Водные ресурсы, 2023, T. 50, № 6, стр. 635-642

ВВЕДЕНИЕ

Исследования изменений речного стока стали актуальными для бассейна Байкала с 1970-х гг. на фоне глобального изменения климатической системы [14, 16, 17]. Они проводились на основе анализа рядов наблюдений и численного моделирования речного стока [8, 9, 11, 15, 22]. Для значительной части бассейна Байкала отмечалось уменьшение стока. При этом область отрицательных аномалий годового стока не ограничивается бассейном Байкала, а простирается далее на восток, затрагивая также верховья Амура [12].

В большинстве цитируемых исследований рассматривают лишь несколько крупнейших притоков Байкала [7] либо ограничиваются годовым стоком [4]. Цель настоящей статьи – исследование особенностей многолетней изменчивости составляющих водного баланса для 20 притоков Байкала и факторов, их определяющих.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для выявления факторов многолетней изменчивости водного стока на 20 крупнейших реках – притоках Байкала за 1976–2019 гг. были выбраны 16 гидрологических постов (табл. 1) в нижнем течении рек. Для четырех притоков – Кичеры, Мантурихи, Сармы, Томпуды – данные измерений расходов воды отсутствуют. Для р. Кики (с. Хаим) данные для 2005–2019 гг. были восстановлены по данным расходов на р. Итанце (с. Турунтаево) с помощью уравнения линейной регрессии ($R_{{{\text{год}}}}^{2}$ = 0.54, $R_{{{\text{тепл}}}}^{2}$ = 0.52). Выбор 1976 г. связан с началом интенсивного роста температуры воздуха как в мире, так и в бассейне Байкала. Заключительные годы подбирались по наличию доступных данных на момент проведения исследования (2019 г.). Получение данных о стоке за 2020 г. позволило оценить возможные изменения результатов работы по мере удлинения рядов. Использованы данные Гидрометцентра России, гидрологических ежегодников и данные автоматизированной системы государственного мониторинга водных объектов [1].

Оценка изменений климатических характеристик для 20 бассейнов притоков Байкала (рис. 1) была основана на данных, полученных из реанализа ERA5-Land [18]. Использовались среднемесячные данные по суммам осадков Р, испарению Е и испаряемости Е₀, представленные в узлах сетки 0.1° × 0.1°. Средняя для водосбора величина рассчитывалась как средневзвешенное между величинами в узлах сетки в пределах водосбора.

Рис. 1.

Анализируемые водосборные бассейны рек-притоков Байкала. 1 – Селенга, 2 – Большая речка, 3 – Мантуриха, 4 – Снежная, 5 – Хара-Мурин, 6 – Утулик, 7 – Голоустная, 8 – Бугульдейка, 9 – Анга, 10 – Сарма, 11 – Рель, 12 – Тыя, 13 – Кичера, 14 – Верхняя Ангара, 15 – Томпуда, 16 – Баргузин, 17 – Максимиха, 18 – Турка, 19 – Кика, 20 – Большая Сухая.

Исследование факторов многолетней изменчивости водного стока проводилось для теплого периода (июнь–сентябрь) и для года в целом. Статистический анализ включал в себя выявление линейных трендов методом наименьших квадратов для P, E, Е₀ и водного стока Q за период с 1976 по 2020 г. (2019 г. для Q) как в абсолютном выражении (мм/год), так и относительном (%/год). Проверка значимости осуществлялась с помощью теста Манна−Кендалла при уровне значимости 5%. Если уровень значимости p-value был >0.05, то нулевая гипотеза принималась. Также рассчитывались коэффициенты детерминации R ², которые интерпретировались следующим образом: 0.01 ≤ R² ≤ 0.09 – теоретически недостаточно подтвержденная связь, 0.09 ≤ R² ≤ 0.49 – средняя (умеренная) связь, 0.49 ≤ R² ≤ 1 – достаточно сильная связь.

Для Q_год и Q_тепл за рассматриваемый период составлены уравнения множественной и парной регрессии от Р и Е. Вклад Р в изменчивость Q принимался равным R² зависимости Q(Р). Величины Е и Р не независимы, так как Р определяют количество доступной для испарения влаги, а также связаны с другими метеопараметрами (облачностью, влажностью воздуха, скоростью ветра и др.), которые влияют на величину испарения. Поэтому вклад Е в изменчивость Q оценивался по тому, насколько учет Е в модели регрессии позволяет полнее описать изменчивость Q по сравнению с учетом только P, т. е. рассчитывалось, насколько увеличивается коэффициент детерминации зависимости Q при включении испарения в уравнение множественной регрессии: R²(Q(Е)) = = R²(Q(Р, Е)) – R²(Q(Р)).

Для анализа распределения NDVI задействованы доступные материалы космической съемки за 2002 и 2019 гг., представленной в виде продуктов MOD13A3 и MYD13A3. Продукты MODIS NDVI и EVI рассчитываются на основе коэффициентов отражения поверхности с поправкой на молекулярное рассеяние, поглощение озона и аэрозолей. В данном алгоритме используется средневзвешенное временное значение. На основе данных MODIS, полученных с портала EarthExplorer [20], для проведения оценки NDVI посчитаны величины площадей объектов некоторых категорий: открытая почва (NDVI – 0.025–0.5); разреженная растительность (NDVI – 0.5–0.7); лесные массивы (NDVI ≥ 0.7).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ годовых рядов P выявил умеренное уменьшение их количества за период с 1976 по 2020 г. только для водосборов, расположенных южнее 53° с.ш., в диапазоне от 0.25 до 0.59% в год. На водосборах рек Рели, Тыи, Кичеры, Верхняя Ангарa, Томпуды и Баргузин изменения носят статистически незначимый характер (табл. 2). Изменение P теплого периода невелико для бассейнов рек южной части Байкала (Снежная, Хара-Мурин и Утулик). Диапазон уменьшения для остальных водосборов колеблется от 0.5 до 0.69%/год.

Анализ рядов E₀ показал значимый рост с 1976 по 2020 г. на территории всех анализируемых водосборных бассейнов. Наибольший рост характерен для среднегодовых значений E₀ (кроме бассейнов Утулика, Рели, Тыи, Кичеры, Верхней Ангары, Томпуды) – от 0.39 до 0.62%/год, тогда как в теплый период происходит ее умеренное увеличение – от 0.32 до 0.7%/год. Рост E₀ объясняется повышением температуры в регионе, которое происходило быстрее повышения гло-бальной температуры [11].

Разнонаправленные тренды изменений характерны для E. Максимальный рост среднегодовых значений за весь период зафиксирован в южной и восточной частях Байкала – в бассейнах рек Снежной (0.39%/год), Турки (0.38%/год) и Кики (0.32%/год), а также на водосборе р. Рели (0.43%/год) (табл. 2). Умеренное увеличение как за год, так и за теплый период происходит в северной и северо-восточной частях побережья озера и на территории бассейнов рек Хара-Мурин (0.41 и 0.27%/год соответственно) и Утулик (0.32 и 0.21%/год соответственно). Очевидно, что увеличение E на фоне уменьшения количества P связано с ростом E₀.

Для бассейна Селенги и Голоустной изменения среднегодовых значений E носят статистически незначимый характер, однако в июне–сентябре происходит умеренное уменьшение данного показателя – на 0.21 и 0.17%/год соответственно (табл. 2). Отрицательные аномалии выявлены на территории водосборов Бугульдейки (0.28 и 0.39%/год для среднегодовых значений и значений за теплый период соответственно) и Анги (0.31 и 0.44%/год).

Несмотря на повсеместную значимость трендов E₀, ее вклад в изменение Q невелик. Это объясняется малой изменчивостью рядов E₀ – коэффициент вариации составляет порядка 0.05, в то время как величина тренда варьирует от 2 до 4% за 10 лет. Разнонаправленное изменение Р и E₀ приводит к неоднородной картине изменения реального E. Рост E как за год, так и за теплый сезон характерен для территорий со скоростью уменьшения Р ≤ 0.8%/год.

Анализ рядов стока выявил незначимые тренды для большинства рек, впадающих в оз. Байкал. В целом среднегодовой сток анализируемых рек уменьшался со скоростью 41 м³/с/10 лет (2.8%/10 лет). Основную роль в этом играет р. Селенга, уменьшение стока которой составило 42.1 м³/с/10 лет. Наиболее интенсивное уменьшение стока наблюдалось на р. Бугульдейке – среднегодовой сток умеренно уменьшался на 10.8%/10 лет с 1976 по 2019 г. Только для нее изменения Q_год были статистически значимы (табл. 2). При этом на соседних постах скорость изменения Q_год существенно меньше (–0.4%/10 лет и –6.1%/10 лет).

Статистически значимое уменьшение Q_тепл наблюдается в Селенге, Бугульдейке, Анге и Большой Речке (рис. 2). В среднем приток воды в оз. Байкал за теплый сезон уменьшался со скоростью 5.6%/10 лет, а положительный тренд был выявлен лишь на двух малых реках – Утулик (2.2%/10 лет) и Максимиха (6.1%/10 лет). Выявленная область отрицательного тренда, включающая в себя бассейны Селенги и рек средней части Байкала на западном побережье, согласуется с областью отрицательных аномалий P и положительных аномалий E₀.

Рис. 2.

Статистически значимые колебания расходов воды с 1976 по 2019 г. в реках − притоках Байкала.

Наблюдающиеся в бассейне Байкала циклические изменения в режиме стока, в частности увеличение стока после 2018 г. [13], указывают на временную неустойчивость полученных в работе оценок, которые справедливы только для периода, завершающегося 2019 г. Для проверки чувствительности трендов к длине рядов дополнительно были проведены расчеты с учетом данных о стоке за 2020 г. Они показали статистически значимое уменьшение Q_год на реках Бугульдейке (8%/год) и Кике (1.45%/год), увеличение – на р. Максимихе (20.13%/год). Статистически значимое уменьшение Q_тепл наблюдается на реках Бугульдейке (4.85%/год), Большой Речке (1.85%/год), Кике (1%/год) и Анге (8.83%/год). В целом, область отрицательных аномалий в период до 2020 г. согласуется с областью отрицательных трендов P и положительных трендов потенциального испарения в период до 2019 г. Однако в первом случае вклад Селенги в уменьшение стока уже считается статистически незначимым как для среднегодовых изменений, так и для значений в теплый период. Отличительной особенностью результатов становится статистически значимое увеличение Q_год на р. Максимихе. Эти оценки позволяют сделать вывод о динамике составляющих водного баланса в условиях смены гидроклиматической обстановки, наблюдающейся в бассейне оз. Байкал с 2018 г. В этой связи выводы, полученные в работе, следует считать репрезентативными только для периода до 2019 г. При анализе уравнений множественной регрессии была выявлена связь Q с величинами P и E, однако только величина P является определяющим фактором изменчивости среднегодовых расходов и расходов за теплый период в бассейнах рек – притоков Байкала [5]: R² меняется от 0.14 до 0.67 (0.57 – для Селенги) для P и от 0.09 до 0.29 (0.09 – для Селенги) – для E. Медианное значений R² для P – 0.36, для E – 0.16. Пространственная картина уменьшения количества P, зафиксированного в южной и средней частях Байкала, практически идентична картине изменения Q (рис. 3). Скорость уменьшения Q больше скорости уменьшения P, что характерно для полуаридных районов и связано с отрицательным трендом коэффициента стока по мере уменьшения P. Однако недостаточная изученность и сложность условий формирования стока в регионе вносят большую неопределенность в прогноз возможных изменений стока.

Рис. 3.

Изменение количества осадков в водосборных бассейнах рек – притоков Байкала с 1976 по 2019 г. На реках Снежной, Хара-Мурин и Утулик не произошло уменьшения осадков теплого периода.

Возможная роль трансформации растительного покрова в изменении составляющих водного баланса исследовалась на основе спутниковых данных и расчета индексов NDVI для двух лет – 2002 и 2019. Выявлено, что характеристики растительного покрова незначительно изменились в период с 2002 по 2019 г. За 17 лет площадь лесов сократилась на 1624 км², а площадь земель с открытой почвой увеличилась на 2450.2 км², что составляет 1.14% суммарной площади всех анализируемых водосборов.

В бассейне р. Баргузин наблюдалось увеличение на 2.57% площади земель с открытой почвой и уменьшение лесных массивов почти на 4% от общей площади водосбора, что могло происходить за счет приуроченности бассейна к высотному поясу степных сообществ Западного Забайкалья, подверженных деградации в условиях снижения количества осадков [2]. Аналогичная ситуация характерна для бассейнов рек Томпуды, Кики и Рели. Незначительное увеличение площади лесных массивов наблюдалось в бассейнах Селенги (2.06%), Кичеры (1.19%), Снежной (2.47%), Бугульдейки (1.51%), Тыи (2.63%) и Хара-Мурин (3.45%). Выявлено отсутствие изменений растительности для бассейнов Верхней Ангары, Голоустной, Большой Речки, Максимихи, Мантурихи и Утулика.

Существенно другая картина наблюдается для водосборов Анги, Сармы, Турки и Большой Сухой. Здесь увеличилась площадь открытой почвы и разреженной растительности на фоне снижения площади лесов. Интенсивность трансформации для анализируемых бассейнов была намного больше, чем у остальных, и превышала в некоторых случаях 10% от общей площади бассейна. Турка и Большая Сухая находятся на территории Восточного Прибайкалья, где большую площадь занимают подвижные и слабо закрепленные пески. Дефляция в регионе обусловлена его физико-географическими особенностями – распространением почв легкого механического состава, аридностью климата, совпадением времени пика ветрового режима с наиболее засушливым периодом [6]. Один из ключевых факторов трансформации растительного покрова в бассейнах Анги и Сармы – лесные пожары. Согласно схеме пирологического районирования Прибайкалья [10], леса в регионе приурочены к категории лесов с повышенной потенциальной горимостью, обеспечиваемой благоприятными для этого климатическими и лесорастительными условиями. В бассейнах этих рек происходит длительная деградация лесорастительных условий с затяжной стадией восстановления [3].

Неоднородная динамика растительного покрова связана как с климатическими изменениями, так и с антропогенной деятельностью [21]. Сведение лесов в регионе могло быть причиной сокращения количества осадков, что в свою очередь привело к уменьшению речного стока, но из-за неоднозначности направления трансформации биоценозов на местах вырубок гидрологическая роль сведения лесов не совсем ясна. Предположительно, лесистость – не определяющий фактор формирования стока в регионе, режим которого обусловлен дождевым питанием. При интерпретации этих результатов следует также учесть, что реакция растительности на уменьшение количества осадков либо происходит с большим опозданием, либо вообще не наблюдается в течение исследуемого периода [19]. Считается, что почвенный покров и растительность в бассейне Байкала сильно восприимчивы к изменению климата, однако чувствительность водосборных бассейнов и их адаптируемость к изменению климата все еще неочевидны [15].

ВЫВОДЫ

Впервые проанализированы тренды и факторы многолетней изменчивости водного стока крупнейших притоков Байкала, что значительно расширяет представление о региональной изменчивости водного баланса.

На территории анализируемых водосборных бассейнов притоков Байкала происходит рост Е₀ с 1976 по 2020 г. Умеренное уменьшение Р_год происходит повсеместно в южной, западной и средней частях бассейна Байкала – от 0.25 до 0.59%/год.

Статистически значимые изменения годового стока с 1976 по 2019 г. отсутствуют. Статистически значимое уменьшение Q_тепл наблюдается в средней и южной частях Байкала (Селенга, Бугульдейка, Анга, Большая Речка). Среднее уменьшение притока воды в оз. Байкал за теплый сезон составило 5.6%/10 лет. За счет серии многоводных лет после 2018 г. выраженность указанных трендов по мере удлинения рядов снижается.

Выявлены тенденции влияния величин Р и Е на речной сток. Величина P стала определяющим фактором изменчивости Q_год и Q_тепл в бассейнах рек – притоков Байкала (R² варьировала от 0.14 до 0.67, медианная величина R² составила 0.36). Пространственная картина уменьшения количества осадков, зафиксированного в южной и средней частях Байкала, практически идентична картине изменения речного стока.

Влияние трансформации растительного покрова в регионе на речной сток не выявлено.