География и геология/3.гидрология и водные ресурсы

К.т.н. Сотникова Л. Ф

Институт водных проблем Российской академии наук

Совместная оценка колебаний водности и метеорологических факторов основных рек европейской части России

Исследование представляет результаты пространственно-временного анализа водного ресурса в бассейнах крупных рек европейской части России (ЕЧР) с выявлением периодов малой и большой водности за многолетний период и анализа внутригодовой водности.

Цель исследования: выявить наличие или отсутствие общих закономерностей состояния водности на территории европейской России. Для этого проведен совместный анализ многолетней водности основных крупных рек, бассейны которых занимают большую часть территории европейской России, а именно рассмотрены бассейны рек северного склона ЕЧР (р.Сев.Двина, р.Мезень и р.Печора); бассейн Волги с выделением составляющих - Верхней Волги, Оки и Камы; а также бассейны рек Дона и Кубани. Тенденции изменения годового стока, происходящие как в сторону увеличения, так и уменьшения его объемов, зависят, прежде всего, от расположения водосборов в разных физико-географических зонах, что и определяет тип питания реки и ее гидрологический режим.

В современное время естественный режим речного стока большинства рек нарушен хозяйственной деятельностью человека, что приводит к изменению однородности многолетних рядов. Отсюда при исследовании возникает, прежде всего, задача восстановления значений естественного, т. е ненарушенного влиянием человека водного режима рек. Только скорректированные гидрологические ряды могут быть основой по формированию базы гидрологической информации для разных сопоставлений и моделей. Степень однородности полученных рядов проверена статистическими методами c помощью параметрического критерия Стьюдента и критерия Фишера.

Для совместного анализа использовался прием оценки водности на основе нормированных- (Q_i/Q₀-1)/Cv - и интегральных- ∑(Q_i/Q₀-1)/Cv- разностных кривых, который позволяет выразить ежегодные данные по стоку в относительном виде, что и позволяет сопоставить многолетние изменения водности разных бассейнов на совместном графике [1].

Оценка изменения водности выполнена отдельно для разных частей бассейна Волги, а именно рассмотрены бассейны верхней части до г. Рыбинска, бассейн Оки, бассейн Камы и дана общая оценка водных ресурсов бассейна по створу у г. Волгограда. (рис.1 а.б,в,г).

а) а)р. Верхней Волги в ств. Рыбинска б) р.Ока в ств. г. Горбатов

в) р. Кама в ств. Н-Камской ГЭС г) р. Волга у г. Волгограда.

Рис.1.Нормированные разностные кривые стока р. Волги в разных створах.

Многолетняя кривая стока р. Волги, построенная за период 1881-2009гг в створе г.Волгограда (рис. 1-г), показывает тренд к повышению водности , но происходит это, как видно из графиков, только за счет водности р. Камы (рис.1- в.), в это же время в остальных частях бассейна Волги отмечается уменьшение стока за многолетний период (см. рис.1- а и 1-б). Из этого следует, что водность р. Камы оказывает определяющее влияние на сток нижней Волги.

В регионах, увлажненность территории которых недостаточна, к каким относится бассейн Дона, наблюдается более заметное снижение обеспеченности водными ресурсами, как за последние годы, так и за многолетний период. В бассейне Дона формирование стока происходит в иных условиях поступления осадков и солнечной радиации, которые характеризуют температуру приземного слоя воздуха, чем это происходит в зоне достаточного увлажнения.

Общий тренд в многолетних колебаниях стока по р. Дон можно оценить по нормированной разностной кривой, построенной в створе г. Калач (рис.2). Как видно, в бассейне за многолетний период происходит снижение годовой водности.

Рис. 2. Нормированная разностная кривая стока р. Дон в створе г. Калач

По северному склону европейской России рассмотрены бассейны рек Северной Двины, Мезени и Печоры (рис.3).

Рис. 3. Нормированная разностная кривая стока р. Сев. Двины.

На базе колебаний годового стока р. Сев Двины можно отметить, что среднемноголетняя величина практически остается без изменений.

Отдельно рассмотрены колебания стока р. Сев. Двины и р. Волги у г. Рыбинска, бассейны которых хотя и относятся к разнонаправленным склонам Среднерусской возвышенности, но демонстрируют полное совпадение фаз водности (рис.4).

Рис.4. Совмещенные интегральные кривые годового стока верхней Волги и

р. Сев Двины.

Данные анализа показывают совпадение тенденций в колебаниях многолетнего стока по бассейнам северного склона европейской России и центральной части России. Полную картину формирования водности на территории европейской России дают совмещенные интегральные нормированные разностные кривые годового стока, построенные за период 1881 г. по 2010г. на реках- Сев. Двина, Верхняя Волга, Ока, Дон, Кама (рис 5).

Рис.5. Совмещенные интегральные разностные кривые годового стока шести рек европейской части России (обозначение линий сверху вниз: р. Дон; р Волга-Рыбинск; р. Сев Двина; р. Ока-Горбатов; р. Волга-Волгодонск; р. Кама-устье).

Очевидным стал факт совпадения лет высокой водности и низкой по всем бассейнам, несмотря на то, что условия формирования стока в равнинной части волжного бассейна, куда относятся водосборы верхней Волги и Оки, и р.Дон. Можно выделить на всех кривых стока период затяжного маловодья - 1930-1939г.г., обеспеченность которого можно считать один раз в сто лет. На графике отчетливо заметно изменение водности, характеризующее маловодье в годы 1929 -1946 и с 1970 года по 1978, а также изменение направления этой кривой в период после 1978г., когда наблюдается повышение водности. Характер изменения водности в створе Волгоградского г/у и водности бассейна реки Камы практически полностью совпадает, а фазы водности совпадают с другими бассейнами. На базе многолетних рядов нормированных значений стока сделана попытка определить степень синхронности всех анализируемых рядов на основе вычисления коэффициентов корреляции. Получено, что существует довольно значимая корреляция между стоком Верхней Волги и Оки, которая составляет R= 0,55, а между стоком Оки и Дона R-0,59, в то время как между стоком Верхней Волгой и Камы коэффициент корреляции составляет R -0.29, а Камы и Оки R -0,15.

Отмечается также существование синхронности в динамике составляющих водного баланса на территории европейской России, а именно в ходе температуры приземного слоя воздуха и осадков. Так, по данным исследований научного центра в г. Обнинске за период 1885-2010гг. прослеживается тенденция к потеплению температуры особенно с 1988г., причем наибольшее потепление отмечено с ноября по апрель, а также отмечено увеличение количества осадков особенно в декабре-марте [2].

Общую динамику водности на всей этой территории можно оценить путем суммирования всех нормированных отклонений за параллельные годы, представив этот результат на рис.6. Имеющиеся многолетние ряды дают возможность анализировать не только колебания стока, определить тенденцию изменения стока под влиянием климата и оценить общую тенденцию в многолетнем ходе водности на всей территории европейской России.

Повышенный сток последних лет в бассейне р. Камы (рис1в) существенно не повлиял на общую картину: это может служить подтверждением стационарности состояния современных гидрологических процессов (рис. 6).

Рис.6. Суммарный сток 5 рек (интегральная кривая): сев. Двины,

верхней Волги, Оки, Камы и Дона.

Изменения стокоформирующих факторов проявляются, прежде всего, в изменении внутригодовой структуры стока. Так, в табл. 1 приведены значения стока р. Дон в процентах от годового за меженный период года разных периодов многолетнего ряда, где особенно заметны эти изменения.

Таблица 1. Распределение месячного стока межени р. Дон по г. Калач, в %

Годы/месяцы	сентябрь	октябрь	ноябрь	декабрь	январь	февраль
1915-1940	2,5	2,5	2,7	2,4	3	3,6
1980-2008	4,5	5,1	5,5	5,1	5,7	5,7

Отмечается существенное увеличение стока в меженный период за последние годы наблюдений. Так, в октябре, ноябре, декабре повышение стока в процентном соотношении составило более чем в два раза, что связано, очевидно, с повышением температур приземного слоя воздуха за этот период.

Одно из возможных направлений исследований водных ресурсов заключается в дальнейшем изучении и использовании связей стока с основными стокоформирующими факторами: температурой и осадками. Именно такая зависимость лежит в основе совместного анализа колебаний характеристик стока, температуры и осадков за периоды параллельных наблюдений. Интегральные и нормированные разностные кривые позволяют провести совместный анализ колебаний стока, осадков и температуры воздуха по разным бассейнам (рис 7).

Рис. 7. Совмещенные интегральные кривые годового стока р. Дона в г. Калач, средних по бассейну за межень осадков и температуры воздуха за 1937-2000 гг.

(обозначения: сверху-кривая температур; далее-сток и осадки)

Следует заметить, что верхняя кривая хода температур воздуха, показывая снижение значений, на самом деле демонстрирует повышение температур периода ноября-марта, так как эти значения – отрицательные: снижаясь , например, с -3 до -1 С, означает не снижение а повышение температуры в холодный сезон года. В отрезке времени с 1978 года по 1982 г. наступил период повышения стока при продолжающемся повышении температуры и незначительном повышении осадков.

Используемый прием интегральных и нормированных разностных кривых очень удобен и для сопоставления разных стоковых характеристик, т.к. сопоставляются отклонения от единицы относительных величин. Так, сток за половодный период р. Камы практически определяет сток года и кривые стока их совпадают, то другая картина получена при сопоставлении интегральных кривых половодного стока и меженного реки (рис. 8).

Рис. 8. Интегральные разностные кривые стока половодья и межени р. Камы.

Сток межени (верхняя кривая) характеризует колебание подземной составляющей годового стока бассейна. Даже из анализа видно, что повышение меженного стока несколько запаздывает по годам в сравнении с увеличением половодного стока. Очевидно, сначала сток половодья идет на пополнения запасов подземных вод, а потом происходит изменение стока межени. Особенно это может быть характерно для бассейнов с наличием карста, что имеет место по нашим сведениям в бассейне р. Камы.

Заключение. Совместный анализ водности основных рек европейской России показал совпадение периодов повышенного и пониженного стока на всей рассматриваемой территории. В соответствии с этим на многолетних кривых колебаний стока, осадков и температуры можно выделить периоды неблагоприятного сочетания этих характеристик и использовать их как варианты или аналоги будущих природных ситуаций. Анализ водности по большой территории позволяет найти и выделить в многолетнем ряду периоды по стоку, а также по ходу температур и осадков, которые бы по своим количественным характеристикам соответствовали прогнозным параметрам. Отметим, что, несмотря на большое разнообразие сценариев и соответствующих им оценок водных ресурсов и режима рек, прогнозы можно распределить на основные четыре варианта. Возможны следующие сценарии: 1- повышение температуры и увеличение осадков; 2- повышение температуры и уменьшение осадков; 3- понижение температуры и увеличение осадков, 4- понижение температуры и уменьшение осадков. На представленных выше кривых стока можно выделить такие периоды в многолетних рядах, которые рассматривать как один из сценариев будущего гидрологического режима. В дальнейшем можно моделировать на их основе длительные ряды, которые бы служили гидрологической базой для моделей управления при планировании водохозяйственных мероприятий и обеспечения экологической безопасности рассматриваемых регионов.

Литература

1. Сотникова Л.Ф., Макарова О.А.Динамика водных ресурсов основных речных бассейнов России. В кн.: «Экономические и территориальные аспекты управления водохозяйственным комплексом России» под ред. В.И. Данилова-Данильяна, Москва, 2013г., с.30-58.

2. Монография «Анализ изменений климата и их последствий», труды «мировой центр данных», г. Обнинск ,2012.