Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 6, стр. 719-728

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наблюдается тенденция уменьшения условно-естественного (восстановленного) стока р. Дон на фоне существенного изменения его внутригодового распределения, вызванная потеплением. Это приводит к экологическим и водохозяйственным проблемам [2, 8]. Для р. Дон в последние десятилетия характерно увеличение меженного стока (подземного питания). На пересыхающих реках из-за увеличения числа оттепелей и суммы осадков за холодное полугодие увеличивается объем половодья и сокращаются бессточные периоды. Также на более ранний срок смещается начало половодья, а начало бессточной фазы, наоборот, – на более поздний [12, 23, 26]. Речные поймы функционируют и развиваются под действием гидрологических и климатических условий. Изменение гидрологического режима рек влечет за собой изменение структуры пойменных ландшафтов.

Например, на Нижней Волге в результате сокращения расходов весенне-летнего половодья наблюдается стабильное обсыхание верхней поймы и трансформация характерных мезофитных пойменных экосистем в сторону зональных степных. Увеличение расходов зимней межени вызывает повышение уровня грунтовых вод (УГВ), ведет к подтоплению средней и низкой поймы, что приводит к вымерзанию деревьев и многолетних трав. Увеличение индекса аридности климата и установление периодически промывного или непромывного режима почв способствуют соленакоплению в верхних горизонтах почв, что приводит к образованию солончаков вплоть до верхних пойменных уровней [27]. Аналогичная ситуация характерна и для низовьев Сырдарьи [28].

Несмотря на большое количество работ, посвященных гидрологическим и климатическим изменениям в бассейне Дона [3, 4, 7, 9–11, 22], практически отсутствуют работы, посвященные комплексному анализу состояния наземных экосистем. Только по отдельным притокам первого порядка есть работы, характеризующие растительный или почвенный покров [25].

Цель данного исследования – определение современного состояния пойменных ландшафтов притоков Дона в его среднем течении и определение гидрологических закономерностей их существования и динамики. Исследуются закономерности формирования и функционирования речных пойм основных притоков р. Дон в среднем течении (от ст. Казанской до г. Калач-на-Дону) в пределах Волгоградской области: реки Хопер, Медведица, Иловля и Чир. Также рассматриваются притоки Хопра – реки Бузулук и Косарка. Водосборные территории всех этих рек расположены в зоне недостаточного увлажнения. Причем на долю подземной составляющей стока в пределах водосборов Хопра и Медведицы приходится 15–20, Иловли и Чира – 10–15% [5, 6]. Бассейны рек Бузулук, Чир и нижнего течения Медведицы характеризуются наиболее низкими величинами подземного стока (0.3–0.1 л/с км²) [17].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились на шести модельных участках (ландшафтно-экологических профилях) в бассейне Среднего Дона в пределах Волгоградской области (рис. 1): рек Бузулук в Новоаннинском районе (30 августа 2019 г.), Иловли в Ольховском районе (5 июля 2019 г.), Косарка и Хопер в Урюпинском районе (28–29 августа 2019 г.), рек Медведицы в Жирновском районе (30 сентября 2019 г.) и Чир в Чернышковском районе (15 октября 2019 г.). Работы заключались в инструментальном профилировании с помощью нивелира и в установлении УГВ (в колодцах, почвенных шурфах, в скважинах, выполненных путем бурения ручным почвенным пробоотборником, а также геофизическими методами с помощью георадара ОКО-2 по разработанной авторами методике [21]). Также выполнялись геоботанические описания профилей на модельных площадках, расположенных на разных ступенях поймы. Анализ геоботанических описаний проводился по методике оценки трансформаций в экосистемах и ландшафтах от естественных и гидротехнических нарушений [13, 14].

Рис. 1.

Картосхема местоположения ландшафтных профилей на реках: 1 – Бузулук, 2 – Иловля, 3 – Косарка, 4 – Медведица, 5 – Хопер, 6 – Чир).

Данные о максимальной высоте и расходе половодий за последние десятилетия предоставлены Северо-Кавказским управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Показатели обеспеченности уровней и расходов воды рассчитывались по формуле Крицкого–Менкеля в программе HydroStatCalc.

Использованы спектрозональные данные дистанционного зондирования со спутников Sentinel 2 разрешением 10 м и Landsat 5, 7, 8 разрешением 30 м для предварительного обследования территории перед полевыми выездами и для определения площадей заливания в пойме. На основе классификации инфракрасного канала спутниковых снимков за 1994 (Landsat 5 – 13.04.1994, 20.04.2007, 27.04.2007), 2003 (Landsat 7 – 14.04.2003, 30.04.2003) и 2018 гг. (Landsat 8 – 06.04.2018, 13.04.2018; Sentinel 2 – 08.04.2018, 11.04.2018, 13.04.2018) по ранее апробированной методике [18] выделено и векторизовано водное зеркало.

Для выделения пойм различного уровня в пределах модельных участков использовалась цифровая модель местности SRTM 3 (Shuttle Radar Topography Mission) разрешением 30 м в меридиональном направлении и 20 м в широтном. Цифровая модель местности обрезана границами заливаний в разные годы (по наличию безоблачных спутниковых снимков на даты половодий): 1994 г. (Хопер, Медведица), 2003 г. (Иловля), 2018 г. (Бузулук, Косарка, Чир). На основе анализа ландшафтно-экологических профилей и данных по обеспеченности максимальных уровней половодий авторами определены границы каждого пойменного уровня (первый уровень (низкая пойма) – ежегодно заливаемый; второй уровень (средняя пойма) – заливается практически ежегодно, кроме отдельных маловодных лет; третий уровень (высокая пойма) – заливается очень редко), по ним проведена классификация растров SRTM. Последующая векторизация позволила получить геоинформационные слои с границами уровней поймы и определить их площади.

Геоинформационная обработка выполнена в программе QGIS 3.2, картосхемы представлены в проекции UTM (зона 38N). Обработка материалов проводилась в программе Microsoft Office Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Все изученные поймы имеют значительную ширину (сотни метров – несколько километров) и относятся к категории двусторонних пойм по классификации Р.С. Чалова [24]. Реки, сформировавшие эти поймы, интенсивно меандрируют.

Согласно определению [24], пойма – это часть дна речной долины, покрытая растительностью, затопляемая периодически водами половодий и паводков, образовавшаяся благодаря горизонтальным русловым деформациям и аккумуляции наносов на ее поверхности [24]. Главный признак поймы – заливание территории половодьями. Н.И. Маккавеев отмечал, что средняя высота прирусловой (наиболее повышенной) части поймы близка к среднему многолетнему уровню половодья [15].

Однако наблюдения, проведенные в долинах притоков Среднего Дона, показывают, что в современных гидрологических условиях полное заливание пойм – сравнительно редкое явление. Сопоставление отметок ступеней речных пойм, полученных нивелировкой, с данными по максимальным высотам половодий, согласно материалам наблюдений на гидрологических постах, показывает, что поймы всех обследованных рек (кроме Косарки, на которой гидрологические наблюдения не ведутся) на 0.6–2.0 м превышают среднемаксимальные высоты подъема уровня воды в половодье (табл. 1). Обработка рядов наблюдений в программе HydroStatCalc с получением распределения Крицкого–Менкеля показала, что обеспеченность полного заливания поймы составляет ~10% для Хопра (самая протяженная река, текущая из зоны смешанных лесов) и 5–6% для остальных рек (типичные реки степной зоны).

Наблюдения в поймах Дона и его крупных притоков (Хопер, Медведица) позволяют выделить три высотных пойменных уровня, связанных с водностью рек и стадиальностью развития их долин. Они соответствуют этапам развития речных долин в голоцене, выделенным в [20] на основе морфологии форм пойменного рельефа.

Древняя пойма (высокая пойма). Соответствует “этапу больших рек”, для которого была характерна огромная водность по [20], ширина русел превышала современную в 13–15 раз. Образование этой генерации поймы связано с таянием последнего ледникового покрова (13–16 тыс. л.н.). Поверхность поймы сглаженная, расчленена немногочисленными руслами древних стариц большого радиуса кривизны, сохраняющими гидравлическую связь с рекой в половодье. Поверхность поймы заливается лишь в годы с катастрофическими половодьями обеспеченностью ≤1%. Значительная часть поймы этого уровня освоена под пашню.

Средняя пойма. Соответствует “этапу малых рек”. Характеризуется густой сетью стариц малого радиуса кривизны. Высота поверхности поймы над меженным уровнем воды на 1–1.5 м ниже высоты древней поймы, но вершины прирусловых валов имеют сопоставимые с ней отметки. Расчет распределения обеспеченных максимальных уровней воды в программе HydroStatCalc показал, что в современных гидрологических условиях эта пойма также является реликтовым образованием, так как затапливается лишь высокими половодьями обеспеченностью ≤10%.

Современная пойма (низкая). Занимает 10–25% площади пойменных угодий (рис. 2), но лишь ее можно назвать поймой в гидрологическом понимании, так как она полностью затапливается и продолжает активно развиваться в течение каждого половодья.

Рис. 2.

Распределение площадей речных пойм по ступеням.

Обобщая данные о гидрологическом режиме пойм донских притоков, можно сделать вывод о том, что поймы притоков Среднего Дона – реликтовые образования, сформировавшиеся в условиях, отличных от современных. Морфология пойм не соответствует современным условиям половодий, в которых высокая пойма затапливается раз в 10–12 лет (рис. 3), что, конечно, недостаточно для формирования такой заметной формы рельефа.

Рис. 3.

Вероятность заливания ступеней пойм притоков Среднего Дона.

Кроме гидрологического режима исследованные поймы отличаются и климатическими условиями. Например, норма осадков по метеостанции в Урюпинске (р. Хопер) составляет 383 мм против 400 мм для Нижнего Чира. Однако испаряемость на Чире значительно выше: 690 мм против 478 мм в Урюпинске. Гидротермический коэффициент увлажнения Селянинова для Нижнего Чира равен 0.58, для Урюпинска – 0.8 [19]. Такие существенные различия атмосферного увлажнения также отражаются на состоянии пойменных экосистем.

Об изменении гидрологического режима пойм изучаемых рек свидетельствуют и соответствующие изменения растительности (рис. 4; табл. 2). Так, за последние 30 лет выход воды на пойму р. Бузулук наблюдался в 2003–2006, 2008, 2010, 2012 и 2018 гг. (рис. 4а). Половодье 2018 г. было самым высоким за исследуемый период, максимальные расходы составили 669 м³/с. Для Бузулука характерна временнáя или периодическая гидравлическая связь поверхностных и грунтовых вод: в течение практически всего года происходит одностороннее питание реки за счет грунтовых вод, в периоды половодья происходит кратковременный подпор подземных вод [16].

Рис. 4.

Ландшафтные профили в поймах рек: а – Бузулук, б – Иловля, в – Косарка, г – Медведица, д – Хопер, е – Чир; I – рельеф, II – УГВ, III – максимальный уровень при половодье, IV – минимальный уровень при половодье, V – среднемаксимальный уровень при половодье, VI – контрольные скважины, VII – модельные геоботанические площадки, 1–6 – номера геоботанических площадок (табл. 2).

Благодаря промыванию легких почв в половодье, прирусловая часть не засолена, в верхних горизонтах почвенного профиля есть следы остаточного оглеения. Это говорит о непродолжительном стоянии воды на пойме. Высокая прирусловая часть поймы занята древостоем дуба с отдельными деревьями ясеня. Деревья в хорошем состоянии, грунтовые воды доступны для корневых систем. Луга средней поймы имеют суглинистые почвы, близкое залегание УГВ способствует небольшому засолению верхних горизонтов в условиях сокращения количества заливаний. Об этом свидетельствует наличие единичных экземпляров галофита Limonium gmelini. Тяжелый гранулометрический состав почв препятствуют промыванию зоны аэрации при заливании в половодье из-за низкой скорости фильтрации. Доминирование на лугах Poa angustifolia также говорит о сокращении числа случаев затоплений и о снижении их продолжительности [14]. В притеррасной части поймы разгружаются грунтовые воды, с этим связано переувлажнение этой части поймы и распространение массивов черной ольхи.

Несколько иначе развиваются поймы р. Хопра (рис. 4д) и Медведицы (рис. 4г). В центральной части пойм этих рек наблюдаются зональные процессы: увеличение обилия степной растительности. В пойме Хопра это мезофитный Phlomis tuberosus и мезоксерофит Festuca sp., в пойме Медведицы – ковыли Stipa capillata и Stipa sp. На обеих реках поймы заливались в 2018 г., до этого только в 2003–2006 гг., когда максимальные расходы Хопра составляли 600–1200 м³/с, а на Медведице гидрологический пост не функционировал. Для этих рек также характерна временнáя гидравлическая связь грунтовых и поверхностных вод.

Особый интерес в ландшафтном отношении вызывает пойма р. Иловли. Во-первых, это единственная из исследованных рек, которая имеет постоянную гидравлическую подпорную связь с грунтовыми водами; во-вторых, в рельефе нет явно выраженной высокой поймы. В течение практически всего года река дренирует подземные воды, лишь в период половодья за счет подпора поверхностные воды пополняют грунтовые. Несмотря на то, что Иловля протекает в зоне недостаточного увлажнения, сказываются геологические особенности долины реки: мел и известняки обладают высокой скоростью фильтрации, поэтому грунтовые воды пополняются за счет как атмосферного увлажнения, так и подпора поверхностных вод в период повышения их уровня.

По всему профилю по количеству видов преобладает семейство сложноцветных (Asteraceae) – 20% всех отмеченных видов, причем на первой, второй и третьей площадках их доля составляет ~1/3 при том, что в количественном отношении виды этого семейства нигде не были многочисленными. Только на второй площадке – высокое обилие Achillea millefolium. Видовой состав растительности означает редкие и непродолжительные затопления в половодья. Характерные для низкой поймы виды (Calamagrostis epigeios, Petasites spurius, Oenanthe aquatica) отмечены на участках, непосредственно прилегающих к руслу реки, на высоте до 1.5 м над меженным уровнем. Описание почвенного разреза на модельной площадке 3 показало отсутствие оглеения и ожелезнения всех горизонтов до глубины 150 см. В то же время отсутствуют выцветы солей, а границы между горизонтами выражены неясно. Это говорит о достаточном поверхностном увлажнении и промывании за счет него верхних горизонтов почвы. Выход воды на среднюю пойму был в половодья 2003–2006, 2010, 2012, 2014 и 2018 гг. при максимальных расходах >70 м³/с.

Пойменная дубрава находится в хорошем состоянии, отсутствуют суховершинные деревья. Это также свидетельствует о незасоленности почв и грунтовых вод. Средний диаметр деревьев дуба черешчатого составляет ~30 см при высоте 14–15 м. Отмечен самосев высотой до 20 см. Небольшое засоление есть только на лугах средней поймы: здесь присутствуют виды, выдерживающие засоление, например Limonium gmelini, Agropyron pectinatum.

Чир (рис. 4е) – единственная из обследованных рек, которая имеет постоянную гидравлическую связь с грунтовыми водами, круглый год питая горизонты подрусловых грунтовых вод и грунтовых вод прибрежной полосы [16]. Выход воды на верхнюю пойму возможен при достижении отметки уровня 5.5–6.0 м, что отмечалось в 2003, 2010 и 2018 гг. В растительных сообществах верхней поймы доминирует полынь Artemisia austriaca, что говорит об ее остепнении. Несмотря на затопление в 2018 г., на профиле отсутствуют типичные растения низкой поймы.

В долине р. Косарки (рис. 4в) уровни поймы выражены относительно слабо, из-за недостаточной водности реки здесь отсутствует высокая прирусловая часть поймы, которая формируется в половодья при больших скоростях течения и руслоформирующих расходах. Растительные сообщества, характерные для низкой поймы, распространены вдоль русла реки. Растительность средней поймы представлена мезофитными сообществами. Формированию растительности поймы способствуют не периодические поверхностные заливания в половодья, а высокие грунтовые воды и аккумуляция атмосферных осадков долиной реки.

Анализ гидрологического режима рек и инструментальных профилей позволил определить отметки над меженью высокой, средней и низкой поймы. В результате получены схемы расположения современных низкой, средней и высокой ступеней пойм исследуемых рек (рис. 5). Можно констатировать факт уменьшения площадей средней поймы и увеличения площадей высокой поймы для всех обследованных рек. Это связано с уменьшением расходов воды весеннего половодья и более редким заливанием не только высокой, но и средней поймы. В результате в развитии экосистем преобладают зональные процессы. Растительность, характерная для низкой поймы, отмечается только непосредственно в прирусловой части поймы, а также вдоль понижений средней поймы. Вода сюда заходит через меандровые понижения, а также самые низкие притеррасные отсеки, которые открываются к руслу в нижних частях пойменных массивов. Из-за этого возможно заливание средней поймы при уровнях, недостаточных для проникновения воды через прирусловые понижения высокой поймы [1]. У рек Иловли и Косарки верхняя пойма не выражена, тем не менее видовой состав растительности там говорит о том, что площадь участков, которые заливались недостаточно продолжительное для функционирования пойменной растительности время в последние 10–12 лет, увеличивается.

Рис. 5.

Ступени поймы в долинах рек Хопер (а) и Бузулук (б) в районах исследований. 1 – границы заливаний 1994 г. (а) и 2018 г. (б); 2 – русло реки; 3 – низкая пойма; 4 – средняя пойма; 5 – высокая пойма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы по инструментальному профилированию пойм рек Бузулук, Иловли, Косарки, Медведицы, Хопер и Чир и сопоставлению полученных данных с гидрологическими характеристиками половодий получены актуальные высотные отметки низкой, средней и высокой пойм.

Обобщая данные о гидрологическом режиме донских притоков, можно сделать вывод о том, что поймы притоков Среднего Дона – реликтовые образования, сформировавшиеся в условиях, отличных от современных. Морфология пойм не соответствует современным условиям половодий, во время которых высокая пойма затапливается раз в 10–12 лет, что, конечно, недостаточно для формирования такой заметной формы рельефа.

По классификации Морозова, реки Хопер, Бузулук, Косарка и Медведица относятся к рекам с временнóй или периодической гидравлической связью с грунтовыми водами. Для рек Иловли и Чир характерна постоянная гидравлическая связь поверхностных и подземных вод. При этом для р. Иловли режим стока подземных вод подпорный – в течение практически всего года река дренирует подземные воды, лишь в период половодья за счет подпора поверхностные воды пополняют грунтовые. Подпорный режим характерен для рек в условиях избыточного и частично переменного увлажнения. В случае с Иловлей, протекающей в зоне недостаточного увлажнения, сказываются геологические особенности долины реки: мел и известняки обладают высокой скоростью фильтрации, поэтому грунтовые воды пополняются за счет как атмосферного увлажнения, так и подпора поверхностных вод в период поднятия их уровня. Чир круглый год питает подземные воды, при этом после половодья возможен короткий период подземного стока грунтовых вод, которые пополнились в результате фильтрации и подпора.

В настоящее время отмечена тенденция понижения отметок высокой поймы из-за снижения частоты, продолжительности и высоты половодий. Об этом свидетельствует ботанический состав растительных сообществ с доминированием представителей зональной растительности на повышенных участках средней поймы Хопра, Медведицы и на всей средней пойме Чира. В силу достаточного атмосферного увлажнения и редких заливаний почвы практически не засолены. Только на более высоких участках средней поймы отмечены растения, выдерживающие засоление. Это связано с близким залеганием грунтовых вод и их испарением в зоне аэрации, в то время как в последние годы эта ступень заливается достаточно редко.