Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 499, № 2, стр. 203-208
Изменение речного стока зимней межени в бассейне реки Урал
Ж. Т. Сивохип 1, *, В. М. Павлейчик 1, академик РАН А. А. Чибилев 1
1 Институт степи Уральского отделения
Российской академии наук
Оренбург, Россия
* E-mail: sivohip@mail.ru
Поступила в редакцию 13.04.2021
После доработки 12.05.2021
Принята к публикации 13.05.2021
Аннотация
Представлены результаты анализа тенденций изменения речного стока в период зимней межени в бассейне р. Урал. Рассмотрена многолетняя динамика параметров стока с учетом фаз различной водности. Установлено, что водный режим рек исследуемого бассейна характеризуется устойчивой тенденцией сокращения доли весеннего стока и увеличения доли стока в зимний период. Рост доли зимнего стока обусловлен увеличением частоты и продолжительности положительных температурных аномалий, а также увеличением доли базисного (подземного) питания рек. Сопоставление значений годового стока и 30-суточных значений минимального стока зимнего периода иллюстрирует определенную взаимообусловленность в изменениях данных величин. Несмотря на общую тенденцию роста расходов зимней межени, выявлены и определенные различия для рек исследуемого бассейна, обусловленные неоднородностью условий стокоформирования. Региональные особенности формирования стока зимней межени подтверждают различные сроки наступления максимального (полного) истощения речного стока. Значительное увеличение водности рек в зимний период влияет на сокращение изменчивости суточных расходов, что согласуется с установленной ранее тенденцией снижения межгодовой изменчивости речного стока в бассейне р. Урал. Увеличение стока зимней межени имеет важное практическое значение, так как величина стока данного периода является лимитирующим фактором гарантированного и устойчивого водопотребления. Соответственно современные тенденции изменения водного режима рек бассейна р. Урал необходимо учитывать при определении регламента и норм использования водных ресурсов степной зоны.
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Актуальность исследования многолетних и сезонных вариаций стока рек степной зоны обусловлена интенсивным использованием водных ресурсов в условиях нестационарного климата. Вместе с тем разнообразие и генетическая разнородность факторов формирования стока, в том числе и маловодных периодов, осложняют изучение синхронности колебаний стоковых и метеорологических характеристик [12]. Необходимо учесть, что чем менее значительны вариации годового и экстремального стока воды, тем реальнее возможность организации экономически эффективного и экологически безопасного водопользования [7].
Одной из тенденций многолетних изменений водного режима, установленной для большинства рек Европейской территории России (ЕТР), являются сокращение доли весеннего стока и увеличение стока в зимний период, что приводит к определенному выравниванию годового гидрографа стока [1, 3, 4, 6, 9, 11]. Главные причины данных изменений – устойчивый рост значений приземной температуры воздуха, увеличение интенсивности и продолжительности оттепелей в холодный период. Кроме того, рост значений минимального стока в зимний период обусловлен увеличением доли базисного (подземного) питания рек [5].
Характерная особенность водного режима рек бассейна р. Урал – продолжительный и устойчивый маловодный период, объединяющий фазы летне-осенней и зимней межени. Ключевое значение для параметров зимней межени имеет взаимодействие основных стокообразующих факторов (осадки и подземные воды), непосредственно участвующих в формировании приходной части стока. Для меженного периода холодного сезона рек бассейна характерно отсутствие паводков. Устойчивость зимней межени на реках исследуемого бассейна различна и зависит от комплекса факторов – местных физико-географических условий, площади действующего водосбора и режима подземных вод и др. Для отдельных водотоков, преимущественно относящихся к малым и средним рекам, в зимний период отмечается полное истощение речного стока (нулевой сток), обусловленное промерзанием русла реки. Отметим, что в отличие от теплого сезона, когда для возобновления стока необходимо выпадение стокообразующих осадков, для стока холодного сезона достаточно повышения температуры воздуха [2].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исходя из определения периода зимней межени [2], за временные пределы данной фазы для рек бассейна р. Урал приняты границы гидрологического сезона (ноябрь–март), характеризующегося низкими и устойчивыми по величине расходами.
Изменение величин стока зимней межени проанализировано по данным многолетних наблюдений в четырех створах рек – Урал (Оренбург), Сакмара (Татарская Каргала), Илек (Веселый), Орь (Истемес), отличающихся физико-географическими условиями стокоформирования и площадью водосборов. Сток трех рек частично зарегулирован водохранилищами – Сакмарское вдхр. сезонного регулирования (р. Сакмара), Ириклинское (р. Урал) и Актюбинское вдхр. (р. Илек) многолетнего регулирования. Для определения синхронности колебаний величин годового и сезонного стока проведен анализ среднегодовых и 30-суточных значений минимального стока зимнего периода. В связи с тем, что для рек ЕТР 1978 г. установлен как пороговый год изменения водности [5], анализ изменений величин стока зимней межени исследуемого бассейна выполнен для двух периодов, близких по продолжительности – 1950–1977 гг. (28 лет); 1978–2008 гг. (31 год), а также для всего периода наблюдений 1950–2018 (69 лет). Для данных периодов определены даты наступления абсолютных минимумов, установлены параметры изменчивости суточных расходов и истощения стока – продолжительность, амплитуда и интенсивность истощения.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Меженный сток является составной частью годового стока, что определяет тесную взаимосвязь между этими величинами. Сопоставление значений годового стока и 30-суточных значений минимального стока зимнего периода иллюстрирует определенную взаимообусловленность в изменениях данных величин (рис. 1). Установлено, что максимальная синхронность колебаний годового и зимнего стока характерна для р. Сакмара, водосборная территория которой охватывает горнолесные и лесостепные возвышенные участки. Ранее для данной реки установлен устойчивый характер внутригодового распределения стока за многолетний период, независимо от степени водности [10].
Синхронность колебаний величин годового стока и стока зимней межени характерна и для рек с водохранилищами многолетнего регулирования (Урал, Илек). Нарушение синхронности колебаний данных величин стока р. Урал закономерно отмечается в период заполнения Ириклинского водохранилища (1958–1964 гг.), несмотря на значительное удаление от створа реки в г. Оренбург (более 500 км). В отличие от годовых значений, сток зимней межени р. Илек характеризуется низкоамплитудными колебаниями, что свидетельствует об устойчивой тенденции к росту минимального стока, даже в маловодные годы. Отсутствие синхронных изменений величин стока демонстрирует р. Орь, особенно в период 1978–2018 гг.
Тенденция увеличения расходов зимней межени подтверждается ростом значений абсолютных минимумов, в том числе и в экстремально маловодные годы (табл. 1).
Таблица 1.
Река-пост | 1955–1956 | 1975–1976 | 2010–2011 | |||
---|---|---|---|---|---|---|
Q м3/сек | Дата | Q м3/сек | Дата | Q м3/сек | Дата | |
Урал (Кизильское) | 0.037 | 2.03 | 0.45 | 07.02 | 0.86 | 15.02 |
Урал (Оренбург) | 2.30 | 12.02 | 16.20 | 15.12 | 7.12 | 23.01 |
Сакмара (Акъюлово) | 0.065 | 12.01 | 0.73 | 01.01 | 1.52 | 30.01 |
Сакмара (Каргала) | 4.20 | 20.01 | 10.50 | 19.02 | 11.00 | 07.01 |
Зилаир (Зилаир) | 0.12 | 08.01 | 0.21 | 02.12 | 0.072 | 30.01 |
Илек (Веселый) | 0.00 | 01.02 | 0.061 | 28.03 | 1.43 | 28.02 |
Жарлы (Адамовка) | – | – | 0.00 | 09.02 | 0.20 | 21.02 |
Отметим, что выявленные тенденции роста величин абсолютных минимумов зимней межени являются непосредственным отражением многолетних трансформаций внутригодового распределения стока. Несмотря на общую тенденцию увеличения доли зимнего стока, выявлены и определенные различия для рек исследуемого бассейна, обусловленные неоднородностью условий стокоформирования. В частности, о региональных особенностях формировании стока зимней межени свидетельствуют различные сроки наступления максимального (полного) истощения речного стока. Также обращает внимание изменение в датах наступления абсолютных минимумов стока современного периода по сравнению с 1950–1977 гг. (рис. 2).
Период истощения зимнего стока р. Урал менее продолжительный, чем у главного притока – р. Сакмара, и наблюдается в первой половине лимитирующего сезона (преимущественно в декабре), с постепенным нарастанием водности. Река Сакмара характеризуется продолжительным периодом истощения стока с минимальными значениями расходов воды во второй половине зимнего сезона (февраль). Для периода зимней межени р. Илек характерно интенсивное сокращение водности, продолжающееся на протяжении всего зимнего периода с минимальными величинами речного стока в третьей декаде февраля–первой декаде марта.
Существенное увеличение водности рек в зимний период влияет и на сокращение изменчивости суточных расходов (табл. 2), что в целом согласуется с выявленной ранее тенденцией снижения межгодовой изменчивости речного стока в бассейне р. Урал [9, 11]. В связи с сокращением роли атмосферных осадков как источника питания в зимний период, многолетняя изменчивость зимнего стока существенно ниже изменчивости летне-осеннего стока [7].
Таблица 2.
Река, период | Коэффициент вариации (Cv) | Коэффициент асимметрии (Cs) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
XI | XII | I | II | III | XI | XII | I | II | III | |
Урал | $\frac{{0.16}}{{0.14}}$ | $\frac{{0.14}}{{0.13}}$ | $\frac{{0.07}}{{0.10}}$ | $\frac{{0.06}}{{0.07}}$ | $\frac{{0.33}}{{0.23}}$ | $\frac{{0.38}}{{0.86}}$ | $\frac{{0.77}}{{1.72}}$ | $\frac{{0.77}}{{0.81}}$ | $\frac{{2.07}}{{0.58}}$ | $\frac{{1.33}}{{1.31}}$ |
Сакмара | $\frac{{0.62}}{{0.65}}$ | $\frac{{0.53}}{{0.98}}$ | $\frac{{0.59}}{{0.48}}$ | $\frac{{0.52}}{{0.50}}$ | $\frac{{0.97}}{{0.54}}$ | $\frac{{1.39}}{{1.18}}$ | $\frac{{0.58}}{{1.04}}$ | $\frac{{0.51}}{{1.20}}$ | $\frac{{1.91}}{{1.35}}$ | $\frac{{1.53}}{{2.03}}$ |
Илек | $\frac{{0.30}}{{0.20}}$ | $\frac{{0.36}}{{0.14}}$ | $\frac{{0.39}}{{0.12}}$ | $\frac{{0.22}}{{0.14}}$ | $\frac{{0.86}}{{0.70}}$ | $\frac{{0.18}}{{0.43}}$ | $\frac{{1.83}}{{1.46}}$ | $\frac{{1.74}}{{3.79}}$ | $\frac{{2.07}}{{3.82}}$ | $\frac{{0.28}}{{1.20}}$ |
Орь | $\frac{{0.10}}{{0.09}}$ | $\frac{{0.21}}{{0.10}}$ | $\frac{{0.37}}{{0.16}}$ | $\frac{{0.17}}{{0.08}}$ | $\frac{{0.85}}{{0.42}}$ | $\frac{{ - 0.11}}{{1.60}}$ | $\frac{{2.12}}{{0.63}}$ | $\frac{{2.05}}{{4.39}}$ | $\frac{{1.41}}{{1.70}}$ | $\frac{{1.24}}{{1.60}}$ |
Согласно данным табл. 2, устойчивое сокращение изменчивости стока зимнего периода характерно в первую очередь для рр. Илек и Орь, водосборные территории которых охватывают засушливые сухостепные ландшафты Зауралья. Коэффициенты вариации суточных расходов крупных рек Урал и Сакмара за рассматриваемый период не претерпели значительных изменений, за исключением последней декады марта.
Очевидно, что изменение сроков наступления, продолжительности и устойчивости межени обусловливает трансформацию параметров истощения стока, оценка которых в первую очередь важна для водохозяйственных целей. С учетом современных тенденций изменения стока зимней межени, можно утверждать о закономерном сокращении экстремальности маловодного периода. В то же время степень истощения речного стока в бассейне р. Урал по-прежнему крайне вариабельна и в отдельные годы довольно значительна, что подтверждают результаты оценки параметров истощения стока (табл. 3).
Таблица 3.
Река | Периоды | Продолжи-тельность, суток | Ампли-туда, м3/с | Интен-сивность истощения, м3/с/сут |
---|---|---|---|---|
Урал | 1950–1977 | 51 | 22.2 | 0.85 |
1978–2008 | 31 | 20.4 | 1.02 | |
1950–2017 | 41 | 21.5 | 0.95 | |
Сакмара | 1950–1977 | 76 | 46.7 | 0.84 |
1978–2008 | 67 | 53.0 | 1.38 | |
1950–2017 | 68 | 46.0 | 1.04 | |
Илек | 1951–1977 | 105 | 4.8 | 0.04 |
1978–2008 | 95 | 6.9 | 0.08 | |
1950–2017 | 98 | 5.8 | 0.06 | |
Орь | 1957–1977 | 80 | 0.5 | 0.07 |
1978–2008 | 66 | 0.2 | 0.004 | |
1957–2017 | 70 | 0.3 | 0.005 |
Продолжительность истощения зимнего стока (период между датами максимального и минимального расхода воды) сократилась в последние десятилетия, что обусловлено более ранними датами наступления абсолютных минимумов. Обращает внимание увеличение интенсивности истощения зимнего стока, что связано, прежде всего, с увеличением амплитуды колебаний расходов воды в условиях сокращения продолжительности истощения. Исходя из того, что амплитуда колебаний расходов холодного сезона определяется изменчивостью их максимальных значений, фиксируемых в начале сезона [8], можно сделать вывод об увеличении суточных расходов в первой-второй декадах ноября.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований установлена повсеместная трансформация внутригодового распределения стока в бассейне р. Урал, проявляющаяся, в том числе, в росте величин расходов зимней межени. В то же время, несмотря на преобладание однонаправленных сезонных изменений, для рек исследуемого бассейна характерны региональные различия, обусловленные в первую очередь площадью, густотой речной сети и физико-географическими условиями водосборных территорий. В частности, региональную специфику распределения стока зимней межени подтверждает пространственно-временная неоднородность в наступлении периода максимального истощения и дат абсолютных минимумов. Минимальные изменения внутригодового распределения стока установлены для рек, водосборы которых охватывают зональные лесостепные и горнолесные ландшафты (р. Сакмара), что свидетельствует о более высокой устойчивости параметров стока к климатическим флуктуациям. В целом увеличение стока зимней межени имеет важное практическое значение, так как величина стока данного периода является лимитирующим фактором гарантированного и устойчивого водопотребления. Соответственно, современные тенденции изменения водного режима рек бассейна р. Урал необходимо учитывать при определении регламента и норм использования водных ресурсов степной зоны.
Список литературы
Болгов М.В., Коробкина Е.А., Трубецкова М.Д., Филимонова М.К., Филиппова И.А. Современные изменения минимального стока на реках бассейна р. Волга // Метеорология и гидрология/ 2014. № 3. С. 75–85.
Владимиров А.М. Минимальный сток рек СССР. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1970. 214 с.
Георгиади А.Г., Коронкевич Н.И., Кашутина Е.А., Барабанова Е.А. Природно-климатические и антропогенные изменения стока Волги и Дона // Фундаментальная и прикладная климатология/ 2016. № 2. С. 55–78.
Джамалов Р.Г., Сафронова Т.И., Телегина Е.А. Внутригодовое распределение стока рек с оценкой роли зимней межени // Водные ресурсы. 2017. Т. 44. № 6. С. 603–611.
Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Телегина Е.А. Изменение зимнего стока рек Европейской части России // Водные ресурсы. 2015. Т. 15. № 6. С. 581–588.
Дмитриева В.А., Нефедова Е.Г. Гидрологическая реакция на меняющиеся климатические условия и антропогенную деятельность в бассейне Верхнего Дона // Вопросы географии. Сб. 145. Гидрологические изменения. М.: Издательский дом “Кодекс”. 2018. С. 285–297.
Закономерности гидрологических процессов / Под ред. Н.И. Алексеевского. М.: ГЕОС, 2012. 736 с.
Комлев А.М. Исследования речного стока. Избранные труды. Пермь: Изд-во Перм. гос. ун-та, 2006. 308 с.
Магрицкий Д.В., Евстигнеев В.М., Юмина Н.М., Торопов П.А., Кенжебаева А.Ж., Ермакова А.Ж. Изменения стока в бассейне р. Урал // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2018. № 1. С. 90–101.
Павлейчик В.М., Сивохип Ж.Т. Особенности многолетнего и сезонного стока рек бассейна р. Урал (на примере рр. Салмыш и Большой Ик) // Известия Иркутского государственного университета. 2018. Т. 24. С. 70–80.
Сивохип Ж.Т., Павлейчик В.М., Чибилев А.А., Падалко Ю.А. Проблемы устойчивого водопользования в трансграничном бассейне реки Урал // Водные ресурсы. 2017. Т. 44. № 4. С. 504–516.
Современные ресурсы подземных и поверхностных в Европейской части России: формирование, распределение, использование / Под ред. Джамалова Р.Г., Фроловой Н.Л. М.: ГЕОС, 2015. 320 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле