Статья: Влияние изменения климата на внутригодовое распределение стока малых рек южной половины европейской территории России

ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА НА ВНУТРИГОДОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СТОКА МАЛЫХ РЕК ЮЖНОЙ ПОЛОВИНЫ ЕВРОПЕЙСКОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ

Г.Р. Сафина1, В.Н. Голосов1,2

¹ Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

²Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, г. Москва, 119991, Россия

Аннотация

Изменения климата, которые происходят в настоящий момент, приводят к перестройке водного режима рек. Анализ стока воды малых рек южной половины Европейской территории России показал, что начиная с середины 70-х годов XX в. отмечается его внутригодовое перераспределение: наблюдается увеличение подземной составляющей и сокращение (уменьшение) поверхностной составляющей, основная часть которой приходится на период весеннего половодья. Некоторое сокращение площади пахотных земель в пределах юга лесной, лесостепной и степной ландшафтных зон, произошедшее после 1991 г., в незначительной мере сказывается на изменении соотношения подземного и поверхностного стоков воды.

Перераспределение годового стока оказывает существенное влияние на снижение темпов эрозионных процессов, поскольку именно поверхностный сток со склонов в период снеготаяния является важным фактором их развития. Поверхностный сток с пашни способствует формированию максимальных расходов воды в период снеготаяния, так как под лесом и на длительно залуженных участках склонов в целом глубина промерзания почв существенно ниже, а водопроницаемость почв выше, чем на пашне.

Ключевые слова: малые реки, пахотные земли, речной сток, внутригодовая изменчивость, максимальный сток, минимальный сток, эрозия, аккумуляция

Введение

Водные ресурсы - важный фактор социального и экономического развития, а также экологического благополучия страны. Кроме того, изучение водных ресурсов является одним из направлений фундаментального исследования водных объектов. В соответствии с решением VI Всероссийского гидрологического съезда [1] исследования в области водных ресурсов и водного режима рек страны выполнялись по нескольким направлениям: изучались вопросы гидрологического цикла, планетарного и регионального влагообмена, круговорота воды и речного стока. Многочисленные исследования были посвящены особенностям формирования и изменения водных ресурсов. Существенно возрос интерес ученых к прогнозу климатической изменчивости стока воды. Вопросы, касающиеся формирования стока рек, самым тесным образом связаны и с формированием стока воды и наносов на склонах речных бассейнов и тем самым затрагивают проблемы изменения тренда эрозионно-аккумулятивных процессов.

Постановка задачи

Изменения климата наблюдаются на Европейской территории России (ЕТР) начиная с середины 70-х годов двадцатого столетия, когда наметился отчётливый тренд потепления климата, усилившийся в 90 -е годы и продолжающийся до настоящего времени [2, 3].Они сказались в большей мере на внутригодовом распределения стока рек южной половины ЕТР. Исследования пространственно-временной изменчивости речного стока и водных ресурсов в целом (многолетней и внутригодовой) проводились на территориальном, региональном и бассейновом уровнях [4-6].

При всей полноте анализа изменений внутригодовой водности и режима рек следует отметить, что в указанных работах рассматриваются достаточно крупные по площади водосбора реки и при этом практически не учитывалась степень сельскохозяйственного освоения их водосборов, которая во многом определяет особенности формирования стока, прежде всего на малых реках. В то же время внутригодовое распределение стока в бассейнах малых рек, составляющих более 80-85% общей протяжённости рек [7], наиболее чувствительно как к климатическим изменениям, так и к изменениям землепользования.

Целью настоящей работы является изучение тенденций изменений внутригодового распределения стока малых рек южной половины ЕТР в связи с изменениями климата как фактора, определяющего соотношение поверхностного и подземного стоков и возможного влияния этих изменений на темпы эрозионных процессов на склонах междуречий.

Материалы и методы исследований

Исходным материалом для анализа послужили данные гидрологических ежегодников по годовому, максимальному и минимальному стокам воды малых рек южной половины ЕТР, относящихся к бассейнам: р. Дон (р. Девица / с. Девица, р. Битюг / г. Бобров, р. Битюг / р.п. Мордово, р. Ворона / с. Чутановка, р. Калаус / с. Сергиевка), р. Волги (р. Казанка / г. Арск, р. Меша / с. Пестрецы, р. Свияга / с. Вырыпаевка, р. Умела / с. Нармонка, р. Бузулук / с. Перевозниково) и р. Кумы (р. Кума / ст. Александрийская, р. Кума / ст. Бекешевская) (рис. 1). Исследуемые реки по классификации Б.Д. Зайкова [8] относятся к группе рек с весенним половодьем восточно-европейского типа. Для рек данного типа характерны высокое весеннее половодье, низкая летняя и зимняя межень и несколько повышенный сток осенью.

Все выбранные для анализа реки имеют относительно небольшие по площади бассейны (не более 7000 км²) и располагаются в различных частях юга лесной, лесостепной и степной зон с высокой долей пахотных земель. Такие реки в наибольшей мере чувствительны к изменениям, в том числе климатическим, происходящим в их бассейнах, и на них наиболее быстро проявляется реакция на изменчивость условий формирования стока [ 9]. Следует отметить, что именно доля пахотных земель в пределах речных бассейнов равнин умеренного пояса во многом определяет формирование максимальных расходов воды в реке в период половодья, так как коэффициенты поверхностного стока воды, особенно в период весеннего снеготаяния, с пашни значительно превышают аналогичные показатели с частей бассейнов, занятых естественными угодьями (луг, лес и др.) [10].

Наблюдения за стоком воды в исследуемых бассейнах проводятся достаточно длительное время, что, во-первых, позволяет установить достаточно объективную тенденцию происходящих изменений; во-вторых, даёт возможность судить о тренде изменений стока воды в период глобального потепления. Неравномерность стока реки оценивалась нормированием максимального, минимального и годового расходов воды конкретного года к его среднегодовому значению. Временная изменчивость (направленные изменения) стока рек оценивались уравнением регрессии.

Рис. 1. Обзорная карта района исследования и расположение гидрологических постов на исследованных реках (обозначены цифрами): 1 - р. Казанка / г. Арск, 2 - р. Мёша / с. Пестрецы, 3 - р. Улема / с. Нармонка, 4 - р. Свияга / с. Вырыпаевка, 5 - р. Бузулук / с. Перевозниково, 6 - р. Ворона / с. Чутановка, 7 - р. Битюг / г. Бобров, 8 - р. Битюг / р.п. Мордово, 9 - р. Девица / с. Девица, 10 - р. Калаус / с. Сергиевка, 11 -р. Кума / ст. Бекешевская, р. Кума / ст. Александрийская

Расчеты проводились для трех временных интервалов: за весь период наблюдения; с начала наблюдений на каждом из гидрологических постов до 1976 г.; после 1976 г. до настоящего времени или (в ряде случаев) до прекращения наблюдений. Выбор 1976 г. (в некоторых исследованиях - 1978 г.) в качестве начала современного периода изменения водности обусловлен тем, что практически на всей ЕТР выделяется устойчивый период пониженной водности с 60-х годов - начала 70-х годов до середины 70-х годов - начала 80-х годов как по годовым расходам, так и по другим характеристикам водности. Это дало возможность выделить последнее сорокалетие (в среднем с 1976 г.) в качестве периода современного изменения водности [11].

Аналогичные периоды как в глобальном [ 12], так и в региональном масштабах [13] выделяются и по климатическим показателям.

Результаты и их обсуждение

В последние десятилетия водный режим рек ЕТР и характер их внутригодового распределения стока существенным образом изменились [14]. Рассмотрим, как происходит изменение основных показателей стока воды на малых реках юга ЕТР с высокой степенью сельскохозяйственного освоения. В настоящий анализ реки Предкавказья Кума и Калаус не включены, так как в целом режим стока воды в их бассейнах существенно отличается от остальных рек в силу их расположения на юге ЕТР и большей по сравнению с другими бассейнами зарегулированностью стока.

1. Изменения максимального стока. Следует отметить, что все исследуемые реки характеризуются уменьшением абсолютных значений максимального расхода половодья (рис. 2) (на примере р. Девица). Сокращение максимальных значений половодного стока исследуемых рек колеблется в значительных пределах от 30% до 800%. Уменьшение максимального стока за период наблюдения находит отражение в высоких значениях коэффициентов уравнения регрессии.

Анализ нормированных отклонений максимального стока показывает, что уменьшение абсолютных значений сопровождается сокращением его неравномерности. По всем рекам в период до 1976 г. этот показатель превышал многолетнюю норму от 9% до 49%, в дальнейшем нормированные отклонения составляли лишь 30-85% нормы (рис. 2).

Тенденция сокращения максимального стока рек обусловлена повышением температуры воздуха в холодное время года, увеличением повторяемости оттепелей и, как следствие, снижением глубины промерзания почв и во многих случаях сокращением запасов снега в снежном покрове к моменту снеготаяния [14].

Следует отметить, что превышения максимальных расходов над годовыми значениями нарастает от бассейнов, расположенных на юге лесной зоны к степной зоне. После 1976 г. в бассейнах юга лесной зоны нормированный показатель сократился в 1.79 раза, в лесостепной - в 2 раза, в степной - более чем в 3.5 раза.

Совершенно иная ситуация наблюдается на малых реках юга степной зоны (Калаус, Кума), где уже с середины 70-х годов фактически не формируется устойчивый снежный покров, поэтому ежегодные максимальные расходы обусловлены в основном формированием дождевых паводков и приходятся на разные месяцы тёплого и даже холодного времен года (табл. 1).

Табл. 1. Даты прохождения максимальных расходов воды на некоторых малых реках юга степной зоны

Рис. 2. Максимальный сток (а), нормированное отклонение максимальных значений стока (б) р. Девица / с. Девица за период наблюдений

Некоторый тренд смещения максимальных расходов на более ранние сроки в период весеннего половодья имеет место и при анализе данных наблюдений на реках лесостепной и юга лесной зон, но отсутствует для рек южного сектора степной зоны [15, 16].

Выявленная тенденция сокращения максимальных расходов воды в период весеннего половодья, очевидно, является откликом на происходящие изменения климата, а именно на сокращение глубины промерзания зоны аэрации, что приводит к перераспределению талого стока в сторону увеличения подземного. Это подтверждается и ярко выраженным трендом роста среднегодовой температуры почвы с постепенным увеличением по направлению от юга лесной до степной зоны, который был установлен при анализе данных наблюдений на метеостанциях за период с 1960 г. [17]. И как следствие, происходит снижение поверхностного склонового стока и максимальных расходов воды в период прохождения половодий. Полученные результаты хорошо согласуются с данными аналогичных исследований изменений стока воды на более крупных реках ЕТР [14].

2. Изменения минимального стока. Весеннее половодье сменяется летнеосенней меженью. Минимальные расходы воды (летне-осенний и зимний), характеризующие вклад подземного стока в питание рек, почти по всем исследуемым рекам увеличиваются (рис. 3, б, 4). Исключением является бассейн р. Свияги, в котором, напротив, произошло некоторое сокращение меженного стока. Для остальных бассейнов речной сток летне-осеннего периода до 1976 г. составлял в среднем 57% многолетней нормы. В дальнейшем отмечается его рост с превышением относительно нормы более чем на 33%. Аналогичная тенденция наблюдается и при оценке динамики зимнего минимального стока (рис. 4, в, 5): величина зимней межени до 1976 г. на 37% была ниже нормы, а после 1976 г. - почти на четверть (рис. 4). Однако минимальные расходы воды в летне-осенний период возрастают несколько большими темпами, чем в зимний. Следует отметить, что увеличение минимального стока, характерное как для летней, так и для зимней межени, отмечается при исследовании меженного и подземного стоков средних рек в различных природных зонах равнинной части ЕТР [7].

Современные изменение режима рек определяются климатическими процессами: характер атмосферной циркуляции, увеличение числа оттепелей, сокращение длительности холодного периода служат причиной уменьшения глубины промерзания зоны аэрации. Следствием этого является рост инфильтрации, результатом которой является увеличение запасов грунтовых вод. Кроме того, на малых водосборах сокращение глубины промерзания зоны аэрации сопровождается активным формированием ячеистой структуры распределения мощности мерзлой зоны с преобладанием слабо мерзлых площадей (до 50-60%), что, в свою очередь, вызывает увеличение потерь талого стока на инфильтрацию и питание подземных вод [18, 19].