CC BY
43
Гидрогеология
УДК 550.42:577.4(571.1)
ВОДНЫЙ СТОК РЕКИ ВАХ (ЗАПАДНАЯ СИБИРЬ), УСЛОВИЯ ЕГО ФОРМИРОВАНИЯ И МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ
О.Г. Савичев, О.А. Камнева
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Приведены результаты статистического анализа изменений среднемесячных и среднегодовых значений температуры атмосферного воздуха и элементов водного баланса р. Вах - крупного правого притока р. Обь (Западная Сибирь). Установлено, что норма годового общего увлажнения и стока данной реки в течение 1937-2007 гг. остается статистически неизменной и составляет 694 и 302 мм соответственно. Вместе с тем, наблюдается увеличение подземной составляющей суммарного стока и стока зимней межени. Предложен механизм этих изменений, связанный со смещением границ гидрологических сезонов за счет более ранних сроков снеготаяния и увеличения предзимья. Установлено, что в регионе наблюдаются благоприятные условия для активизации болотообразования.
Ключевые слова:
Водный баланс, многолетние изменения стока, Западная Сибирь, река Вах.
Введение
В последние десятилетия наблюдаются заметные изменения климата Западной Сибири [1]. Очевидно, что такие изменения должны отразиться на водном балансе речных бассейнов и условиях ведения хозяйственной деятельности. С учётом этого водный баланс региона, условия его формирования и пространственно-временные изменения являются важным объектом геоэкологических и гидрологических исследований. В данной работе, продолжающей цикл исследований гидроклиматических условий Сибири [2-4], эта проблема рассмотрена на примере р. Вах - крупного правого притока р. Обь. Выбор объекта исследований обусловлен как его типичностью для зоны средней тайги, с одной стороны, так и необходимостью детального изучения водно-экологической ситуации на территориях интенсивного развития нефтегазодобывающего комплекса, с другой.
Река Вах берет начало в северной части Кеть-Тымской равнины, течет с востока на запад, выходит на территорию Среднеобской низменности и впадает в р. Обь справа на 1730 км от устья, в 14 км выше г. Нижневартовска. Общая длина реки -964 км. Площадь водосбора составляет 76700 км2, причем болота (преимущественно верховые) занимают более 20 % этой территории. Согласно [5], рассматриваемый водоток расположен на границе
Иртышско-Енисейского и Пурского гидрологических районов и характеризуется наличием весенне-летнего половодья, летних и осенних паводков, продолжительной межени и устойчивого ледостава.
Исходной информацией для проведения исследований послужили материалы наблюдений: 1) Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (далее - Росгидромет) за температурой приземных слоев воздуха на метеостанциях в сс. Александровское, Напас, Ларьяк с 1937 по 2007 г.; 2) Росгидромета за атмосферными осадками на метеостанции в с. Александровское с 1937 по 2007 г.; 3) Росгидромета за расходами воды р. Вах у с. Лобчинское с 1953 по 1984 г. и с 1994 по 1996 г.; 4) Росгидромета за расходами воды р. Тым у с. Напас с 1937 по 2007 г. (рисунок).
Методика исследований
Методика исследований включала: 1) приведение гидрологического ряда расходов воды р. Вах у с. Лобчинское к многолетнему периоду с привлечением данных наблюдений пунктов-аналогов; 2) построение уравнения месячного водного баланса водосбора р. Вах в створе с. Лобчинское за период с 1937 по 2007 г.; 3) статистический анализ многолетних изменений его элементов.
Режимные наблюдения на р. Вах в створе с. Лобчинское после 1984 г. не ведутся, что суще-
ственно ограничивает эффективность исследований изменений гидроклиматических условий региона, особенно заметно проявляющихся на прилегающих территориях именно в 1980-2000-е гг. [2]. В связи с этим было выполнено восстановление гидрологических рядов р. Вах у с. Лобчинское по аналогу - р. Тым у с. Напас. При выборе аналога учтены следующие условия: 1) синхронность колебаний водного стока; 2) географическая близость расположения водосборов и сходные условия формирования водного стока; 3) отсутствие факторов, существенно искажающих естественный речной сток. Приведение гидрологических рядов к многолетнему периоду выполнено путем построения и анализа регрессионных зависимостей между стоком р. Вах в створе с. Лобчинское и р. Тым в створе с. Напас.
= X - В - Е.
Ж 5
(*)
где Е5 - месячное испарение воды из снега, мм, рассчитанное по формуле П.П. Кузина:
Ез , = 0,34 тс1г,
где т - количество суток в месяце; Dt - среднемесячный дефицит влажности, гПа. Для приближенного расчета месячного влагозапаса в снеговом покрове использовалась неявная разностная схема решения ур. (*).
Водоотдача из снегового покрова В приближенно определялась согласно [6-8] при температуре атмосферного воздуха больше или равной 0 °С и наличии снегового покрова по уравнению:
В = шт
кт Та,, т 1 - К
ш
+к £ X, Т , ; $
где кТ - коэффициент стаивания преимущественно за счет радиации (для открытых участков территории значение кт принято по данным снегосъемки в отсутствие жидких осадков в размере 3,1 мм/°С); кв - стаивание снега, при котором начинается водо-
отдача;
кх £ х1та, -
месячный слой стаивания
Рисунок. Схема расположения постов гидрологических и метеорологических наблюдений в районе исследований: 1) гидропост на р. Вах у с. Лобчинское; 2) метеопост у с. Ларьяк; 2) метеопост у с. Александровское; 4) гидрометеопост на р. Тым у с. Напас
В рамках решения второй задачи выполнено построение месячного водного баланса по восстановленному ряду среднемесячных расходов воды и данным метеорологических наблюдений на станции в с. Александровское. Общее увлажнение водосбора Н за месяц t рассматривалось как сумма выпавших жидких атмосферных осадков X (атмосферные осадки при среднемесячной температуре воздуха Та больше или равной 0 °С) и водоотдачи из снегового покрова В:
И, = X, + в,.
При среднемесячной температуре воздуха меньше 0 °С атмосферные осадки рассматривались как снег, который не принимает непосредственного участия в водном питании реки, а идет на формирование снегового покрова Л, изменяющегося во времени в соответствии с уравнением [6]:
снега в результате выпадения дождей при допущении, что температура суточного слоя жидких атмосферных осадков X примерно равна среднесуточной температуре атмосферного воздуха Та.. По результатам анализа среднесуточных значений метеопараметров получена, а затем использована в расчетах зависимость месячного снеготаяния за счет выпадения дождей от среднемесячной (положительной) температуры воздуха и месячной суммы жидких атмосферных осадков при значении кх=0,95.
Расчет снеготаяния производился отдельно для залесенной и открытой местности. Общее увлажнение водосбора рассчитывалось как средневзвешенное для увлажнения в лесу и на открытых участках. Величина суммарных потерь водного стока Р определялась как разность между слоем суммарного увлажнения и стока в текущем месяце.
Величина подземного стока определялась при помощи расчленения речных гидрографов линейной интерполяцией по уравнению:
О-Над.
Оп, п = 12, п < 4
О +
^ (п - 3), 12 - 3 (П 3)
где 0„ - среднемесячный расход воды реки; п - номер расчетного календарного месяца (3 - март; 12 - декабрь).
Третий этап исследований - анализ многолетних изменений элементов водного баланса р. Вах -включал в себя проверку нулевых гипотез о случайности и однородности рядов наблюдений. Проверка на случайность проводилась с помощью критерия Питмена Рк и с использованием линейной мо-
Таблица 1. Результаты проверки на однородность и случайность среднемесячных и среднегодовых значений температуры приземных слоев атмосферного воздуха на метеостанции с. Александровское за 1937-2007 гг.
Расчётный интервал Период А, °С О, °С укр F/Fкр Р/Ркр
с. Александровское
Январь 1937-2007 -20,8 0,6 0,18 0,38 0,33
Февраль 1937-2007 -19,0 0,5 0,28 0,12 0,34
Март 1937-2007 -11,2 0,4 0,47 0,11 1,54
Апрель 1937-2007 -2,0 0,4 0,21 0,20 -0,40
Май 1937-2007 6,0 0,3 0,33 0,08 0,72
Июнь 1937-2007 14,0 0,3 0,92 0,10 0,32
Июль 1937-2007 17,8 0,2 0,63 0,09 0,48
Август 1937-2007 13,9 0,2 0,54 0,09 -0,07
Сентябрь 1937-2007 7,9 0,2 1,53 0,32 -0 ,21
1937-1969 8,0 0,3 - - -0,30
1970-2007 7,7 0,4 - - 0,86
Октябрь 1937-2007 -1,0 0,3 0,60 0,09 0,47
Ноябрь 1937-2007 -11,8 0,6 0,76 0,12 0,78
Декабрь 1937-2007 -18,5 0,6 0,44 0,09 0,95
Календарный год 1937-2007 -2,1 0,2 0,93 0,09 1,31
Сумма температур <0 °С 1937-2007 -86,7 1,5 0,18 0,03 0,99
Сумма температур >0 °С 1937-2007 61,4 0 ,7 1,19 0,03 0,90
1937-1969 61,0 0, 8 - - -0,22
1970-2007 61,7 1,1 - - 7,56
Сумма температур >10 °С 1937-2007 47,3 0,7 0,99 0,05 0,88
с. Ларьяк
Январь 1937-2007 -21,9 0,6 0,16 0,30 -0,02
Февраль 1937-2007 -19,7 0,6 0,07 0,78 0,35
Март 1937-2007 -11,5 0,4 0,36 0,11 0,99
Апрель 1937-2007 -2,9 0,4 0,82 0,12 -0,90
Май 1937-2007 5,2 0,3 0,87 0,09 0,52
Июнь 1937-2007 14,1 0,3 1,81 0,21 0,78
1937-1969 13,6 0,3 - - -0,81
1970-2007 14,5 0,4 - - 2,64
Июль 1937-2007 17,8 0,2 0,23 0,11 0,97
Август 1937-2007 13,8 0,2 0,09 0,23 0,65
Сентябрь 1937-2007 7,5 0,2 0,57 0,14 -0,47
Октябрь 1937-2007 -1,7 0,3 0,52 0,09 0,27
Ноябрь 1937-2007 -13,6 0,6 0,38 0,11 0,29
Декабрь 1937-2007 -20,1 0,6 0,46 0,09 0,69
Календарный год 1937-2007 -2,7 0,2 0,71 0,10 0,80
Сумма температур <0 °С 1937-2007 -92,9 1,6 0,25 0,08 0 ,57
Сумма температур >0 °С 1937-2007 59,0 0 6 1,49 0,08 0,88
Сумма температур >10 °С 1937-1969 58,5 0 ,9 0,39 0,65 -0,16
1970-2007 59,5 0 ,9 1,24 0,14 6,55
1937-2007 45,5 0,7 0,81 0,29 0,58
Продолжение табл. 1
Расчётный интервал Период А, °С о, °С укр F/Fкр Р/Ркр
с. Напас
Январь 1940-2007 -21,5 0,6 0,07 0,38 0,26
Февраль 1940-2007 -19,4 0,5 0,16 0,17 0,63
Март 1940-2007 -10,9 0,4 0,45 0,11 1,37
Апрель 1940-2007 -1,8 0,4 0 ,06 0,19 -0,45
Май 1940-2007 6,4 0,3 0 ,31 0 ,07 0,61
Июнь 1940-2007 14,5 0,3 0 ,97 0,10 0,72
Июль 1940-2007 18,0 0,2 0 ,57 0,09 0,72
Август 1940-2007 14,0 0,2 0 ,62 0,09 0,24
Сентябрь 1940-2007 7,7 0,2 0 ,38 0,18 -0,42
Октябрь 1940-2007 -1,2 0,3 0 ,54 0,08 0,38
Ноябрь 1940-2007 -13,0 0,6 0,98 0,12 0 ,66
Декабрь 1940-2007 -19,7 0,6 0,48 0,11 0 ,70
Календарный год 1940-2007 -2,2 0,2 0,84 0,10 1,28
Сумма температур <0 °С 1940-2007 -88,5 1,5 0,59 0,10 1,16
Сумма температур >0 °С 1940-2007 61,5 0,6 0,95 0,17 0,76
Сумма температур >10 °С 1940-2007 47,1 0,5 0,37 0,39 1,07
Примечания: А, о- среднее арифметическое и среднее квадратическое отклонение; Бк, Бк, Fk, Fka, Рк, Рка - фактические и критические значения критериев Стьюдента, Фишера и Питмена
дели изменения исследуемой функции по годам. Проверка на однородность осуществлялась с помощью критериев Фишера Fk и Стьюдента Ж [9, 10]. Вывод о неслучайном изменении или нарушении однородности рядов соответствовал условию, когда расчетная статистика (Рк, Ж, Fk) по модулю превышала соответствующее критическое значение (Рка, £ка, Fka) при уровне значимости а=5 %.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ данных метеонаблюдений в сс. Александровское, Напас и Ларьяк подтвердил выводы о росте температуры приземных слоев атмосферного воздуха в районе исследований [1]. У с. Александровское (табл. 1) отмечено нарушение однородности рядов среднесентябрьской температуры и годовых сумм положительных температур воздуха, связанное с уменьшением в 1970-2007 гг. (по сравнению с предыдущим периодом) первого показателя и увеличением второго. Кроме того, выявлен положительный линейный тренд в многолетнем изменении среднемартовской и среднегодовой температур за 1937-2007 гг. и суммы положительных температур за 1970-2007 гг.
Близкие тенденции в изменении температурного режима выявлены по данным метеостанций Ла-рьяк и Напас, а именно: 1) линейный тренд среднегодовой и среднемартовской температуры воздуха у с. Напас; 2) увеличение суммы положительных температур у с. Ларьяк. Кроме того, выявлено уве-
личение среднеиюньской температуры воздуха у с. Ларьяк, связанное с нарушением однородности рядов по среднему, и увеличение у с. Напас суммы отрицательных и положительных температур выше 10 °С (табл. 1).
Таким образом, выявленные изменения свидетельствуют о постепенном увеличении в исследуемом районе среднегодовых температур воздуха и смещении границ гидрологических сезонов, заключающемся в более раннем начале снеготаяния и «растягивании» летне-осеннего периода с одновременным увеличением суммы положительных температур и их перераспределением по месяцам теплого периода. Особое внимание следует обратить на проявляющиеся тенденции к увеличению суммы температур более 10 °С, указывающие на улучшение условий произрастания низко- и сред-нетребовательной к теплу растительности. В условиях избыточного увлажнения и высокой заболоченности региона это может привести к усилению торфообразования и дополнительной активизации болотного процесса.
Данные выводы в целом согласуются с результатами анализа многолетних изменений месячных и годовых сумм атмосферных осадков у с. Александровское (X) и общего увлажнения водосбора р. Вах (Н). Так, отмечены положительный линейный тренд атмосферных осадков в зимние месяцы и отрицательный - в июле. В изменении общего увлажнения, складывающегося из атмосферных осадков в текущем месяце и водоотдачи из снегового
покрова, отмечен отрицательный тренд только в июле (табл. 2). В зимние и весенние месяцы определенное увеличение осадков, предположительно, пока компенсируется увеличением периода снеготаяния и, соответственно, более равномерным поступлением вод в речную сеть.
Таблица 2. Результаты проверки на однородность и случайность среднемесячных и среднегодовых значений общего увлажнения водосборов и слоя стока р. Вах за 1937-2007 гг.
Расчётный интервал Период А, мм С, мм /кр Р/Ркр Р/Ркр
Общее увлажнение
Январь 1937-2007 0,0
Февраль 1937-2007 0,0
Март 1937-2007 0,0
Апрель 1937-2007 23,0 5,3 0,54 - -0,31
Май 1937-2007 96,2 4,7 0,73 0,12 -0,27
Июнь 1937-2007 144,7 8,4 0,46 0,10 -0,43
Июль 1937-2007 146,7 9,4 0,61 0,18 -1 ,32
Август 1937-2007 155,0 9,6 0,39 0,15 0,26
Сентябрь 1937-2007 106,8 5,4 0,33 0,30 0,001
Октябрь 1937-2007 22,0 4,4 0,26 0,09 0,27
Ноябрь 1937-2007 0,0
Декабрь 1937-2007 0,0
Сумма за год 1937-2007 694,4 21,3 0,97 7,77 -0,66
Суммарный сток
Январь 1937-2007 10,9 0,2 0,30 0,10 2,33
Февраль 1937-2007 8,8 0,1 0,26 0,38 1,71
Март 1937-2007 8,9 0,1 0,53 0,12 2,44
Апрель 1937-2007 9,9 0,3 0,23 0,09 0,03
Май 1937-2007 38,2 1,5 0,37 0,11 0,46
Июнь 1937-2007 76,0 1,6 0,17 0,42 0,95
Июль 1937-2007 50,5 1,8 0,11 6,82 0,17
1937-1969 47,7 2,7 -0,42
1970-2007 53,0 2,5 -2,25
Август 1937-2007 26,0 0,8 0,09 3,89 0,10
1937-1969 24,7 1,0 -0,62
1970-2007 27,1 1,1 -2,83
Сентябрь 1937-2007 22,2 0,7 0,52 0,10 0,02
Октябрь 1937-2007 21,8 0,8 0,81 0,10 0,28
Ноябрь 1937-2007 15,3 0,4 0,98 0,09 0,86
Декабрь 1937-2007 13,3 0,4 1,29 0,16 1,85
1937-1969 11,9 0,4 0,63
1970-2007 14,6 0,5 0,78
Сумма за год 1937-2007 301,8 5,1 0,52 0,20 0,95
Суммарный сток р. Вах в зимние месяцы постепенно увеличивается (табл. 2), а потери стока остаются статистически неизменными, что объясняется интегральным эффектом постепенного расширения предзимья - речной сток в начале зимнего периода в последние 3-4 десятилетия возрос, а кривая спада зимних расходов воды сместилась вы-
ше. Также отмечено нарушение рядов среднемесячных значений слоя стока р. Вах в июле и августе по дисперсии. Учитывая наличие отрицательных трендов в указанные месяцы внутри периодов 1937-1969 и 1970-2007 гг., это, вероятно, связано с разнонаправленными тенденциями в изменении элементов водного баланса в летний период, в частности, с уменьшением стока в июне и общего увлажнения в июле, а также с увеличением испарения, нелинейно связанного с общим увлажнением и суммой положительных температур.
Наиболее заметные изменения в водном балансе выявлены в случае подземной составляющей стока р. Вах, что подтверждает сделанный ранее вывод об увеличении подземного стока и уровней грунтовых вод на заболоченных территориях Томской области [2-4]. Они связаны как с наличием линейного тренда среднемесячных и среднегодовых значений, так и с нарушением однородности рядов по среднему (табл. 3).
Таблица 3. Результаты проверки на однородность и случайность среднемесячных и среднегодовых значений слоя подземного стока р. Вах за 1937-2007 гг.
Расчётный интервал Период А, мм С, мм /кр Р/Ркр Р/Ркр
Январь 1937-2007 10,9 0,2 0,30 0,10 2,33
Февраль 1937-2007 8,8 0,1 0,27 0 ,28 1,78
Март 1937-2007 8,1 0,1 0,53 0,12 2,44
Апрель 1937-2007 8,6 0,1 0 ,86 0,14 2 ,97
Май 1937-2007 9,0 0,1 1 16 0 10 3,13
1937-1969 8,2 0,2 0,39
1970-2007 9,7 0,1 2,63
Июнь 1937-2007 9,5 0,2 1 24 0,07 2,97
1937-1969 8,6 0,2 0,48
1970-2007 10,2 0,2 2,16
Июль 1937-2007 9,9 0,2 1 30 0,10 2,71
1937-1969 9,0 0,2 0,55
1970-2007 10,7 0,2 1,72
Август 1937-2007 10,4 0,2 1 32 0,12 2,46
1937-1969 9,3 0,2 0,58
1970-2007 11,2 0,3 1,41
Сентябрь 1937-2007 10,8 0,2 1 32 0,13 2,25
1937-1969 9,7 0,2 0,61
1970-2007 11,8 0,3 1,17
Октябрь 1937-2007 11,3 0,3 1 32 0,14 2,09
1937-1969 10,1 0,3 0,62
1970-2007 12,3 0,4 1,00
Ноябрь 1937-2007 11,7 0,3 1 31 0,15 1,96
1937-1969 10,5 0,3 0,63
1970-2007 12,8 0,4 0,88
Декабрь 1937-2007 12,2 0,3 1 29 0,16 1,85
1937-1969 10,8 0,3 0,63
1970-2007 13,3 0,5 0,78
Сумма за год 1937-2007 120,9 2,1 1 25 0,08 2,83
1937-1969 109,7 2,2 0,62
1970-2007 130,7 2,5 1,80
Заключение
1. В течение 1937-2007 гг. норма годового увлажнения и суммарного стока р. Вах остается статистически неизменной и составляет 694 и 302 мм соответственно. Подземный сток составляет 121 мм или 40 % от суммарного. В то же время, отмечается заметное увеличение его подземной составляющей (на 21 мм или 19 % по сравнению с 1937-1969 гг.) и стока зимней межени. Потери суммарного стока также остаются статистически неизменными, норма за 1937-2007 гг. составляет 393 мм.
2. Указанные изменения обусловлены комплексом факторов, наиболее важными среди которых является смещение границ гидрологических сезонов. В результате снеготаяние в 1970-2007 гг. начинается несколько раньше, чем в 1930-1960-е гг., что приводит к увеличению стока в марте. Среднемесячная температура воздуха в этом месяце также увеличивается,
но остается отрицательной, что (вследствие грубости используемой модели) не позволяет выявить соответствующее увеличение общего увлажнения. Определенное увеличение характерно и для предзимья. Как следствие, зимний период начинается при более высоких значениях суммарного и подземного стока, а кривая спада расхода воды в декабре-марте несколько смещается в сторону увеличения, что и определяет статистически значимый рост в 1970-2007 гг. стока в указанные месяцы.
3. Выявленные изменения элементов водного баланса и температуры приземных слоёв атмосферного воздуха косвенно свидетельствуют об активизации болотообразования в регионе, что необходимо учитывать при планировании хозяйственной и природоохранной деятельности в бассейне р. Вах и на прилегающих территориях. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ
08-04-92497-НЦНИЛ_а и 08-05-92500-НЦНИЛ_а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Региональный мониторинг атмосферы. Ч. 4. Природно-климатические изменения / Под ред. чл.-корр. РАН М.В. Кабанова. - Томск: МГП «РАСКО», 2000. - 269 с.
2. Савичев О.Г. Реки Томской области: состояние, использование и охрана. - Томск: Изд-во Том. политехн. ун-та, 2003. - 202 с.
3. Савичев О.Г, Макушин Ю.В. Многолетние изменения подземных вод верхней гидродинамической зоны на территории Томской области // Известия Томского политехнического университета. - 2004. - Т. 307. - № 4. - С. 60-63.
4. Савичев О.Г, Харанжевская Ю.А. Многолетние изменения гидроклиматических условий в бассейне реки Чая (Западная Сибирь) // Известия Томского политехнического университета. -2008. - Т. 313. - № 1. - С. 82-87.
5. Кузин П.С., Бабкин В.И. Географические закономерности гидрологического режима рек. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. -200 с.
6. Гельфан А.Н. Динамико-стохастическое моделирование формирования талого стока. - М.: Наука, 2007. - 279 с.
7. Виссмен У., Харбаф Т.И., Кнэпп Д.У. Введение в гидрологию. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 470 с.
8. Попов Е.Г. Вопросы теории и практики прогнозов речного стока. - Л.: Гидрометеоиздат, 1963. - 395 с.
9. Рождественский А.В., Чеботарев А.И. Статистические методы в гидрологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 424 с.
10. Христофоров А.В. Надежность расчетов речного стока. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 168 с.
Поступила 13.04.2009 г.
