СКЛОНОВЫЙ И РЕЧНОЙ СТОК В ЮЖНОЙ ЧАСТИ РУССКОЙ РАВНИНЫ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА И ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

SLOPE AND RIVER RUNOFF IN THE SOUTHERN PART OF THE RUSSIAN PLAIN UNDER THE CJNDITIONS OF THE CLIMATE CHANGE AND ECONOMIC ACTIVITY

Н.И. Коронкевич, Е.А. Барабанова, С.В. Долгов, И.С. Зайцева, Е.А. Кашутина

N.I. Koronkevich, E.A. Barabanova, S.V. Dolgov, I.S. Zaitseva, E.A. Kashutina 

Институт географии РАН (Россия, 119017, Москва, Старомонетный пер., 29)

Institute of Geography, Russian Academy of Sciences (Russia, 119017, Moscow, Staromonetny pereulok, 29)

e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

Рассматривается изменение стока, в основном весеннего поверхностного и полного речного, в южной части Русской равнины под влиянием климатических и антропогенных факторов. На основании анализа данных воднобалансовых станций рассчитан весенний поверхностный склоновый сток в лесостепной и степной зонах за период исчисления нормы стока по К.П. Воскресенскому, то есть за 1890-1950 гг., показано, что в 1960-1980 гг. этот сток существенно снизился в основном в результате широкого применения зяблевой пахоты под яровые культуры. В последние десятилетия снижение склонового стока продолжилось, главным образом под влиянием климатических факторов, тогда как площадь зяблевой пахоты снизилась. В результате современное уменьшение годового стока Волги под влиянием агротехнических приемов оценивается в 1-1,5%, а Дона – в 4-6%, что в два раза ниже, чем на уровне 1980 г. Напротив, рост урбанизированных ландшафтов приводит к увеличению стока. В целом влияние косвенных воздействий на сток разнонаправлено и в значительной мере взаимокомпенсируется. Основное воздействие на сток Дона и Волги из антропогенных факторов оказывают гидротехническое строительство и водозабор на различные хозяйственные нужды. Главным образом под их влиянием суммарное снижение годового стока Волги на начало 21 столетия по сравнению с периодом до 1930 г. составило 1000 км3, а Дона 200 км3. Это влияние соизмеримо с климатическим, хотя зачастую оно было неоднозначным.

The change in spring surface and full river runoff in the southern part of the Russian Plain under the influence of climatic and anthropogenic factors is considered. Based on the analysis of data from water balance stations, the spring surface slope runoff in the forest-steppe and steppe zones was found for the period of the annual normal flow calculations by K.P. Voskresensky (1890-1950). It is shown that in 1960-1980 this runoff has decreased substantially due to a widespread of autumn plowing for spring crops. In recent decades, decline in slope flow continued, mainly under the influence of climatic factors, while the area of autumn plowing decreased. As a result, the current decrease in the Volga annual flow under the influence of agrotechnical methods is estimated at 1-1,5%, and in the Don – at 4-6%, which is two times lower than at the level of 1980. In contrast, the growth of urbanized landscapes leads to an increase in runoff. In general, the effect of indirect impacts on the flow is multidirectional and largely compensated. The main impact on the Don and Volga runoff is provided by hydrotechnical construction and water withdrawal for various economic needs. Mainly under their influence, the total decrease in the annual runoff of the Volga at the beginning of the 21st century compared to the period before 1930 was 1000 km3, and the Don 200 km3. This influence is comparable with the climatic, although often it was ambiguous. 

Введение

Речной сток, как известно, формируется из нескольких составляющих. В их числе важную роль играет поверхностный склоновый сток, особенно в период весеннего половодья – основной гидрологической фазы на территории Русской равнины. Его изменение решающим образом сказывается на величине речного стока половодья и во многом влияет на годовой речной сток. Весенний поверхностный сток весьма подвержен антропогенному воздействию и, как все другие элементы водного баланса, влиянию климатических факторов. В последние годы отмечаются существенные изменения всех составляющих речного стока на территории Русской равнины, особенно в степной и лесостепной зонах. Эти изменения начинаются со склонового стока и продолжаются уже в самих водных объектах. Цель данной статьи – показать насколько существенны эти изменения, в том числе на примере Дона и Волги, и как соотносится при этом влияние климатических и антропогенных факторов.

Изменение поверхностного склонового стока на сельскохозяйственных полях

Основные сведения об изменении стока на сельскохозяйственных полях дают данные воднобалансовых (стоковых) станций. Для периода весеннего половодья  особый интерес представляет сравнение поверхностного склонового стока с полей, занятых зяблевой (осенней) пахотой и прочими полями, распахиваемыми весной, после окончания весеннего половодья. Поля, распаханные осенью, по сравнению с нераспаханными (с уплотненной почвой), к весне обладают повышенными инфильтрационными свойствами и пониженным поверхностным стоком, способствуя уменьшению и речного стока.

Если до 1930-х гг. зяблевая пахота под яровые культуры почти не применялась в нашей стране, то с 1930-х гг. с появлением большого количества тракторов и соответствующих возможностей масштабной обработки почв ее площадь стремительно увеличивалась. В 1960-е – 1980-е гг. она составляла до 40-50% общей площади водосборов в лесостепной и степной зонах, что не могло не сказаться на величине речного стока даже крупных рек. Однако с 1990-х гг. площади, занятые зяблевой пахотой, стали сокращаться как в связи с кризисными явлениями в сельском хозяйстве, так и заменой в значительной мере яровых культур озимыми.

На основании обобщения данных более 30 воднобалансовых станций, расположенных в европейской (преимущественно) и азиатской частях СССР получены величины зонального весеннего поверхностного склонового стока с рассматриваемых угодий для двух типов почв (суглинистых и супесчаных), характеризующие его до начала 1960-х гг. [6], то есть за период исчисления нормы речного стока по К.П. Воскресенскому [3]. Обобщение показало, что в лесостепной зоне (значение речного стока половодья в Европейской части страны 60-100 мм) сток с зяби на суглинках меньше, чем с полей, нераспаханных с осени (озимые, стерня, многолетние травы) в 1,3-2 раза, а в степной зоне при значения стока речного половодья 20 мм – до 6 раз и более. По процентному соотношению разных угодий и типов почв (на европейской территории страны преобладают суглинистые почвы) получены средневзвешенные значения зонального склонового стока с сельскохозяйственных полей (рис. 1).

Рисунок 1. Поверхностный склоновый сток в разные периоды в южной части Русской равнины (мм)

1 – северная лесостепь (сток речного половодья 100 мм); 2 – центральная лесостепь (сток речного половодья 60 мм); 3 – степная зона (сток речного половодья 20 мм). 

В последующем, вплоть до начала 1980-х гг. площадь зяблевой пахоты нарастала и при практически мало меняющихся климатических условиях средневзвешенный склоновый сток соответственно снижался. Это снижение составило в лесостепной зоне 20-40%, в степной – в среднем 60-70%. В результате к началу 1980-х гг. сток с пашни выразился в среднем в следующих величинах (см. рис. 1).

В последующие годы на европейской территории страны отмечается существенное изменение климатических условий, которое сказывается и на величине поверхностного склонового и речного стока. Вследствие наступления более теплых зим, меньшего промерзания почвы поверхностный склоновый сток снегового происхождения снижается.

Поскольку большинство воднобалансовых станций закрылось или на них резко сократился объем работ после распада СССР в оценке современного склонового стока приходится ориентироваться лишь на отрывочные сведения немногих сохранившихся к настоящему времени наблюдений на воднобалансовых станциях. К таковым относятся наблюдения на ряде станций ВНИАЛМИ [1]. На основании этих данных получается, что сток снизился как на зяби, так и на нераспаханных с осени полях, причем на зяби более существенно. В результате гидрологическая роль зяблевой пахоты возросла в 1,5-2 раза.

Вместе с тем, уменьшение площади зяблевой пахоты способствовало увеличению средневзвешенного склонового стока на 10-20%. В целом климатическое воздействие преобладало, и общее уменьшение поверхностного склонового стока за период половодья по сравнению с периодом исчисления нормы стока составило 2-3 раза в лесостепи и 4-10 раз на большей части степной зоны (см. рис. 1). Снижение поверхностного склонового стока привело и к уменьшению стока речного половодья, что хорошо показано в работах «Водные ресурсы России» [2], Р.Г. Джамалова с соавторами [4]. Современное уменьшение годового стока Волги под влиянием зяблевой пахоты и других агротехнических приемов можно оценить в 1-1,5%, а Дона – в 4-6%, то есть, по крайней мере, в два раза ниже, чем на уровне 1980-х гг.

Влияние на сток урбанизированных ландшафтов

В состав урбанизированных территорий входят водонепроницаемые участки (крыши домов, дороги, площади и т.д.) и маловодопроницаемые участки с уплотненной почвой. Поверхностный сток с них, как правило, значительно выше, чем с сельскохозяйственных и тем более лесных угодий, особенно в степных и лесостепных районах, где наиболее велика доля дождевых паводков. Подземный сток ниже, но увеличение поверхностного стока преобладает, поэтому существенно возрастает и полный речной сток.

Несмотря на небольшую площадь урбанизированных участков (в степной и лесостепной зонах 2-4% от общей территории) влияние их на сток заметно. Так, при годовом количестве осадков 600 мм, из которых 70-75% приходится на жидкие осадки, и коэффициенте годового стока с урбанизированных участков 0,3 (наименьшим из рекомендуемых СНиП [9]) слой стока составит с них 180 мм, а в расчете на весь речной бассейн 3,6-7,2 мм, то есть 5-10% нормы речного стока (70 мм). Даже с учетом того, что и в период исчисления нормы речного стока были урбанизированные территории, увеличение стока ощутимо. По весьма осторожной оценке [7], 1% современной урбанизированной территории приводит к такому же увеличению речного стока. Исходя из этого соотношения, расчет для  бассейнов Волги и Дона, урбанизированных на 2-4%, показывает, что при росте площади урбанизированных участков по сравнению с периодом исчисления нормы стока на 1% его современное увеличение оценивается также приблизительно на 1%.

Гидрологическая роль комплекса косвенных антропогенных воздействий

Помимо агротехнических мероприятий и урбанизированных ландшафтов важную гидрологическую роль на водосборах во многих случаях играют лесное хозяйство и осушительные мелиорации. В бассейне Дона ими в целом можно пренебречь, если не считать влияние лесных полос, которое учитывается в составе агролесомелиоративных мероприятий неорошаемого земледелия. В бассейне Волги (транзитной для лесостепных и степных районов) их влияние гораздо более ощутимо, но оно в основном имеет место в лесной зоне. При этом, как следует из работы [5], на современном этапе омоложение лесов приводит в основном к уменьшению речного стока.

Если просуммировать все косвенные воздействия на речной сток, то они в настоящее время в целом взаимокомпенсируются, и главные изменения стока происходят под влиянием прямых воздействий – гидротехнических, водохозяйственных.

Прямые воздействия на речной сток

Создание водохранилищ, забор воды из источников – главные антропогенные факторы изменения речного стока. Анализ кривых нарастающих сумм отклонений фактического (наблюденного) годового и сезонного стока от восстановленного (условно-естественного) стока показывает, что на Волге влияние преимущественно прямых воздействий в наибольшей степени сказывается на стоке половодья (объем суммарного снижения стока за весь рассматриваемый период, начиная с 1930 г., составил более 2600 км3) и годовом стоке (суммарное снижение – свыше 1000 км3), тогда как зимний сток в общей сложности вырос почти на 1500 км3, а интегральный эффект антропогенного воздействия на сток за летне-осенний период (приведший к его росту) оказался относительно невелик – около 200 км3. Наибольшее интегральное снижение стока на Дону также характерно для годового стока (около 200 км3) и стока половодья (340 км3). При этом наибольший вклад в изменение стока на Волге внесло гидротехническое строительство, а на Дону – забор воды на нужды орошения [8].

Соотношение гидрологической роли антропогенных и климатических факторов в изменениях стока

О соотношении роли антропогенных и климатических факторов в изменениях стока можно судить лишь весьма условно, учитывая их тесную взаимосвязь, и прибегая к таким приемам, которые позволяют при приблизительно равных климатических условиях оценивать антропогенное воздействие и, наоборот, при приблизительно равных антропогенных воздействиях – роль климатических факторов.

Как было показано выше, при рассмотрении склонового стока соотношение вклада антропогенных и климатических факторов может меняться в широких пределах. В отношении речного стока Волги и Дона можно сделать вывод о соизмеримости тех и других, хотя в одни сезоны на первый план выходят климатические факторы, а в другие – антропогенные (рис. 2).

Рисунок 2. Климатические и антропогенные изменения стока Волги у Волгограда (а) и Дона у Раздорской (б) за период 1930-2006 гг. по сравнению с 1891-1929 гг.

1 – климатические изменения, 2 – антропогенные изменения, 3 – суммарные изменения; I – год; II – зима; III – лето-осень; IV – половодье. 

Заключение

На современном этапе в лесостепной и степной зонах Русской равнины происходят существенные изменения стока, как поверхностного склонового, подземного, так и полного речного, в том числе стока таких крупных рек, как Волга и Дон. Эти изменения обусловлены и климатическими, и антропогенными факторами – прямыми и косвенными. Воздействие косвенных факторов в значительной мере взаимокомпенсируется, и основную роль в антропогенном изменении стока играют гидротехническое воздействие и водозабор на различные хозяйственные нужды. Гидрологическая роль климатических и комплекса антропогенных факторов в изменениях различных видов стока в целом соизмеримо. Причем в отдельные периоды их влияние на сток может быть однозначным, а в других – противоположным. 

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ № 18-05-00479, а также в рамках Госзадания № 0148-2018-0004. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Барабанов А.Т. и др. Поверхностный сток и инфильтрация в почву талых вод на пашне в лесостепной и степной зонах Восточно-Европейской равнины / А.Т. Барабанов, С.В. Долгов, Н.И. Коронкевич, В.И. Панов, А.И. Петелько // Почвоведение. 2018. № 1. С. 62-69.
  2. Водные ресурсы России и их использование. СПб: ГГИ, 2008, 598 с.
  3. Воскресенский К.П. Норма и изменчивость годового стока рек Советского Союза. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 548 с.
  4. Джамалов Р.Г., Фролова Н.Л., Киреева М.Б. и др. Современные ресурсы поверхностных и подземных вод европейской части России: формирование, распределение, использование. М.: ГЕОС, 2015. 320 с.
  5. Кашутина Е.А., Коронкевич Н.И. Влияние изменения состояния лесов европейской части России на годовой речной сток // Водные ресурсы. 2013. Т. 40. № 4. С. 339-349.
  6. Коронкевич Н.И. Водный баланс Русской равнины и его антропогенные изменения. М.: Наука, 1990. 204 с.
  7. Коронкевич Н.И., Мельник К.С. Антропогенные воздействия на сток реки Москвы. М.: МАКС Пресс, 2015. 168 с.
  8. Коронкевич Н.И., Барабанова Е.А., Георгиади А.Г., Долгов С.В., Зайцева И.С., Кашутина Е.А., Мельник К.С. Гидрология антропогенного направления: становление, методы, результаты // Известия РАН. Серия геогр. 2017. № 2. С. 8-23. 
  9. СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения». Минстрой России. М.: ГУП ЦПП, 1996.

Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!