ВЫЯВЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ РЕЖИМА МАЛЫХ ГОРНЫХ ВОДОТОКОВ ЛЕДНИКОВОГО ПИТАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ РЕКИ БАРКРАКСАЙ) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Гидрология

Гидрология

Hydrology

https://doi.org/10.55764/2957-9856/2023-l-3-ll.l

МРНТИ 37.27.02

Г. У. Умирзаков1, С. С. Суванкулов2, Х. А. Мамиров2, Ф. Н. Акбаров2, М. А. Петров3

1 PhD, преподаватель кафедры «метеорология и климатология» (Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, Ташкент, Узбекистан) 2 Младший научный сотрудник центра гляциальной геологии (Институт геологии и геофизики им. Х. М. Абдуллаева, Ташкент, Узбекистан)

3 К. г.-м. н., заведующий центром гляциальной геологии (Институт геологии и геофизики им. Х.М. Абдуллаева, Ташкент, Узбекистан)

ВЫЯВЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ РЕЖИМА МАЛЫХ ГОРНЫХ ВОДОТОКОВ ЛЕДНИКОВОГО ПИТАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ РЕКИ БАРКРАКСАЙ)

Аннотация. По данным полевых наблюдений за элементами режима стока Баркраксай, формирующегося за счет талых вод ледников Баркрак, расположенных в Пскемском бассейне, изучены его гидрологические показатели. Определены данные уровней воды, наблюдаемые на временно установленных верхнем и нижнем гидрологических постах в Баркраксае. В результате определены и статистически проанализированы колебания уровня воды Баркраксая в зависимости от температуры воздуха и воды.

Ключевые слова: речной бассейн, ледник, река, уровень воды, соответствующие уровни воды, температура воздуха, температура воды, зависимость, оценка.

Введение. В результате глобального потепления площадь и объем ледников в горах уменьшаются, а количество генерируемого ими стока меняется. Этот процесс приводит к изменению показателей режима водного стока в результате таяния ледников и увеличению их сезонной и годовой изменчивости. Поэтому изучение гидрологического режима малых рек и ручьев, берущих начало с ледников, является одним из актуальных вопросов гидрологии горных районов в условиях современных климатических изменений.

Л. К. Давыдов, Н. Л. Корженевский, В. Л. Шульц, О. П. Щеглова внесли большой вклад в изучение гидрологии горных рек Средней Азии, в частности ледников и их стока, развив свои научные школы в этом направлении. Позднее такие ученые, как Г. Е. Глазырин, Б. А. Камалов, Ю. Н. Лесник, В. Г. Коновалов, усовершенствовали методы расчета вклада воды, прибавляемой к стоку рек за счет таяния ледников. В последние годы зарубежные ученые, такие, как М. Хольцле, М. Барандун, Т. Сакс, Т. Шене, Э. Маттео, проводят исследования по оценке тенденций изменения массы ледников при изменении климата и моделирование этого процесса. В настоящее время в нашей стране работы в этом направлении продолжают А. А. Ни, Б. К. Царёв, М. А. Петров, Е. П. Семакова, Г. О. Умирзаков и др.

В упомянутых исследованиях особое внимание уделяется изучению гидрологического режима малых водотоков, берущих начало с ледников. Однако отдельно эта проблема не рассматривалась для водотоков, берущих начало с ледников в бассейнах р. Пскем.

Цель и задачи исследования. Основной целью статьи являются изучение уровенного режима ручья Баркраксай, образованного таянием ледников, и статистическая оценка влияния на него гидрометеорологических факторов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

создание крупномасштабной цифровой гидрографической карты Баркраксайского бассейна на основе ГИС-технологий;

изучение совместимости уровней воды, измеренных на верхнем и нижнем гидрологических постах, установленных в ходе полевых исследований в Баркраксае;

статистический анализ зависимости уровня воды Баркраксая от температуры воды и воздуха. Объектом исследования является бассейн р. Баркрак и Баркраксай, а его гидрологический и гидротермический режим служит предметом исследования.

В качестве исходных материалов мы использовали данные, собранные в ходе полевых исследований в Баркраксайской котловине. Полевые исследования проводились при непосредственном участии авторов в рамках проекта практической НИР «АЛМ-202107010 - Разработка системы мониторинга изменений баланса массы горных ледников и технологий, характеризующих их будущее состояние в условиях глобального изменения климата. Изменения и сценарии, описывающие будущее состояние ледников».

Баркраксай, рассматриваемый как объект исследования, является правым притоком реки Ойгаинг - одного из основных притоков реки Пскем [1]. Бассейн Баркраксай имеет площадь F = 47,3 км2, а его средняя высота Нсред = 3150 м. В бассейне Баркраксай насчитывается 4 ледника, их общая площадь составляет 6,3 км2 [2]. Результаты анализа показывают, что ледники Правый Баркрак, Средний Баркрак и Левый Баркрак раньше были объединены. Позднее в результате изменения климата ледник отступил и разделился на 3 части [3, 4].

Рисунок 1 - Наблюдения и измерения при полевых исследованиях: а - местонахождение метеостанции; б - измерение скорости течения; в - загрузка данных верхней гидрологической станции; г - цифровой самописец Degacon EM50G и датчик CTD-10

Методология исследования. В ходе полевых мониторинговых исследований верхние гидрологические посты были установлены ниже места впадения Среднего и Правого Баркраксая и в месте впадения этого ручья в реку Ойгаинг (рисунок 1). Они соответствуют нормативным требованиям к гидрологическим постам [5]. На верхнем и нижнем постах установлены автоматические приборы типа DEGACON, регистрирующие уровень и температуру воды (см. рисунок 1). Также гидрологические посты оборудованы датчиками измерения уровня и температуры воды СТД-10 и устройствами автоматической регистрации данных ЭМ50Г.

Датчик CTD-10 измеряет уровень воды в диапазоне 0-10 м с точностью до 2 мм, а температуру воды в диапазоне -11^+490С с точностью до 0,1°С. Этот датчик имеет возможность корректировки измерений во временных интервалах от 5 мин до 24 ч. Устройство самоконтроля EM50G может записывать в свою память до 36 000 значений, измеренных датчиками. С помощью этих приборов регистрировались почасовые уровни воды.

Для изучения метеорологических условий бассейна Баркраксай возле верхнего поста была установлена автоматическая метеостанция (АМС) MADD2 (см. рисунок 1). На этой автоматической метеостанции измерялись метеорологические показатели, такие, как температура воздуха, солнечная радиация, средняя и максимальная скорость ветра и его направление, относительная влажность, атмосферное давление и осадки. В ходе исследования данные о температуре воздуха, зарегистрированные на метеостанции, использовались для изучения суточного режима таяния ледника.

Расстояние между двумя гидрологическими постами определено по программе ГИС: L = 8200 м. Время прихода воды с верхнего поста на нижний определяли 2 разными способами: 1) по скорости с помощью гидрометрической штанги; 2) на основе анализа адаптированных уровней воды.

Статистически оценена зависимость колебаний уровня воды от температуры воды и воздуха. Статистический анализ проводили путем расчета коэффициента корреляции Пирсона.

Рисунок 2 - Цифровая гидрографическая карта бассейна Баркраксая - 5 -

Основные результаты и их обсуждение. Первоначально данные цифровой модели рельефа (DEM) района бассейна Баркраксая были загружены с платформы Геологической службы США (www.usgs.gov). На основе полученной информации (DEM) в программе QGIS была создана цифровая гидрографическая карта бассейна Баркраксая (рисунок 2).

На гидрографической карте показаны линия водораздела, основные притоки и ледники бассейна Баркраксая по градиентам высот. Также возможно определение других морфометрических показателей бассейна Баркраксая по созданной цифровой карте.

На следующих этапах работ на основе данных наблюдений и измерений были определены гидрологические показатели бассейна р. Баркрак. Хотя Баркраксай находится в гористой местности, ее продольный разрез соответствует характеристикам равнинных рек, т. е. имеет прямолинейную форму. Однако в отличие от равнинных рек уклон русла, определенный по программе ГИС, был i = 0,11, что является высоким значением.

Расстояние от правого языка ледника Баркраксай до его впадения в реку Ойгаинг составило L = 11 700 м. В результате расчетов определено, что коэффициент кривизны потока на этом расстоянии Ке = 0,85. Из-за уклона ручья и связанной с этим высокой скорости потока видно, что вода, образовавшаяся в результате таяния ледников, достигает расхода за короткий промежуток времени. С учетом этих процессов средняя скорость течения ручья Баркраксай определялась по гидрометрическому графику:

n =

=(20-k)= 20•46 =

= 10,22 вращ/с,

t 90 с

где t - время получения счета; к - количество обращений за этот период времени.

Среднюю скорость потока воды определяли по тарировочной таблице по числу оборотов в

секунду (п): у = 1,16 м/с.

Отношение расстояния между верхней и нижней стойками к рассчитанной средней

скорости показывает время, за которое поток достигает нижнего створа:

L 8200 м 1

T - — =-= 1 ч 58 мин.

v 1,16 м/с

Адаптированные уровни воды определялись по графикам, построенным на основе данных об уровне воды, наблюдаемых на верхнем и нижнем гидрологических постах в ходе полевых исследований (рисунок 3).

Рисунок 3 - Уровни воды, измеренные на верхних и нижних гидрологических постах

- 6 -

Проанализирована взаимная совместимость колебаний уровней воды (Н, см), измеренных на верхнем и нижнем гидрологических постах 10.08-14.08 2021 г., когда проводились полевые исследования на Баркраксае. В результате установлено, что наименьший уровень воды на верхнем посту за период наблюдений составлял Нмин = 27 см, а наибольшее его значение Нмакс = 41 см. На нижнем посту максимальное и минимальное значения уровня воды были Нмакс = 24 см и Нмин = 18 см соответственно. На верхнем гидрологическом посту ширина водной поверхности (В, м) ручья меньше по сравнению с нижним гидрологическим постом. Кроме того, из-за большого уклона верхнего гидрологического поста амплитуда колебания уровня воды была большой величины.

Коэффициент корреляции Пирсона использовался для определения связи между уровнями воды, измеренными на гидрологических постах, где проводились наблюдения. Его расчетное значение R2 = 0,43. При проведении этих расчетов методом вытеснения наиболее тесная связь между этими двумя уровнями воды гидрологического поста составила R2 = 0,80. Это было достигнуто за счет опережения уровня воды, измеренного на нижнем посту, на 2 ч. Отсюда следует, что уровни воды, зарегистрированные на верхнем посту, наблюдаются на нижнем посту через 2 ч, и это определенное время подтверждает время достижения стоком нижнего створа, найденное по гидрометрической рейке.

Среднесуточная амплитуда колебаний уровней воды на верхнем посту составила Ннаверх = = 28-38 см, а на нижнем - Нвниз = 22-18 см. Максимальное суточное колебание уровня воды 14 августа наблюдалось на верхней и нижней станциях соответственно Ннаверх = 40-29 см и Нвниз = 19-24 см. Всего по графику уровней воды, составленному за период наблюдений (см. рисунок 3, таблицу), было определено 13 адаптированных значений уровней воды этих постов и сроки их наблюдения.

Соответственные уровни воды и время их наблюдения

№ п/п Нижний г. пост Верхний г. пост

Н, см Время, ч Н, см Время, ч

1 39 13:30 22 15:30

2 37 15:30 21 17:30

3 41 17:30 22 19:30

4 29 07:30 20 07:30

5 30 12:30 20 14:30

6 41 14:30 22 17:30

7 34 20:30 21 21:30

8 30 03:30 20 05:30

9 29 11:30 20 13:30

10 38 14:30 22 16:30

11 29 12:30 18 14:30

12 39 15:30 22 18:30

13 28 07:30 18 09:30

Определяли разницу между скорректированными уровнями воды и временем их регистрации. Эти значения показывали максимальное время до 3 ч. Время прихода этих значений подъема и падения уровня воды составило в среднем 2 ч. Благодаря этому установлено, что существует связь между уровнями воды, наблюдаемыми на верхнем и нижнем гидрологических постах в бассейне Баркраксая (рисунок 4).

Как видно из графика, колебания скорректированных уровней воды обоих гидропостов соответствуют друг другу. Это положение подтверждается и тем, что коэффициент корреляции между приведенными уровнями воды на обоих гидрологических постах R2 = 0,80.

43

41

39

И 37

35

33

31

и

29

27

25

Л

У = 3,181х- 31.423 R2 = 0,8038

I У5

1

у/ <

• у • у/ у' с < |

17

18

19

20

21

22

23

Нижний г. пост, Нн см

Рисунок 4 - График связи соответственных уровней воды на верхнем и нижнем постах р. Баркраксай

В рамках натурных наблюдений также изучался вопрос о зависимости стока, образующегося при таянии ледников в бассейне Баркраксая, от изменения температуры воздуха (рисунок 5). Для этого использовались данные о температуре воздуха и воды, зарегистрированные на автоматической метеостанции, и данные об уровне воды, наблюдаемые на верхнем посту.

Рисунок 5 - График связи между: а - уровнем воды (Нв) и температурой воды (Твода) на верхнем гидропосту; б - температурой воздуха (Твоздуха) и воды (Твода) на верхнем гидропосту

Зарегистрированная температура воды на верхнем гидрологическом посту Твода = = +4,74^+1,63 °С, а температура воздуха, наблюдаемая на АМС, Твоздуха = +12,1^-1,4 °С. За период наблюдений амплитуды температур воды и воздуха составили 3,1 и 13,5 °С соответственно. Изменение температуры воды в относительно небольших величинах зависит от кратковременного повышения температуры воздуха и потока, образующегося при таянии ледника, т. е. талая вода с ледника образует ручей Баркраксай и движется в ручье кровати к ее нижней части. В результате температура воды не может повышаться. При отрицательных значениях температуры воздуха наблюдалась минимальная температура воды, т.е. Твода = +1,6 °С. В это время, естественно, таяния ледника не наблюдается. В таких условиях ручей Баркраксай формируется за счет воды, скопившейся между мореной, песком и гравием [6, 7]. В целом коэффициент корреляции, отражающий плотность связи между температурой воздуха и температурой воды Баркраксая, был равен R2 = 0,83.

Величина стока, образующегося за счет таяния ледника, зависит от температуры воздуха, и после выработки тепловой энергии на поверхности ледника она увеличивается [8]. Этот процесс отражается и на температуре воды. Определен коэффициент корреляции H = f (Твода) между

уровнем воды (Н, см) и температурой воды (Т, °С), измеренной на верхнем посту ручья: R2 = 0,66. Установлено, что уровень воды в ручье колебался в пределах Нна верх. = 29-31 см, а температура воды - Т = +1,5 +3,5 °С. Это связано с тем, что в первой половине суток вклад температурно-зависимого стока меньше, а его температура близка к таковой подземных вод. Во второй половине дня в результате повышения температуры воздуха ускоряется процесс таяния льда и соответственно повышается уровень воды в русле ручья.

Рисунок 6 - График связи между уровнем воды (Нв) и температурой воздуха (Твоздух), измеренной на верхнем гидропосту

Также изучалась связь между уровнем воды (Нна верх., см) и температурой воздуха (Т, °С), измеренной на верхнем посту, т. е Нна верх. = f (Твоздуха) (рисунок 6). Исходя из этой связи при повышении температуры воздуха уровень воды в озере возрастает, и, наоборот, при понижении температуры воздуха уровень воды снижается. Связь между одновременно регистрируемыми величинами уровня воды и температуры воздуха выражалась коэффициентом корреляции ^ = = 0,40. В связи с этим установлено, что при задержке значений уровня воды на 2 ч коэффициент корреляции возрастал до R2 = 0,75. Поэтому поток, образовавшийся в результате таяния ледника из-за повышения температуры воздуха, через 2 ч достигал верхнего гидрологического поста.

Выводы и предложения. Создана цифровая гидрографическая карта бассейна Баркраксая, описывающая линию водораздела, притоков, ледников и позволяющая определить ее основные морфомерные показатели;

определена связь между уровнями воды верхнего и нижнего гидропостов, установленных в Баркраксае, и статистически оценена их плотность = 0,80);

уровень воды и температура воды, наблюдаемые в ручье, изменяются в зависимости от температуры воздуха, регистрируемой автоматической метеостанцией, установленной в бассейне; на основе этой взаимосвязи можно прогнозировать миграцию ледников и паводки, которые могут наблюдаться в бассейне.

На момент полевых исследований Баркраксай был насыщен в основном за счет таяния ледников.

Выделено насыщение рек за счет ледников в зависимости от температуры воздуха, а также имеются большие возможности для применения полученных инноваций и результатов на практике. В частности, они могут быть использованы для изучения гидрологического и гидротермического режима горных рек, питаемых ледниками. В перспективе полевые исследования особенностей гидрологического режима малых рек и ручьев, питаемых ледниками, должны охватывать весь гидрологический год. Организация последующих полевых исследований с помощью современной аппаратуры на основе непрерывных гидрометеорологических наблюдений позволит получить более точные результаты.

Статья выполнена в рамках научно-практического проекта АЛМ-202107010 - «Разработка системы мониторинга изменений баланса массы горных ледников и технологий, характеризующих их будущее состояние в условиях глобального изменения климата» при финансовой поддержке Министерства инновационного развития Республики Узбекистан.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Шульц В.Л., Машрапов Р. Гидрография Средней Азии. - Ташкент: Укитувчи, 1969. - 328 с.

[2] Каталог ледников СССР. - Т. 14, вып. 1, ч. 1. Бассейн реки Пскем. - Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 49 с.

[3] Ни А., Петров М.А., Тихановская А.А., Томашевская И.Г. Горное оледенение, климат, сток. - Ташкент: НУУз, 2006. - 206 с.

[4] Томашевская И.Г., Тихановская А.А., Петров М.А. Отступание ледников - фактор возникновения гляциальных селей // Криосфера Земли. - Москва, 2013. - Т. XVII, № 4.- С. 83-86.

[5] Наставление гидрометеорологическим станциям и постам (НГСиП). - Вып. 2, ч. II. Гидрометеорологические наблюдения на постах. - Л.: Гидрометиздат, 1985. - 211 с.

[6] Суванкулов С.С., Акбаров Ф.Н., Мамиров Х.А., Тургунов Д.М. Статистический анализ стока, формирующийся за счет таяния ледников (на примере ледников Баркракской группы) // Фундаментальные и прикладные исследования в гидрометеорологии, водном хозяйстве и геоэкологии. - Уфа, 2020. - С. 118-121.

[7] Сувонкулов С.С., Тургунов Д.М. Влияние глобального изменения климата на горные ледники Узбекистана и сток рек, формирующихся за счет их таяния (на примере ледников Баркраксай группы) // Известия Узбекского географического общества. - Ташкент, 2020. - Вып. 57. - С. 269-275.

[8] Сувонкулов С.С. Влияние глобального изменения климата на горные ледники Узбекистана (на примере группы ледников Баркрак) // Талантливая молодежь Нового Узбекистана. Молодёжь Узбекистана - главный двигатель третьего ренессанса. Книга третья. - Ташкент, 2021. - С. 197-208.

REFERENCES

[1] Shuls V.L., Mashrapov R., Hydrography of Central Asia. Tashkent: O'qituvchi, 1969. 328 p. (in Russ.).

[2] Catalog of glaciers in the USSR. Vol. 14, issue 1, part 1. Pskem river basin. L.: Gidrometeoizdat, 1968. 49 p. (in Russ.).

[3] Ni A.A., Petrov M.A., Tikhanovskaya A.A., Tomashevskaya I.G. Mountain glaciation, climate, runoff. Tashkent: NUUz, 2006. 206 p. (in Russ.).

[4] Tomashevskaya I.G., Tikhanovskaya A.A., Petrov M.A. Retreat of glaciers - a factor in the occurrence of glacial mudflows // Cryosphere of the Earth. Moscow, 2013. Vol. XVII, N 4. P. 83-86 (in Russ.).

[5] Manual for hydrometeorological stations and posts. Issue 2, part II. Hydrometeorological observations at posts. L.: Gidrometizdat, 1985. 211 p. (in Russ.).

[6] Suvankulov S.S., Akbarov F.N., Mamirov Kh.A., Turgunov D.M. Statistical analysis of runoff formed due to the melting of glaciers (on the example of the glaciers of the Barkrak group) // Fundamental and applied research in hydrometeorology, water management and geoecology. Ufa, 2020. P. 118-121 (in Russ.).

[7] Suvonkulov S.S., Turgunov D.M. Impact of global climate change on the mountain glaciers of Uzbekistan and the runoff of rivers formed due to their melting (on the example of the glaciers of the Barkrak group)) // News of the Uzbek Geographical Society. Tashkent, 2020. Issue 57. P. 269-275 (in Russ.).

[8] Suvonkulov S.S. The impact of global climate change on the mountain glaciers of Uzbekistan (on the example of the Barkrak group of glaciers) // Talented youth of New Uzbekistan. The youth of Uzbekistan is the main engine of the third renaissance. Book three. Tashkent, 2021. P. 197-208 (in Russ.).

G. U. Umirzakov1, S. S. Suvankulov2, H. A. Mamirov2, F. N. Akbarov2, M. A. Petrov3

1 PhD, lecturer at the department of meteorology and climatology (National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Tashkent, Uzbekistan) 2 Junior scientist, Centre of glacial geology (Institute of Geology and Geophysics named after H. M. Abdullayev, Tashkent, Uzbekistan) 3 Candidate of geological and mineralogical sciences, Head of the center of glacial geology (Institute of Geology and Geophysics named after H. M. Abdullayev, Tashkent, Uzbekistan)

IDENTIFICATION OF CHANGES IN THE REGIME OF SMALL MOUNTAIN STREAMS WITH GLACIAL FEEDING (ON THE EXAMPLE OF THE BARKRAKSAY RIVER)

Abstract. Based on the data of field observations, the regime of the Barkraksay runoff, formed from the melting of Barkrak glaciers located in the Pskem basin, and its hydrological indicators were studied. The indicators of water levels observed at the temporarily installed upper and lower hydrological gauges in Barkraksay were determined. As a result, fluctuations of water level of Barkraksay depending on air and water temperature were determined and statistically analyzed.

Keywords: river basin, glacier, river, water level, adjusted water level, air temperature, water temperature, relation, assessment.

Г. У. Умирзаков1, С. С. Суванкулов2, Х. А. Мамиров2, Ф. Н. Акбаров2, М. А. Петров3

докторы, метеорология жэне климатология кафедрасынын окытушысы (Мирзо Улугбек атындагы взбекстан ^лттык университетi, Ташкент, взбекстан) 2 Мрдык геологиясы орталыгыныц кiшi гылыми кызметкерi (Х. М. Абдуллаев атындагы Геология жэне геофизика институты, Ташкент, взбекстан)

3 Геология-минералогия гылымдарыныц кандидаты, мрдык геологиясы орталыгыныц менгерушiсi (Х. М. Абдуллаев атындагы Геология жэне геофизика институты, Ташкент, взбекстан)

М¥ЗДЬЩТАРДАН ЦОРЕКТЕНЕТШ К1Ш1 ТАУЛЫ АГЫН СУЛАРДЬЩ РЕЖИМ1НЩ вЗГЕР1СТЕР1Н АНЬЩТАУ (БАРКРАКСАЙ вЗЕН1 МЫСАЛЫНДА)

Аннотация. Далалык бакылаулар мэлiметтерi бойынша, Пскем алабында орналаскан Баркрак мр-дыктарыныц ертен суларынын есебiнен калыптаскан Баркраксай агыны режимiнiн элементтерi, онын гидро-логиялык кврсеткiштерi зерттелдi. Баркраксайдагы уакытша орнатылган жогаргы жэне твменгi гидроло-гиялык бекеттерде байкалатын су денгейiнiн кврсеткiштерi аныкталды. Нэтижесiнде ауа мен су температу-расына байланысты Баркраксайдын су децгешнщ ауыткуы аныкталды жэне статистикалык талданды.

ТYЙiн свздер: взен алабы, мрдык, взен, су денгейi, сэйкес су децгейлер^ ауа температурасы, су темпе-ратурасы, тэуелдiлiк, багалау.