Известия РАН. Серия географическая, 2020, T. 84, № 1, стр. 103-113

ВВЕДЕНИЕ

Река Дон, ее речная система и бассейн являются объектами пристального научного внимания, поскольку велика практическая значимость ее стока для 15 субъектов Российской Федерации, располагающихся на ее водосборе. В текущем столетии появились публикации, в которых анализируются водные ресурсы Дона [3], приводятся сценарии перспективных изменений водности [4, 26], уточняются количественные показатели водных ресурсов, рассматриваются экологические вопросы [7, 9], предлагается схема комплексного использования и охраны водных объектов Дона [25].

В статьях [10, 12, 15, 29 и др.], посвященных исследованию гидрологического режима Дона, анализируются пространственно-временнáя изменчивость основных гидрологических характеристик среднегодового, максимального и минимального речного стока, генезис и особенности снегового половодья и межени, сезонное распределение стока в современных климатических и хозяйственных условиях. К наименее освещенным аспектам исследований относится современная морфометрия рек и ее связь с водностью реки. В то же время изменения водного режима и морфометрии – взаимосвязанные и взаимообусловленные процессы. В данном исследовании на примере анализируется динамика водности и протяженности рeк Верхнего Дона и их связь.

ГИДРОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ ВЕРХНЕГО ДОНА

Гидрологическая сеть станций и постов до середины 1980-х годов была достаточно густой и размещалась на больших, средних и малых реках. При этом гидропостов на Дону было 2, Хопре – 4, их притоках – 65, включая посты на временных водотоках Нижнедевицкой воднобалансовой станции и Каменностепной гидрометеорологической обсерватории. Среди них опорные посты: Дон-Лиски, Хопер-Поворино с рядами наблюдений свыше 100 лет. К пунктам с продолжительными рядами наблюдений, пригодными для статистической обработки и анализа, относятся Красивая Меча-Ефремов, Сосна-Елец, Воронеж-Липецк, Битюг-Бобров, Подгорная-Калач, Хопер-Пановка, Хопер-Балашов, Хопер-Новохоперск, Ворона-Борисоглебск, Савала-Жердевка. Но в настоящее время гидрологическая сеть продолжает сокращаться. Оптимизация гидрологической сети страны привела к закрытию постов на малых реках: руч. Репный–Краснореченка, Осередь–Бутурлиновка, Рос-сошь–Подгоренский, Ведуга–Акулово, Черная Калитва–Ольховатка, Елань–Елань-Коленовский и многих других, и практическому свертыванию уникальных гидрологических наблюдений Нижнедевицкой воднобалансовой станции и Каменностепной обсерватории в Воронежской области. К примеру, р. Черная Калитва, по Ф.Н. Милькову [28], является пограничной между лесостепью и степью и ее водный режим интересен с позиции формирования стока, а р. Елань в связи с разведкой и планируемой дальнейшей разработкой никелевых руд в ее бассейне, на территории Новохоперского района Воронежской области, – в прикладном аспекте. Для изучения динамики морфометрии рек наблюдения на малых водотоках весьма иллюстративны, поскольку именно малые водотоки наиболее чувствительны ко всем внешним воздействиям природного и антропогенного характера. По состоянию на 01.01.2018 г. в бассейне Верхнего Дона насчитывается 23 постоянно действующих гидропостов. Материалы наблюдений на них используются и для настоящего исследования.

ВОДНЫЙ РЕЖИМ

Рeкa Дон с притоками Красивая Меча, Сосна (Быстрая Сосна), Воронеж, Битюг, Тихая Сосна, Черная Калитва и др. и р. Хопер с притоками Ворона, Савала и др. формируют речные системы и водные ресурсы Верхнего Дона. Наиболее динамично изменяющимся в гидрологическом режиме рек является водный сток. Однако средний годовой сток, сток половодья и межени по характеру и направленности изменений существенно отличаются.

Среднегодовой сток является важнейшей характеристикой в оценке водных ресурсов, территориальной и удельной водообеспеченности и хозяйственного использования поверхностных вод в отраслях экономики. Анализ среднегодового стока за многолетний период от начала наблюдений на постах в бассейне Дона по 2017 г. включительно показал отсутствие выраженных тенденций. Колебания стока происходят около средней многолетней величины с трендом роста в р. Красивая Меча–г. Ефремов и прямо противоположным трендом в р. Сосна–г. Елец (рис. 1).

Рис. 1.

Среднегодовой сток рек за период мониторинга.

Речные бассейны рр. Красивая Меча и Сосна расположены на правобережье Дона, их устья отстоят всего на расстоянии 37 км друг от друга. В р. Дон, по данным нижерасположенных постов г. Задонск и г. Лиски, также наблюдается некоторое, статистически незначимое снижение годового стока, аналогичное таковому р. Сосна (рис. 2).

Рис. 2.

Среднегодовой сток р. Дон за период мониторинга.

Подобные изменения стока отмечаются в р. Хопер в створах Поворино и Новохоперск. Рост годового стока отмечен в р. Ворона – г. Борисоглебск, впадающей в Хопер между указанными гидростворами. Для осмысления подобных аномалий требуются дополнительные наблюдения за стоком.

В значениях годового стока большинства рек Верхнего Дона прослеживается снижение, но тенденция слаба и статистически незначима. Исходя из этого, можно заключить, что водные ресурсы Верхнего Дона, рассчитываемые по величине годового речного стока, относительно стабильные.

Современные климатические изменения больше влияют на сток половодья и межени. Объемы весеннего половодья снижаются, а объемы стока межени, особенно зимней, растут [3, 7, 9, 10]. Одновременно происходят соответствующие изменения в сроках наступления экстремумов половодного и меженного стока. На примере р. Ворона–г. Борисоглебск в текущем столетии частота образования максимумов водности снижается в апреле, но увеличивается в марте и мае. До начала 1970-х гг. случаев образования наивысших расходов воды в марте не отмечалось (рис. 3).

Рис. 3.

Наступление экстремумов высокой водности в р. Ворона–г. Борисоглебск за 1944–2016 гг.

Несмотря на снижение стока весеннего половодья, истощение водных запасов в период межени в XXI в. происходит медленнее, чем в период 1944–2000 гг. Абсолютные минимумы летне-осенней межени смещаются все в большем числе случаев на сентябрь, а зимней межени – на февраль и март, к началу половодья (рис. 4). Следовательно, происходит снижение неравномерности сезонного распределения речного стока и более длительное сохранение снеднегодовой величины водности.

Рис. 4.

Наступление экстремумов низкой водности летне-осенней (а) и зимней (б) межени в р. Ворона–г. Борисоглебск.

Запасы воды в снежном покрове накануне снеготаяния, метеорологические условия и потери талых вод во время половодья определяют формирование максимального стока и максимальных расходов воды. Велика роль почвы, как “посредника”, по выражению М.И. Львовича, между метеорологическими и гидрологическими явлениями. Ее осеннее увлажнение и зимнее промерзание во многом определяют ход и объем весеннего половодья. Достаточно заметить, что глубина промерзания почвы в последние десятилетия заметно снизилась. Так, в зиму 2016/2017 г. оно составило в Воронежской области рекордно низкую величину – 17–33 см. При столь небольшой глубине промерзания почвы даже незначительное прогревание воздуха ведет к оттаиванию верхнего слоя почвы, способной принимать первые объемы талой воды. Именно таким был процесс снеготаяния весной 2017 г. в воронежской части Донского бассейна. За зиму 2016/2017 г. сформировались достаточные для среднестатистического половодья снегозапасы, но в результате неспешного нарастания температуры воздуха весной и высокой поглощающей способности почвы после ее оттаивания талые снеговые воды интенсивно инфильтруются в почву. Из-за высокой потери талой воды на увлажнение почво-грунтов и пополнение запасов грунтовых вод поверхностный максимальный сток был ниже многолетних значений и самым низким в р. Сосна– г. Елец за период мониторинга (рис. 5).

Рис. 5.

Максимальные расходы воды весеннего половодья р. Сосна–г. Елец.

ДИНАМИКА МОРФОМЕТРИИ РЕК

Современное формирование максимального стока, его генезис не способствуют образованию склонового стока и ручейковой сети. При малом объеме стока половодья талая снеговая вода заполняет русловую емкость и часто не выходит из берегов, например, в 2010, 2014, 2017 гг. в бассейне Верхнего Дона. Незначительные объемы воды на склонах затрачиваются на инфильтрацию и испарение, не достигая русла реки. Уменьшение объемов половодья, сокращение контакта талых вод с поверхностью склонов речной долины, исчезновение струек воды и ручейковой сети в момент снеготаяния становятся главной природной причиной динамики морфометрии рек. Маловодье в бассейне Дона, отмечаемое в 2007–2015 гг. [7], ведет к деградации водотоков, особенно малых и самых малых. Она заключается в усыхании рек в верховьях до суходолов, полном пересыхании и исчезновении самых малых водотоков. Нередко реки превращаются в отдельные плесы, заполненные водой и не связанные между собой в межень, как, например, р. Икорец – левобережный приток Дона. Процессы деградации водотоков ведут к сокращению их числа, уменьшению протяженности речной сети и густоты речной сети.

Полевые обследования рр. Сосна и Каменка, правобережных притоков Дона на территории Орловской и Липецкой областей [13, 19], указывают на стремительную деградацию рек, уменьшение их протяженности, особенно в текущем столетии. Базовыми источниками для сравнения приняты сведения из ”Ресурсов поверхностных вод” [22]. Современное состояние оценивалось по космоснимкам дистанционного зондирования Земли и маршрутным обследованиям рек. В морфометрии р. Сосна на территории Орловской и особенно Липецкой областей отмечены существенные изменения (табл. 1).

Суммарная протяженность рек в речной системе Сосны сократилась на 114 км, или на 8.2%. Полностью исчез водоток Корытино, сохранилось лишь его гидрографическое русло, “скелет” некогда руслового потока. На грани исчезновения – рр. Пажень, Паниковец, Сучья. Значительно сокращается р. Кшень – один из трех, наряду с рр. Тим и Олым, значительных притоков Сосны. Отмечена даже трансформация водотоков, которые круглогодично питаются родниковой водой. Среди них – Ельчик, Плющань и др.

В большей степени истощаются очень малые реки, протяженностью до 10 км. Они, как правило, имеют только поверхностное питание за счет стока половодья и дождевых паводков. Но дождевые паводки – большая редкость, и снеговое половодье – исключительный источник питания. Таким редким событием стал дождевой паводок на спаде весеннего половодья 2016 г., образовавшийся от обильных и растянувшихся с апреля по май жидких осадков. Благодаря длительным и интенсивным осадкам оживились ручейки на склонах водосборов, заполнились русловые емкости малых речушек. В последующие годы повторения паводка не наблюдалось, поэтому продолжается устойчивое изменение морфометрии рек.

В качестве объекта исследования динамики морфометрии малых рек взята р. Каменка, правобережный приток Дона на территории Липецкой области. Она впадает в главную реку на расстоянии 1553 км от устья, имеет протяженность от истока до устья 32.0 [22] и 33.4 км [11], а площадь водосбора 224 км². В [22] указано, что р. Каменка имеет 3 притока длиной менее 10 км, общей протяженностью 9 км. Детальное изучение [11] выявило, что речную систему Каменки образуют очень малые водотоки в количестве 20 единиц длиной от 0.5 до 8.6 км.

Повторное обследование р. Каменка в летнюю межень 2018 г. [19] указывает на интенсивную деградацию речных водотоков, выразившуюся в полном или частичном пересыхании (табл. 2).

Из общего числа водотоков речной системы Каменки полностью в суходолы превратились 7 водотоков длиной от 0.5 до 1.5 км, суммарной протяженностью 6.0 км. На 60% сократилась в длине и системообразующая р. Каменка. С учетом изменений морфометрии речной системы с 2010 по 2018 г. скорость деградации составила около 4 км/год. Ее можно считать опасно высокой.

ВЫВОД

Антропогенное воздействие на водосборы в бассейне Верхнего Дона в настоящее время стабилизировалось, крупных изменений в землепользовании и водопользовании не наблюдается. Ведущими факторами современных деградационных изменений водотоков являются природные факторы, определяющие изменение водности, а именно – внутригодовое перераспределение сезонного стока, сокращение объемов весеннего половодья, особенности генезиса максимумов стока весеннего половодья, образования и продолжительности склонового стока, разрушение весенней ручейковой сети, происходящее на фоне современных климатических изменений.