, температура, влажность), а также факторы подстилающей поверхности (почвенно-геологические, геоморфологические, гидрографические, ботанические). Территория России расположена в арктическом, субарктическом, умеренном и субтропическом поясах Северного полушария. В зависимости от природной зоны величина коэффициента естественной зарегулированности ф изменяется (табл. 1) от 0,35 до 0,63 (рис. 1). Она увеличивается от зоны тундры к лесной зоне и уменьшается от лесной зоны к степной.
Таблица 1
Средние значения коэффициента естественной зарегулированности ф для различных природных зон
Коэффициент ф Природная зона Число постов
0,44 Лесотундра 50
0,52 Лесная 304
0,46 Лесостепь 81
0,35 Степь 40
0,63 Горные районы 71
Для первых трех поясов зимой характерно образование устойчивого снежного покрова и формирование
Рис. 1. Распределение по территории РФ значений коэффициента естественной зарегулированности стока ф
весеннего (весенне-летнего) половодья. В горных областях южной части ЕТР главную роль играет вертикальная поясность с образованием на определенных высотах устойчивого снежного покрова, многолетних снежников и ледников. Поэтому состав обобщенных показателей внутригодовой неравномерности стока целесообразно дополнить характеристиками главной многоводной фазы. Наиболее важной из них является доля весеннего половодья в годовом стоке йвп, поскольку «надбазисный» сток й = 1 — ф полностью определяется величиной йвп. Доля весеннего половодья в годовом стоке фактически определяет его внутригодовую неравномерность (рис. 2, 3). По мере убывания доли стока половодья эта связь ослабевает вплоть до полного исчезновения на реках, где главной фазой режима является паводочный период (например, реки с дальневосточным типом водного режима). В связи с этим важно оценить долю (£) участия вод весеннего половодья в формировании «надбазисного» стока, который соответствует расходам воды, превышающим среднюю годовую величину. На равнинных реках европейской территории бывшего СССР, в северной половине лесной зоны она составляет 0,83—0,88, для южной половины — 0,86—0,88. Для степной и лесостепной зон величина £ возрастает до 0,92—0,95, а для сухостепных и полупустынных районов Северного Кавказа и Заволжья — до 1,00 [1]. Минимальные значения £ наблюдаются на реках Западной Украины, Молдавии (около 0,7) и в Прибалтике (до 0,6).
Географические закономерности распределения доли весеннего половодья (йвп) определяются множеством факторов, отражающих гидротермические (зональные) условия территории и характер подстилающей поверхности. Для Восточно-Европейской равнины географические закономерности изменения йвп характеризуются убыванием этой доли при переходе от арктических широт к лесной зоне (примерно от 100 до 50%) и ее увеличением при переходе от лесной зоны к полупустынной (приблизительно от 50 до 100%) [5]. Это означает, что соответствующим образом изменяется возможность хозяйственного использования поверхностных вод в различных природных условиях: чем ближе величина йвп к 100%, тем масштабнее обеспечение населения и хозяйства водой из поверхностных источников в маловодные сезоны года, сложнее условия существования водных экосистем даже при отсутствии факторов, негативно влияющих на качество воды.
Если использовать данные о доле участия весеннего половодья в формировании надбазисного стока £ [1], то можно приблизительно оценить объем воды (в долях от годового стока) в период паводков с расходами воды, превосходящими величину среднего годового расхода, она равна йпав = й(1 — £). Для равнинных рек лесной зоны в европейской части России величина йпав пропорциональна примерно 0,15й. Для водотоков степной и лесостепной зон она составляет 0,05^0,1 й, а в условиях сухостепной и полупустынной зон практически равна нулю.
Рис. 2. Распределение доли весеннего половодья (%) в годовом объеме стока
Неравномерность (при оценке «сверху») среднего за летне-осеннюю и зимнюю межень расхода воды 2м характеризует показатель
Кы =
Qu
G
ср.год
1 -и.
(1)
где ¿вп — продолжительность весеннего половодья. Этот показатель дает представление об объеме годового стока (за вычетом стока весеннего половодья и паводков), максимально возможного за период межени. Менее тесно связана с долей весеннего половодья с1пи величина коэффициента неравномерности стока Кк = бмакс/6ср.ГОд , поскольку на максимальные расходы воды сильно влияют индивидуальные особенности бассейна: площадь водосбора, его залесенность, заболоченность, озерность и ряд других факторов.
Изменение доли половодья в годовом стоке рек для восточных территорий страны носит более сложный характер. Величина йвп увеличивается с запада на восток в пределах Западной Сибири, Среднесибирского плоскогорья, Алтая и Кузнецкого Алатау (в диапазоне 60—65%). Она уменьшается до 40—50% для рек хр. Верхоянского и Черского и еще существеннее — для рек Витимского плоскогорья, Станового хребта, хр. Хамар-Дабан, Алданского нагорья (15—25%).
Доля половодья в годовом стоке увеличивается для рек Забайкалья, лесной зоны Приморья до 35—45%, Камчатки и Сахалина до 50—55% (рис. 2).
Реки, не получающие питания талыми водами, не образуют сплошного пояса. Их бассейны расположены локально на юге страны. Водный режим таких рек определен дождевыми осадками, формирующими паводки в любой сезон года. В зависимости от количества выпадающих осадков и состояния подстилающей поверхности бассейна паводки могут об-
Рис. 3. Связь среднемноголетних значений коэффициента естественной зарегулированности ф и доли весеннего половодья в годовом стоке dBn для юга лесной зоны и лесостепной зоны: подрайон IIj — западная часть, II2' — Предуралье и Южный Урал, II2" — Барабинская низменность и Чулымская равнина
разовывать паводочный период либо формироваться на фоне низкой или относительно низкой межени. Таковы реки Черноморского побережья Кавказа, районов западного побережья Каспийского моря, нижней Кубани (преимущественно осенью и зимой), районов Предкавказья (преимущественно летом).
Выделенные авторами карты [2, 4] 37 типов характерного внутригодового колебания водности рек наглядно показывают существенную неравномерность внутригодового распределения практически всего поверхностного стока. При выделении отдельных типов водного режима учитываются источники питания рек и их значимость, характер многоводной фазы, летне-осеннего и зимнего меженного периодов. Районы с разными типами водного режима — основа для более дробной классификации рек по неравномерности внутригодового распределения стока.
С учетом особенностей водного режима рек [2, 4] и рельефа территории страны [8] выделены основные контуры границ районов с близкими значениями характеристик неравномерности стока воды. Они уточнялись на основе анализа значений коэффициента естественной зарегулированности стока ф и доли весеннего половодья dвп на отдельных постах и в целом для выделяемого района и подрайонов (рис. 3). В табл. 2 показан пример характеристики выделенных подрайонов с точки зрения особенностей внутригодовой неравномерности стока. Такой анализ проведен нами для всей территории страны. В результате на территории РФ выделено 12 районов, некоторые из которых имеют подрайоны (рис. 4). Средние величины коэффициентов ф и dвп для этих районов приведены в табл. 2. Для каждого подрайона получены уравнения связи указанных коэффициентов с гидрографическими и физико-географическими характеристиками. В их состав включены расстояния от наиболее удаленной точки бассейна и от истока реки; средний и средневзвешенный уклон реки; площадь водосбора; его средние ширина и высота; средний уклон водосбора; густота русловой сети; лесистость; озерность; заболоченность; распаханность и площадь ледников, влияющих на естественную за-регулированность и неравномерность внутригодового распределения стока. В рассматриваемом примере
(табл. 2, рис. 3) для западной части второго района наилучшая связь была установлена для коэффициента ф с лесистостью водосборов (коэффициент корреляции равен 0,45), средней высоты водосборов (коэффициент корреляции равен 0,56), для восточных подрайонов соответствующие коэффициенты равны 0,27 и 0,25.
Коэффициент естественной зарегулированности стока ф, осредненный по выделенным районам, характеризуется существенно меньшей пространственной изменчивостью, для европейской части России эта величина колеблется в пределах 0,45—0,55, уменьшаясь для степной и лестостепной зон до 0,35.
Для азиатской территории страны эта величина равна для Западной и Восточной Сибири 0,57 и 0,47 соответственно. На восток эта величина уменьшается для рек Витимского и Анадырского плоскогорья, хр. Черского и Верхоянского до 0,35—0,40. Для рек Камчатки и Сахалина величина естественной зарегу-лированности возрастает до 0,60.
Влияние отдельных физико-географических факторов на естественную зарегулированность или неравномерность внутригодового распределения стока исследовано на примере отдельных районов, относительно однородных по водному режиму. Зависимость коэффициента ф от основных физико-географических факторов на территории Белоруссии и Верхнего По-днепровья в свое время исследовал В.И. Бабкин [7]. Подобная работа была проведена и А.М. Комлевым [6] для территории Западной Сибири.
Зональность изменения по территории коэффициента естественной зарегулированности стока нарушается азональными факторами, и в первую очередь величиной площади водосбора.
Эта ситуация в целом сохраняется для всей территории страны. Для районов, расположенных в пределах горных территорий, величина ф чаще изменяется вследствие их дифференциации по средней высоте водосбора, величине уклонов реки и площади бассейнов. Для равнинных территорий она в большей степени определяется изменчивостью площади и лесистости водосборов. В некоторых случаях выявлена зависимость величины ф от озерности и заболоченности (реки северо-запада ЕТР, Сахалина и др.).
Таблица 2
Пример характеристики районов для построения карты неравномерности внутригодового распределения стока
Номер района на рис. 4 Физико-географические районы и подрайоны [8] Объем выборки dBn (среднее для всего района) ф (среднее для всего района) Номер района на карте «Водный режим» [2, 4] Уравнение регрессии ф = f (db„) (рис. 3), коэффициент корреляции
Ill Лесостепная зона, юг лесной зоны (западная часть района) 47 0,55 0,51 14 (16) ф = -0,76dm+ 0,93 r = -0,89
II2 Лесостепная зона, юг лесной зоны (восточная часть района)
II2' Предуралье и Южный Урал 31 0,59 0,48 2, 3 ф = -0,64dSn +0,86 r = -0,92
II2" Барабинская низменность, Чулымская равнина 24 0,76 0,40 2 ф = -0,83dm +1,03 r = -0,93
Рис. 4. Схема районирования территории России по неравномерности внутригодового распределения стока рек. Описание см. в тексте
Таблица 3
Легенда к схеме районирования территории России по внутригодовой неравномерности стока рек
Номер района Цвет Физико-географические районы ¿вп (среднее по району) Ф (среднее по району)
0 нет данных
I 1 ! 11 Юго-запад, юг и юго-восток ЕТР, Приазовье и юг Западной Сибири 0,67 0,34
II Запад ЕТР, Предуралье и Южный Урал, Барабинская низменность, Чулымская равнина 0,61 0,47
III Северо-запад ЕТР 0,53 0,54
IV £ Север и восток ЕТР, Западно-Сибирская равнина, Среднесибирское плоскогорье, Приленское плато 0,90 0,50
V -1- Северный Урал, Алтай, Кузнецкий Алатау, Забайкалье и Предбайкалье 0,52 0,57
т т:
VI л * г * Восточный Саян и Приморский хребет, Становое нагорье, Северо-Байкальское нагорье, Патомское нагорье, отроги хребтов Хамар-Дабан, Яблонового, Малханского, южный склон хр. Хамар-Дабан, Чикойский хребет, Витимское плоскогорье, Олек-минский Становик, Становой хребет, Алданское нагорье, отроги хребтов Джагды и Буреинского, Борщовочный хребет, междуречье рек Аргунь и Газимур 0,26 0,51
VII 1111111 Хребты Верхоянский, Черского, Колымская низменность, северные склоны Колымского нагорья, Анадырского плоскогорья, хребтов Черского, Сунтар-Хаята, западные и юго-западные склоны хр. Джугджур, восточные и северо-восточные склоны хребтов Турана и Буреинского, Приморье 0,43 0,4
VIII ш Яно-Чукотская горная страна, горная система Черского, Анадыро-Пенжинская низина 0,5 0,38
IX Камчатка 0,61 0,68
X Ш Сахалин 0,52 0,56
XI С Бассейны рек Кубань, Терек, Сулак, Самур 0,7 0,68
XII Северный Кавказ - 0,7
Изменение климата и его влияние на неравномерность внутригодовoго распределения стока. Характерная черта климата современной эпохи — потепление. Тренд средних значений годовой температуры составил для территории России в 1976—2009 гг. +0,47 °С/10 лет [3]. Процесс потепления более всего выражен зимой и весной, в теплый период года он практически незаметен. Это находит отражение в изменении внутригодового распределения осадков. Оно особенно существенно в умеренных широтах, где при потеплении увеличивается доля осадков, выпадающих в жидком виде. За последние 25—30 лет ХХ в. в высоких широтах значительно увеличилась доля жидких осадков в холодное время года. Это может не влиять на величину годового стока, но сказывается на гидрологическом режиме рек, поскольку уменьшается объем половодья и увеличивается зимний сток. Основная современная тенденция — увеличение водности рек в зимний сезон.
Наиболее отчетливо увеличение зимнего стока проявилось в пределах ЕТР от верховьев Северной Двины до низовьев Дона и Волги. Для этой территории отмечаются статистически значимые по-
А
Коэффициент естественной зарегулированности (р
1,0-1
0:20." -1-1-1-1-1-1-1-1
1930 1940 1950 1960 1970 1930 1990 2000 2010
Годы
Б
Коэффициент естественной зарегулированности <р
1,0 -0,8-
1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000
Годы
Рис. 5. Изменение значений коэффициента естественной зарегулированности ф для поста р. Ока (г. Калуга) за период 1935—2005 гг. (А) и для поста р. Дон (г. Лиски) за период 1881—2005 гг. (Б)
ложительные тренды зимнего стока. На азиатской территории России (АТР) статистически значимые положительные тренды зимнего стока отмечаются в бассейне Лены (реки Витим, Олекма, Алдан, Амга) и на левобережных притоках Иртыша и Тобола. В бассейне Лены зимний сток за последние 20—25 лет увеличился на 10—30%, на реках Иртыш и Тобол — на 40—70%. Летне-осенний сток в 1978—2000 гг. увеличился на большей части территории России. Наиболее отчетливо этот процесс проявился на реках лесостепной и степной зон ЕТР.
На этом фоне в ряде регионов России произошло некоторое уменьшение весеннего стока рек. Уменьшение весеннего стока в верховьях Волги, в бассейнах рек Ока и Сура за период 1978—2000 гг. составило 10—20%. Практически на всех реках бассейна Дона и российской части Днепра оно составило 10—30%. В северной части бассейна Волги, на реках Унжа и Ветлуга, наоборот, наблюдалось некоторое увеличение весеннего стока. В бассейне Камы, например, оно составило 15—25%. Заметные изменения стока отсутствуют в бассейнах рек Кубань, Кума и Терек.
Для АТР увеличение водности в летне-осеннее время наблюдается на тех же реках, где произошло увеличение зимнего стока: на левобережных притоках Тобола и Иртыша и в бассейне Лены. За период с 1978 по 2000 г. летне-осенний сток этих бассейнов увеличился на 10—20%. Такая же тенденция отмечается и
О -1-1-1-1-1-1-1-1
1930 1340 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Годы
90 г
80
20 -'-'-'-1-'-'-1-'
1930 1940 1950 19Б0 1970 1980 1990 2000 2010
Годы
Рис. 6. Изменение максимальных значений расхода воды бмакс, м3/с (А) и доли половодья в годовом стоке йвп,% (Б) для р. Ока (г. Калуга) за период 1935—2005 гг.
в бассейнах некоторых рек северо-востока Сибири (реки Оленек, Яна, Индигирка), где увеличение водности в летне-осенний период составило 15—30%.
Анализ фактических данных за последние 100 лет позволяет сделать вывод, что такая ситуация ранее не наблюдалась, так как и многоводные, и маловодные фазы в бассейнах рек этого региона определялись величиной стока во время весеннего половодья. Этот факт свидетельствует о существенном изменении в последние годы условий формирования стока в результате увеличения подземной и уменьшения поверхностной составляющей, а также о значительном снижении неравномерности внутригодового распределения [3, 9].
Изменение характеристик неравномерности внутригодового распределения стока изучено для рек севера ЕТР, Волги и Дона. На рис. 5 отчетливо прослеживается увеличение доли базисного стока или коэффициента естественной зарегулирован-ности стока для Оки и Дона. Он возрос, например, для Оки с 0,49 до 0,73, т.е. почти на 33%. Наиболее заметные изменения отмечаются с начала 40-х гг. XX в. Одновременно с изменением величины ф происходит трансформация гидрографа Оки за счет уменьшения максимальных расходов весеннего по-
ловодья, уменьшения доли стока за половодье и увеличения расходов воды за летне-осенний период (рис. 6, 7). Если до второй половины 1970-х гг., в соответствии с классификацией М.И. Львовича, реки указанных выше районов по источникам питания и внутригодовому распределению стока относились к категории рек «преимущественно снегового» питания, то в конце XX в. произошел переход к категории рек со «смешанным питанием» или даже «смешанным с преобладанием грунтового». Это привело к значительному увеличению естественной зарегулированности стока, по масштабу сопоставимому с влиянием водохранилищ сезонного регулирования [9].
Происходящие изменения водного режима объясняются изменением сумм осадков за холодный и теплый периоды и их соотношением. Внутригодовая неравномерность стока снижается с увеличением доли осадков в теплые периоды и увеличивается с ее ростом в холодные периоды.
Анализ данных наблюдений в бассейнах северных рек приводит к аналогичным результатам. Для этих рек также характерно увеличение коэффициента естественной зарегулированности ф, хотя и не столь явно выраженное по сравнению с условиями в бассейне Волги и Дона.
Учет внутригодовой неравномерности стока при оценке гидроэкологической безопасности территории. Внутригодовая неравномерность стока рек — важнейший фактор гидроэкологической безопасности территории, во многом определяющий условия использования поверхностных вод и безопасность природопользования на освоенных участках речных долин. Роль этого фактора иллюстрируют данные о повторяемости чрезвычайных ситуаций на территории РФ (табл. 4). Подобная зависимость была обнаружена и для величины максимального превышения уровней начала затопления поймы (табл. 5). С уменьшением величины ф максимальное превышение уровней возрастает, что связано с уменьшением «надбазисного» стока при катастрофических половодьях и паводках, в том числе техногенного характера.
Таблица 4
Зависимость средних значений коэффициента естественной зарегулированности ф от среднемноголетнего числа чрезвычайных ситуаций (ЧС), по [7]
Коэффициент ф Повторяемость ЧС Число постов
0,60 3 62
0,51 8 196
0,49 13 196
0,49 18 81
0,43 23 5
0,60 33 11
Рис. 7. Гидрограф р. Ока (г. Калуга) за 1976 г. (А) и 1997 г. (Б) (закрашен базисный сток)
Таким образом, неравномерность внутригодово-го распределения стока рек России является одним из определяющих факторов гидроэкологической безопасности территорий. Дальнейшее исследование
Таблица 5
Связь средних значений коэффициента естественной зарегулированности стока ф и максимального превышения уровней начала затопления поймы, по [7]
Коэффициент ф Максимальное превышение уровня начала затопления, м Число постов
0,59 >0,3 28
0,57 0,3-0,8 82
0,50 0,8-1,5 195
0,51 1,5-2 128
0,46 2-3,3 103
0,44 3,3-5 14
должно быть направлено на поиск зависимостей, связывающих характеристики неравномерности стока рек с метеорологическими и гидрографическими характеристиками речных бассейнов.
Заключение. Характеристики неравномерности внутригодового распределения стока (коэффициент естественной зарегулированности ф и доля весеннего половодья в годовом стоке dвп) испытывают закономерное пространственно-временное изменение на территории России. В зависимости от особенностей рельефа, природной зоны, типа водного режима рек территорию страны можно разделить на районы, в которых величина неравномерности стока относительно одинакова. Временная изменчивость коэффициента естественной зарегулированности стока ф зависит от трансформации режима выпадения осадков, изменения величины максимального весеннего и минимального стока воды за зимний период. Для рек европейской территории России выявлено устойчивое увеличение неравномерности стока за период после 1935 г. Установлена количественная связь коэффициента естественной зарегулированности стока ф и повторяемости чрезвычайных ситуаций, связанных с максимальным превышением уровней начала затопления поймы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреянов В.Г. Внутригодовое распределение речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. 328 с.
2. Водный режим рек России и сопредельных территорий: Карта для высшей школы. Масштаб 1 : 8 000 000. Новосибирск: Роскартография, 2001.
3. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2009 год. М.: Росгидромет, 2009.
4. Евстигнеев В.М., Зайцев А.А, Сваткова Т.Г. и др. Водный режим рек СССР (карта для высшей школы масштаба 1 : 8 000 000) // Вестн. Моск ун-та. Сер. 5. География. 1990. № 1. С. 10-16.
5. Евстигнеев В.М., Иванов В.В, Шенберг Н.В. Особенности сезонной неравномерности распределения стока воды рек европейской территории России //
Проблемы гидрологии и гидроэкологии. Вып. 2. М.: географический факультет МГУ, 2004. С. 175—186.
6. Комлев А.М. Исследования речного стока. Избранные труды. Пермь: Изд-во Пермского ун-та, 2006. 308 с.
7. Кузин Л.С., Бабкин В.И. Географические закономерности гидрологического режима рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 200 с.
8. Национальный Атлас России. Т. 2. Природа. Экология. М.: Роскартография, 2007. 495 с.
9. Шикломанов И.А., Георгиевский В.Ю. Современные и перспективные изменения стока рек России под влиянием климатических факторов // Водные ресурсы суши в условиях меняющегося климата. СПб.: Наука, 2007. С. 20-32.
Поступила в редакцию 24.02.2010
N.L. Frolova, D.P. Nesterenko, N.V. Shenberg INTRA-ANNUAL FLOW REGIME OF RIVERS IN RUSSIA
Interrelations between parameters characterizing the intra-annual irregularity of flow (coefficient of natural flow regulation, spring flood volume as percentage of the annual runoff, etc.) and hydro-graphic, morphometric, climatic and landscape factors are described. Regionalization of the territory of Russia according to the intra-annual flow regime has been carried out using the data of more than 900 hydrometric gauges. Temporal variability of the coefficient of natural flow regulation has been analyzed for several rivers. It was found out that since 1935 permanently decreasing variability of runoff is typical for the rivers of the European part of Russia. Possible effects of irregular intra-annual flow regime on the hydroecological safety of territories are discussed.
Key words: climate change, intra-annual flow regime, natural flow regulation, water regime.
