Печать
Категория: Материалы VIII Симпозиума (2018 год)
Просмотров: 103

МНОГОЛЕТНИЕ ФАЗЫ ПОВЫШЕННОЙ И ПОНИЖЕННОЙ ВОДНОСТИ РЕК СТЕПНОЙ И ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОН

LONG-TERM PHASES OF INCREASED AND DECREASED WATER FLOW FOR RIVERS OF STEPPE AND FOREST-STEPPE ZONES

А.Г. Георгиади, И.П. Милюкова

A.G. Georgiadi, I.P. Milyukova 

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

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

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

 

На основе анализа многолетних рядов годового и сезонного стока репрезентативных рек лесостепной и степной зон Русской равнины (охватывающих 70-80 лет, начиная с 1930-1940-х гг.) выявлены долговременные фазы их повышенных и пониженных значений (относительно нормы стока, рассчитанной для всего ряда наблюдений). Границы контрастных фаз определялись на основе нормированных разностно-интегральных кривых. Продолжительность фаз находится, в основном, в пределах 20-40 лет. Контрастные фазы характеризуются значительной разницей в стоке, которая достигает более ста процентов. По сходству и различию последовательности смены фаз повышенной и пониженной водности всего года и его гидрологических сезонов выделяется три основных типа их многолетней динамики.

Long-term phases of increased and decreased annual and seasonal water flow (respective to the normal, calculated for the entire period of observation) for representative rivers of the forest-steppe and steppe zones of the Russian Plain were identified on the basis of the analysis of their long-term series (covering last 70-80 years). The time limits of the contrast phases were determined based on normalized cumulative deviation curves. The duration of the phases is mainly in the range of 20 to 40 years. Contrast phases are characterized by significant difference in water flow, which reaches several hundred percent. Three main types of multi-year changes in the long-term phases of increased and decreased annual and seasonal water flow were revealed by the similarity and difference in the sequence of their replacement. 

Введение

Как показывают исследования [1, 3, 5-7] многолетние изменения составляющих стока характеризуются периодами его пониженных и повышенных значений разной продолжительности, которые наблюдаются на фоне соответствующих изменения климата. В статье основное внимание уделяется долговременным (продолжительностью 15-20 и более лет) фазам  повышенного и пониженного стока репрезентативных рек лесостепной и степной зон Русской равнины за период инструментальных наблюдений (с 1930-1940-х по 2010-е годы).

Объекты исследования

В качестве объектов исследования были выбраны девять бассейнов средних рек лесостепной и степной зон. Они расположены в довольно узкой субширотной 3-3,5 градусной полосе (с 51 по 54,5 градус северной широты), вытянувшейся с 34 по 60 градус восточной долготы. Два бассейна (Большой Караман-Советское и Самара-Елшанка) целиком степные, четыре – лесостепные (Сосна-Елец, Битюг-Бобров, Дема-Бочкарева, Белая-Сыртланово). Бассейны Хопра у Поворино и Урала у Кизильского заняты лесостепью и степью, а северная часть бассейна Сейма у Рыльска относится к зоне смешанных лесов, а остальная к лесостепи. Часть бассейнов Урала у Кизильского и Белой у Сыртланово относятся к низкогорьям.

Площадь большинства водосборов рек находится в переделах 10-20 тыс. км2. Вне  этих границ бассейны трех рек (Большой Караман с его площадью у Советского равной 3470 тыс. км2, Битюга у Боброва, 7340 тыс. км2 и Самары у Елшанки, 22800 тыс. км2.

Методы анализа рядов годового и сезонного стока

Подход к анализу долговременных фаз многолетних изменений годового и сезонного стока, обусловленных изменениями климата, основан на использовании разностно-интегральных кривых и анализе характеристик выявленных фаз контрастной водности. Границы сезонов были определены на основе гидрографов стока, построенных за весь период наблюдений. Использовались также сведения о среднемноголетних датах начала и окончания половодья и ледостава.

Разностно-интегральные кривые представляют собой нарастающую сумму отклонений какой-либо характеристики от ее среднего многолетнего значения, рассчитанного для всего периода наблюдений. Зачастую отклонения нормируются на коэффициент вариации для сравнения временных изменений разнородных характеристик. Разностно-интегральные кривые позволяют выявить долговременные периоды (фазы), в течение которых существенно чаще встречаются значения характеристики ниже или выше ее среднемноголетнего значения.

Временная граница смены долговременных фаз повышенных/пониженных значений стока, определяется на основе выявлении минимальных и максимальных значений координат разностно-интегральных кривых. Фазам повышенной водности соответствует однонаправленная многолетняя тенденция увеличения ординат разностно-интегральной кривой, а фаза пониженной водности – уменьшения ее ординат. На фоне таких многолетних тенденций наблюдаются более короткопериодные изменения стока. Отметим, что определение границ смены фаз на основе использования ряда статистических критериев, используемых для оценки однородности рядов данных по их средним значениям, показало, что они, как правило, совпадают или весьма близки к результатам, полученным по разностно-интегральным кривым.

Долговременные фазы многолетних изменений годового и сезонного стока

Основные типы многолетней динамики долговременных фаз.

На рисунке 1 показаны три основных типа последовательности смены фаз повышенной и пониженной годовой и сезонной водности репрезентативных рек лесостепи и степи. Отметим, что на всех реках  наблюдались две основные долговременные фазы изменений стока (за исключением годового стока Самары). Первый тип смены контрастных фаз характерен для Сейма, Сосны, Битюга, а также Большого Карамана. Здесь для стока зимней и летне-осенней межени практически с начала периода наблюдений отмечалась фаза его пониженных значений, которая в 1960-1980-е годы сменилась фазой его повышенных значений. Подчеркнем, что такая последовательность смены фаз этих характеристик стока наблюдалась на каждой из рассмотренных рек. Для стока половодья рек этой группы выявлена обратная картина. Период наблюдений в этом случае начинался с фазы повышенного стока. После нее в 1970-е годы наступила фаза пониженного стока половодья. При этом, практически синхронно происходила смена контрастных фаз стока половодья и годового стока. 

Рисунок 1. Основные типа многолетней динамики долговременных фаз повышенного и пониженного годового стока, стока половодья, летне-осенней и зимнего межени в координатах нормированных разностно-интегральных кривых (CDC) 

Во втором типе (в эту группу рек входят Урал - Кизильское, Белая - Сыртланого и Дема - Бочкарева) смена фаз стока каждого сезона и годового стока происходит квазисинхронно. На реках, отнесенных к третьему типу многолетней динамики фаз (Хопер у Поворино, а также Самара у Елшанки), сначала наблюдалась фаза повышенного стока половодья, а затем наступала его противоположная фаза. Тогда как  для годового стока характерна обратная последовательность контрастных фаз.

Отметим, что смена фаз повышенного/пониженного стока происходят в относительно короткие временные интервалы. Эта закономерность многолетних изменений уже отмечалась применительно к стоку воды крупных и средних рек Русской равнины и Сибири [2-4].

Продолжительность фаз.

Продолжительность фаз находится, в основном, в пределах 20-40 лет (Таблица  1). Как правило, длительность фаз пониженной водности превышает и зачастую значительно продолжительность фаз повышенной водности. Для стока меженных сезонов такое соотношение характерно для всех рек. Но на четырех реках для стока половодья (Сейм, Сосна, Дема, Хопер) и трех реках для годового стока (Сейм, Сосна, Самара) наблюдалась обратная картина.

Различия в стоке контрастных фаз.

Долговременные фазы повышенного/пониженной водности характеризуются значительными различиями их среднего стока (см. табл. 1). Для годового стока разница

изменяется от 25% (относительно стока в фазу его пониженных значений) до 70%, для стока половодья от 23 до 70%, для летне-осеннего стока она составляет 47-150%, а для стока зимней межени 40-100%. Аномальная разница в стоке контрастных фаз характерна для реки Большой Караман. Здесь она наибольшая для каждой из четырех рассмотренных характеристик стока и достигает соответственно 100, 120, 1400 и 200%.

Видимо это явление объясняется, главным образом, малым размером ее водосбора  и особенностями гидроклиматических условий степной зоны (что сказывается особенно заметно в меженные сезоны).

Таблица 1 Речной сток (в м3/с) в фазы его повышенной и пониженной водности

Заключение 

Полученные результаты подтверждают вывод о том, что долговременные фазы повышенной/пониженной водности (продолжительностью 15-20 лет и более) представляют собой характерную особенность многолетних изменений годового и сезонного стока. При этом разница в стоке контрастных фаз для средних лесостепных и степных рек Русской равнины достигают более 100%. 

Работа выполнена в рамках Госзадания № 0148-2018-0004. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Алексеевский Н.И., Фролова Н.Л.. Оценка влияния изменений климата на водный режим и сток рек бассейна Волги // Вода: химия и экология. 2013. № 4. С. 3-12.
  2. Водные ресурсы России и их использование / Под ред. И.А. Шикломанова. СПб.: Гос. гидрологический ин-т, 2008. 600 с.
  3. Георгиади А.Г., Кашутина Е.А. Долговременные изменения стока крупнейших сибирских рек // Известия Российской академии наук. Серия геогр. 2016. № 5. С. 70-81.
  4. Георгиади А.Г., Коронкевич Н.И., Милюкова И.П., Кашутина Е.А., Барабанова Е.А. Современные и сценарные изменения речного стока в бассейнах крупнейших рек России. Ч. 2. Бассейны рек Волги и Дона. М.: Макс Пресс, 2014. 214 с.
  5. Георгиади А.Г., Коронкевич Н.И., Милюкова И.П., Кислов А.В., Анисимов О.А., Барабанова Е.А., Кашутина Е.А., Бородин О.О. Сценарная оценка вероятных изменений речного стока в бассейнах крупнейших рек России: Ч. 1. Бассейн реки Лены / Ин-т географии РАН. М.: МАКС Пресс, 2011. 179 с.
  6. Горошко Н.В. Способы оценки пространственно временных колебаний стока (на примере бассейна Верхней Оби) // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2010. №1. С.55-65.
  7. Georgiadi A.G., Milyukova I.P. & Kashutina E.A. (2008): Recent and Projected River Runoff Changes in Permafrost Regions of Eastern Siberia (Lena River Basin). Ninth International Conference on Permafrost. Institute of Northern Engineering. University of Alaska Fairbanks. 2008. P. 511-515.