Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 6, стр. 674-685

Ландшафтные изменения в бассейне Дона

Гидрологические изменения в бассейне Дона во многом обусловлены трансформацией ландшафтов, главным образом изменением площадей под зяблевой (осенней) вспашкой с разрыхленной к началу половодья почвой. Как показано в работах [2–4, 10, 12], весенний поверхностный сток с полей, вспаханных осенью, значительно меньше, чем с нераспаханных полей.

К 1940 г. площадь зяби в бассейне Дона составляла 25%. К 1960 г. она возросла почти до 50% и сохранялась на этом уровне до конца 1970-х гг. Затем произошло существенное ее снижение (в последние годы до 25–28%). В среднем за период с 1978 г. по настоящее время площадь зяби составила 36.5% – на 5% меньше площади угодий с уплотненной почвой к началу половодья (табл. 1). Во многом это уменьшение объясняется кризисными явлениями в экономике и увеличением доли озимых культур, дающих более высокий урожай по сравнению с яровыми культурами.

Быстро растет площадь урбанизированных территорий, способствующих увеличению стока. Она достигла ~4%. Несколько возросла площадь залесенных участков, поверхностный сток с которых близок к нулю. Представленные в табл. 1 урбанизированные территории, лес, угодья с рыхлой и уплотненной к началу половодья почвой в основном расположены на склонах.

Примерно такую же площадь, как и на склонах, лес занимает и в гидрографической сети (овраги, балки, речные долины), где скапливаются большие снегозапасы, грунтовые воды залегают близко к поверхности, что способствует увеличению поверхностного стока.

Гидрологическая роль структуры ландшафта в бассейне Дона при относительно стабильных климатических условиях

Гидрологическая роль ландшафтов особенно ярко проявляется при относительно однородных климатических условиях. В бассейне Дона такие климатические условия наблюдались с конца XIX в. до 1960-х гг. (период исчисления нормы стока, по [6]) и вплоть до 1980-х гг. В 1960–1970 гг. ландшафтная структура бассейна Дона существенно изменилась – резко увеличилась площадь зяблевой пахоты. Это привело к значительным изменениям весеннего поверхностного склонового стока, среднемноголетние величины которого по данным воднобалансовых станций представлены в табл. 2 и на рис. 1. Склоновый сток на рис. 1 учитывает структуру угодий и механический состав почв.

Рис. 1.

Поверхностный склоновый сток с сельскохозяйственных угодий в разные периоды в южной части Русской равнины. 1 – северная лесостепь; 2 – центральная и южная лесостепь; 3 – степная зона.

Заметны существенные различия величин склонового стока с зяби и с полей с уплотненной к началу половодья почвой (стерня, озимь, залежь, пастбища). Сток с зяби меньше, чем с нераспаханных к началу половодья полей, в 1.5 и более раз – в лесостепной и до 4–5 раз – в степной зонax.

В результате отмеченного выше резкого увеличения площадей под зябью средний взвешенный весенний поверхностный склоновый сток снизился по сравнению с периодом исчисления нормы стока в северной части лесостепи на >20%, в центральной лесостепи – в 1.5 раза, а в степной зоне ~в 6 раз. Это сказалось и на полном речном стоке Дона – он уменьшился на >10% [8]. В дальнейшем все большую роль в изменении стока стали играть увеличение площади урбанизированных территорий и особенно климатические изменения.

Изменение климатических условий

К числу основных факторов формирования стока относятся температура воздуха и атмосферные осадки.

Для определения регионального эффекта глобального изменения климата (в сторону потепления) анализировались многолетние наблюдения за температурой воздуха на воднобалансовом стационаре Каменная Степь, находящемся в центральной части донского бассейна. По результатам наблюдений в 1923–2017 гг., рост среднегодовой температуры в Каменной Степи весьма существенен – 2.8°C. Обусловлено это прежде всего увеличением температуры в холодный период (с ноября по март) – на 4.2°C; это привело к снижению глубины промерзания почвогрунтов и к участившимся оттепелям, во время которых значительная доля талых вод расходуется не на образование поверхностного стока с речных водосборов, а на инфильтрацию и пополнение запасов подземных вод. Тенденция роста отчетливо выражена также в многолетних колебаниях температуры в теплый период (с апреля по октябрь). За рассматриваемый период он составил 2°C и способствовал увеличению испарения.

Последствия многолетнего увеличения температуры воздуха холодного и теплого периодов различны. Рост температуры воздуха холодного периода (при характерном для него низком испарении) привел к меньшему промерзанию почвы, учащению оттепелей, росту инфильтрации, увеличению стока в осенне-зимнюю межень главным образом за счет возросшей роли подземного питания рек. В то же время он стал основной причиной уменьшения поверхностного склонового стока и речного стока весеннего половодья. В итоге уменьшилась неравномерность внутригодового распределения стока.

Иная ситуация наблюдается при росте температуры воздуха в теплый период. Такое изменение способствует увеличению испарения и снижению стока летне-осенней межени. Если судить по динамике влагозапасов в верхнем метровом слое почвы, то тенденция увеличения испарения в последние годы сохраняется. Так, с 1998 по 2017 г. уменьшение влагозапасов в районе Нижнедевицкой воднобалансовой станции составило в среднем 45 мм.

Поскольку сезонный ход температуры грунтов в зоне аэрации прослеживается на значительной глубине (рис. 2), то существенный вклад в уменьшение стока может вносить испарение грунтовых вод, особенно в речных долинах. Такой же эффект становится возможным при неглубоком их залегании на приводораздельных частях водосбора. Так, в районе Каменной Степи увеличение испарения грунтовых вод стало одной из основных причин прекращения в начале 1980-х гг. подъема их уровней, наблюдавшегося длительное время (с середины 1950-х гг.), впоследствии их стабилизации и снижения с 2007 г.

Рис. 2.

Динамика среднемесячной температуры грунтов зоны аэрации на глубине 3.2 м от дневной поверхности (по данным Нижнедевицкой воднобалансовой станции). 1 – фактические значения; 2 – линейный тренд (y = 0.006x + + 8.50, R = 0.21).

Для прогнозирования состояния водных ресурсов на ближайшую перспективу важнейшее значение имеет современная тенденция изменения температуры воздуха. О возможности сохранения выявленной авторами статьи тенденции в многолетнем ходе температуры воздуха свидетельствует то, что за последнее десятилетие рост температуры стал еще более заметным (рис. 3). При этом если в период с 1981 по 2007 г. наиболее значительный рост температуры (на 1.9°С) наблюдался в холодный период и в гораздо меньшей мере (на 0.7°С) в теплый период, то в последнее десятилетие наметилась тенденция сокращения этой разницы, хотя рост температуры (в среднем на 3°С по сравнению с нормой) в холодный период продолжился, но весьма существенно возросла температура (на 2.2°С по сравнению с нормой) и в теплый период (по состоянию на 1980 г.).

Рис. 3.

Изменение среднемесячной температуры воздуха на метеостанции Каменная Степь за 1981–2007 (1) и 2008–2017 гг. (2) относительно нормы за 1923–1980 гг.

Анализ многолетних колебаний количества осадков выполнен по восьми метеостанциям с наиболее длительным периодом наблюдений, которые находятся в различных физико-географических условиях. Для расчетов привлекались данные по осадкам с поправками по следующим метеостанциям: города Валуйки, Волгоград, Урюпинск, Фролово, пгт Чертково, Гигант (Сальский район, Ростовская область), Богородицкое-Фенино (Губкинский район, Белгородская область), г. Пенза.

Расчеты показали, что, в отличие от температуры воздуха, осадки изменились не столь существенно. По сравнению с нормой, исчисляемой по данным наблюдений до 1981 г., годовые суммы осадков немного увеличились. Рост за 1981–2015 гг. составил 19 мм (3.6%). В основном увеличилось количество осадков в теплый период (на 18 мм, 5.8%), которые не играют существенной роли в формировании стока, а количество осадков в холодный период практически не изменилoсь.

Сток в весеннее половодье в современных климатических условиях

Вследствие прекращения наблюдений на многих воднобалансовых станциях в 1980–1990-е гг. для оценки изменений поверхностного склонового стока на пахотных угодьях (занимающих большую часть склонов на речных водосборах) в основном пригодны данные лишь трех стационаров ФНЦ Агроэкологии РАН – Новосильского, Поволжского и Волгоградского [2]. Анализ этих данных показал, что характерной тенденцией в современный период (конец 1970-х – начало 1980-х гг.) стало резкое (на десятки процентов) сокращение весеннего поверхностного склонового стока на всей территории донского бассейна [3, 10]. В начале XXI в. он нередко равняется нулю. Особенно сильно (на 40–74%) снизился поверхностный склоновый сток на уплотненной пашне; в меньшей мере, но весьма существенно (на 33–83%) уменьшился он и на зяби. Другой отчетливо выраженной тенденцией стало увеличение инфильтрации весной. На большей части рассматриваемой территории она значительно возросла – на 22–41%, сократившись лишь в засушливой степи со светло-каштановыми почвами – на 30–39% вследствие уменьшения на 36–50% запаса воды в снеге и осадков за период снеготаяния.

Эти изменения связаны с тем, что рост температуры воздуха (на 1.2–1.4°C) в холодный период года привел к участившимся оттепелям и к уменьшению вследствие этого запасов воды в снеге перед началом половодья, а также к снижению (в ~2 раза) глубины промерзания почвогрунтов. При этом количество осадков за холодный период на рассматриваемой территории практически не изменилось.

Расчеты показали, что изменения климата и сельскохозяйственной деятельности на современном этапе разнонаправлено действуют на поверхностный склоновый сток [3, 10]. Произошедшие за последние годы изменения в хозяйственной деятельности на речных водосборах (в основном, сокращение площади зяблевой пахоты) способствуют увеличению стока. Их вклад в общее его изменение составляет 15–25%, но климатический фактор в несколько раз больше уменьшает сток. Его вклад в современное общее изменение стока составляет 75–85%.

На основе рекомендаций по определению стока с урбанизированных площадей [15] также рассчитан сток с площадей, занятых постройками и дорогами, по величине снегозапасов и осадков за период снеготаяния, умноженной на коэффициент стока 0.7 для северной части бассейна Дона и 0.6 – для южной. Сток с лесных угодий принят равным нулю.

Обобщение результатов расчетов для ландшафтных выделов территории каждой административной единицы позволило определить ландшафтную структуру современного поверхностного склонового стока донского бассейна в период половодья (табл. 3). Расчеты показали, что существенную роль в формировании склонового и речного стока играют урбанизированные территории. Величина стока, формирующегося на них, в настоящее время соизмерима с его величиной с сельскохозяйственных угодий.

С учетом подземного стока, определяемого расчленением гидрографов, и стока с гидрографической сети в табл. 4 дана общая структура речного половодья в бассейне Дона по административным единицам. При этом сток с площади гидрографической сети, определенный на основе данных по снегозапасам и с использованием коэффициентов стока с гидрографической сети [12, 13], снижен из-за уменьшения ветрового переноса снега со склонов. Это объясняется уменьшением доли твердых осадков в общем их количестве в холодный период года и частичного стаивания снега на склонах во время оттепелей [9]. Как видно из табл. 4, результаты расчетов речного стока половодья близки к величинам фактического речного стока по [9]. В целом для бассейна Дона они отличаются на <10%. Полученные соотношения использованы для расчета структуры стока ряда речных бассейнов (табл. 5). Следует обратить внимание на довольно устойчивую долю склонового стока, на возрастание доли стока, формирующегося на площади гидрографической сети в южных степных районах, и, соответственно, на снижение доли подземного стока.

Структура годового речного стока и современные ее изменения в бассейнах рек Верхнего и Среднего Дона

Наиболее детально современные изменения стока определены в бассейне р. Девицы. Площадь водосбора р. Девицы составляет 1490 км². О репрезентативности этого водосбора для всего донского бассейна (по крайней мере его верхней части с площадью 204 000 км², где формируется основной объем стока) свидетельствует тесная корреляционная связь между величинами годового стока р. Девицы у с. Девица и р. Дон у х. Беляевского (коэффициент корреляции 0.8).

Характерной особенностью формирования годового водного баланса в бассейне р. Девицы (табл. 6) стало значительное (на 75%) сокращение поверхностной составляющей стока и увеличение (на 30%) подземной составляющей. В результате годовой сток р. Девицы существенно (на ~35%) сократился, а коэффициент речного стока снизился с 0.24 до 0.15. Доля дренируемого рекой подземного стока в полном годовом стоке возросла с 39 до 80%. Поверхностная составляющая речного стока в основном формируется на площади гидрографической сети (участки, расположенные ниже бровок речных долин, оврагов, балок, лощин).

Обобщение данных Нижнедевицкой воднобалансовой станции за 1998–2017 гг. показало, что расходная часть водного баланса бассейна р. Девицы (в сумме сток и испарение) в среднем за гидрологический год составляет ~85% количества осадков. Остальная часть осадков пополнила запасы влаги во всей толще зоны аэрации – за 20 лет на 87 мм: в том числе в верхнем метровом слое почвы – на 8 мм, ниже 1 м – на 79 мм.

В последнее десятилетие (2008–2017 гг.) вследствие уменьшения осадков на 13 мм суммарный сток снизился на 12 мм. Особенно заметно сократился поверхностный сток с водосбора – с 6 мм до нуля. Весьма существенно снизилась подземная составляющая стока в связи с уменьшением (на 6 мм) влагозапасов в зоне аэрации из-за усилившегося испарения.

В табл. 7 приведены данные о сезонном распределении поверхностного и подземного стока с водосбора р. Девицы, а также суммарного стока. Годовой суммарный сток р. Девицы за последнее десятилетие заметно уменьшился – на 13% (относительно периода 1998–2007 гг.) На близкую величину – 16% сократился годовой сток Дона в створе г. Лиски. Причем уменьшение стока наблюдается как в летне-осеннюю межень, так и в зимнюю.

Анализ многолетних колебаний месячного минимального стока показал, что снижению в последние годы годового стока на Верхнем Дону способствует уменьшение подземного стока как в холодный (ноябрь–март), так и в теплый (апрель–октябрь) периоды года (рис. 4).

Рис. 4.

Динамика минимального месячного стока р. Девицы у с. Девица (а) и р. Дон у г. Лиски (б). Фактические значения: 1 – холодный период, 2 – теплый период. Линейные тренды: 3: y = –0.12x + 7.67, (R = 0.65); 4: y = –0.084x + 4.99 (R = 0.58); 5: y = –0.03x + 6.38 (R = 0.16); 6: y = –0.13x + 6.76 (R = 0.68).

Уменьшение подземной составляющей стока прослеживается в бассейне не только Верхнего Дона, но и Среднего Дона: р. Чир у ст. Обливской (8470 км²) и р. Иловля у с. Боровки (8730 км²) (рис. 5). Оно характерно для межени холодного периода и составило по отношению к периоду 1981–2006 гг. в среднем соответственно 45 и 55%. Вероятно, это имеет место не только на Верхнем и Среднем, но и Нижнем Дону, что требует дополнительных исследований.

Рис. 5.

Изменение среднего за 2007–2016 гг. суточного стока р. Чир у ст. Обливской (1) и р. Иловли у с. Боровки (2) относительно среднего за 1981–2006 гг. суточного стока.