УДК 556.535
СОВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ РЕК БАССЕЙНА ДОНА*
© 2013 г. М.Б. Киреева, Н.Л. Фролова
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва Ключевые слова: водный режим, половодье, изменение климата.
М.Б. Киреева Н.Л. Фролова
Рассмотрены современные особенности весеннего половодья рек бассейна Дона. На основе последних данных о водном режиме рек показаны изменения максимальных расходов воды, продолжительности половодья, доли стока за половодье в годовом стоке, формы гидрографа. Продемонстрировано, что изменение характера весеннего половодья тесным образом связано с изменением других фаз водного режима рек.
Введение
Половодье как фаза водного режима играет исключительную роль в формировании стока воды в бассейне Дона в течение всего года, определяя потенциальные запасы воды в период летне-осенний межени и даже характер прохождения дождевых паводков в случае выпадения значительного ко -личества жидких осадков. Основная причина изменения стока воды за различные сезоны года, безусловно, носит климатическую природу и связана с изменениями атмосферной циркуляции в данном регионе, проявляющейся в смене характера зим, изменении количества атмосферных осадков в лет-
*Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 10-05-00252).
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Годы
Рис. 1. Среднее по бассейну Дона количество осадков (а) и температура воздуха (б) за холодный период (Х1-Ш).
ний и зимний периоды года. Более подробно климатические изменения в бассейне Дона рассмотрены в [1, 2].
Отмеченные ранее увеличение температуры воздуха в холодный период (рис. 1), рост числа, продолжительности и «глубины» оттепелей, сокращение длительности холодного периода года являются предпосылками к перестройке водного режима рек, связанной со значительным сокращением стока за половодье, увеличением естественной зарегулированности стока. Однако степень проявления климатических изменений зависит от характеристик конкретного водосбора, его естественной и искусственной регулирующей способности, хозяйственного освоения.
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
Цель данного исследования - оценка современных особенностей весеннего половодья рек бассейна Дона для учета их в прогнозах и расчетах стока.
Материалы и методы
В процессе работы были использованы многолетние данные Государственного водного кадастра и соответствующих выпусков гидрологических ежегодников по 20 бассейнам незарегулированных средних и крупных рек с наиболее длительными рядами наблюдений до 2008 г. включительно. Используемая для анализа метеорологическая информация включала ежедневные данные о средней суточной температуре воздуха и количестве атмосферных осадков по 57 метеостанциям, расположенным в бассейне Дона и на прилегающих территориях. Статистическую обработку проводили с помощью стандартных пакетов Statistica и Excel, а пространственный анализ гидрологических и гидрохимических характеристик - с помощью пакета ArcViewGis 3.2.
Общая характеристика весеннего половодья
В бассейне Дона талые снеговые воды являются основным источником увлажнения почвенного покрова и формирования речного стока. Как и сне-гозапасы, слой стока воды за половодье подчиняется зональным закономерностям. Уменьшение весеннего стока происходит в юго-восточном направлении. В среднем для бассейна Дона слой стока за половодье составляет около 50 мм, при этом наиболее высокий слой стока (более 60 мм) формируется в бассейне Хопра (выше створа Поворино). Пониженными значениями стока за половодье характеризуется бассейн Медведицы (30-40 мм), а также водосборы Бузулука, Иловли и притоков Нижнего Дона: Чира и Калитвы (20-30 мм) (рис. 2).
Объем и форма половодья зависят от множества факторов: площади и конфигурации водосбора, направления фронта снеготаяния, величины сне-гозапасов и условий их таяния, наличия или отсутствия поймы, особенности гидрографической сети и др.
В зависимости от площади водосбора процесс формирования половодья может происходить по-разному. Для малых рек в целом свойственно одновременное стаивание снежного покрова и быстрое поступление талой воды в речную сеть. Оттепельные паводки и весеннее половодье имеют обычно ярко выраженную одновершинную форму. Конкретные характеристики половодья здесь сильно изменчивы от водосбора к водосбору в связи с их местными особенностями. Параметры половодий на средних реках лучше
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
д_й
I
чС
о в о л о п а з а к окт
с й о
л
и
К
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
отражают зональные закономерности. Характеристики половодья крупных рек отражают процесс таяния в пределах целых гидроклиматических регионов.
Доля стока за половодье в среднегодовом увеличивается на территории бассейна Дона в юго-восточном направлении. В бассейне Дона (г. Задонск) и Сосны с волной половодья проходит 35-55 % годового стока воды. Для р. Воронеж, среднего течения Дона и притоков Нижнего Дона (реки Чир и Калитва) доля половодного стока увеличивается до 45-55 %. Максимальная доля стока за половодье наблюдается в восточной части бассейна (водосбор Хопра, Медведицы, Бузулука, Иловли) - более 55 %.
Половодье на реках бассейна Дона начинается в феврале. Средние даты начала половодья за базовый период попадают на двадцатые числа февраля, причем наиболее раннее половодье наблюдается на средних реках северо-запада бассейна: Дон - Задонск (22 февраля), Сосна - Елец (19 февраля), Воронеж - Липецк (21 февраля). Позже всего половодье наступает в бассейне Иловли и Медведицы (27 и 26 февраля соответственно).
Максимальные расходы воды за время прохождения половодья являются одной из важнейших характеристик этой фазы водного режима. Значение максимального расхода очень важно для хозяйственной деятельности, поскольку определяет возможность затопления прилежащих к водотоку территорий. Максимальный расход непосредственно связан с характером прохождения половодья и его объемом, а также с рядом характеристик водосбора: структурой гидрографической сети, рельефом, характером поймы. Для рек бассейна Дона характерно значительное превышение максимальных расходов воды над меженными: для малых, пересыхающих рек это соотношение может достигать 1:200, для средних - 1:25, для больших - 1:10.
Территориальное распределение максимальных суточных модулей стока средних и больших рек имеет ряд достаточно характерных особенностей (рис. 3). Наибольшие модули стока приурочены к водосборам, расположенных в пределах склонов возвышенностей. Так, в бассейне Сосны (восточный склон Среднерусской возвышенности) и Хопра (створ Пановка, западный склон Приволжской возвышенности) средние значения модуля стока достигают 90 л/с-км2. Также велики модули стока на севере бассейна Дона (р. Дон - г. Задонск, р. Воронеж - г. Липецк). Для других средних рек бассейна Дона средний максимальный модуль стока составляет 20-40 л/с-км2. Наименьшие из максимальных модули стока (менее 20 л/с-км2) относятся к замыкающим створам крупных рек (р. Дон - х. Беляевский, р. Хопер - х. Бемплемяновский, р. Медведица -ст. Арчединская).
Водное хозяйство России
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
Современные изменения характеристик весеннего половодья
в бассейне Дона
Происходящие в настоящий момент климатические изменения приводят к существенной деградации половодья рек бассейна Дона как фазы водного режима в целом. Динамика слоя стока воды за половодье имеет сложный характер, но для всего бассейна Дона однозначно можно говорить о сокращении слоя стока половодья на 10-30 % (см. таблицу).
Таблица. Характеристики весеннего половодья на реках бассейна Дона за 1930-1970 и 1971-2008 гг.
Слой стока за половодье, мм Максимальный модуль стока за Дата начала половодья Продолжительность половодья, сут Доля стока за половодье, %
Река-пост км2 половодье, л/с-км2
1930- 1971- 1930- 1971- 1930- 1971- 1930- 1971- 1930- 1971-
1970 2008 1970 2008 1970 2008 1970 2008 1970 2008
Дон- г. Задонск 31100 67,1 41,8 93,6 50,0 23.03 15.03 30 36 49 32
Дон - г Лиски 69500 72,1 49,5 55,2 27,4 22.03 13.03 54 68 59 43
Дон - ст. Казанская 102000 64,9 49,2 31,7 15,1 22.03 10.03 55 81 60 49
Дон - х. Беляевский 204000 59,1 45,9 21,8 11,3 22.03 12.03 71 94 63 55
Сосна - г. Елец 16300 71,5 48,1 122,6 65,3 25.03 13.03 25 41 49 38
Воронеж -г Липецк 15300 75,9 49,7 75,7 28,3 28.03 16.03 38 59 65 47
Битюг - г Бобров 7340 62,8 41,5 72,4 27,5 26.03 13.03 38 63 71 54
Хопер -пос. Пановка 1120 82,6 66,0 128,8 77,0 29.03 26.03 32 32 68 52
Хопер - г. Балашов 14300 71,3 58,9 52,0 30,2 30.03 21.03 42 57 70 57
Хопер -г. Поворино 19100 72,9 68,6 42,8 24,3 30.03 21.03 52 69 70 58
Хопер - х. Бесплемяновский 44900 67,7 53,1 26,7 14,4 24.03 14.03 69 88 74 60
Хопер -х. Барминский 57300 49,6 44,2 18,7 10,2 20.03 13.03 73 89 66 60
Ворона -г. Борисоглебск 13200 77,1 55,8 49,0 21,9 28.03 20.03 51 70 71 56
Бузулук -х. Большой
Лукьяновский 9220 37,2 25,3 47,2 17,5 25.03 17.03 34 45 68 62
Медведица -пос. Лысые Горы 7610 52,6 45,1 53,1 30,7 28.03 22.03 35 43 65 52
Медведица -ст. Арчединская 33700 41,7 34,8 22,4 13,5 23.03 17.03 55 70 67 59
Иловля - с. Боровки 6520 23,8 16,7 16,4 9,7 18.03 16.03 37 65 63 62
Чир - ст. Обливская 8470 28,1 19,8 34,2 20,7 17.03 07.03 28 38 55 46
Калитва -
х. Погорелов 10500 35,3 22,4 27,7 17,5 09.03 01.03 56 55 65 50
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
Кроме того, по имеющимся данным, для половины из 20 постов выявлено значимое увеличение дисперсии слоя стока за половодье. Даже само выделение половодья как отдельной фазы водного режима на гидрографах стока становится исключительно сложной задачей. Увеличение числа оттепелей приводит к «размазыванию» начала многоводной фазы. В начале половодья, а часто и в течение всего зимнего периода, возникает несколько пиков повышенной водности, связанных с зимними оттепелями. Вследствие этого еще до начала волны половодья происходит частичная сработка запасов воды в снежном покрове, что естественно сокращает объем и максимальный расход половодья, увеличивая зимний меженный сток. В этом случае возникает неопределенность и в выделении начала половодья. Для количественной оценки происходящих процессов в случае со сложной формой гидрографа половодья принято считать за момент его начала дату, соответствующую устойчивому переходу температуры воздуха через ноль, без дальнейших «возвратов холодов».
Максимальное сокращение половодного стока наблюдается в верховьях Дона (выше г/п Лиски), где слой стока за половодье наибольший для всего бассейна. На всех постах изменения носят абсолютно идентичный характер: с начала 1930-х годов весенний сток здесь сократился с 80 до 40 мм в 2000-е годы, что составляет более 30 % суммарного стока за половодье (рис. 4).
Несколько иная картина складывается в среднем течении Дона и бассейне Хопра (за исключением р. Вороны). Сокращение половодного стока в
Водное хозяйство России
этом регионе менее интенсивное: не более 20 мм, в процентном отношении данная величина составляет 10-20 % стока за половодье. Наименьшее в абсолютных значениях сокращение стока наблюдается в бассейне рек Медведицы и Иловли и составляет менее 10 мм (см. рис. 2). Однако в процентном отношении данные изменения также соответствуют около 20 % ввиду того, что сток половодья здесь относительно невелик (порядка 30-40 мм, с учетом того, что для верхнего Дона эта величина составляет более 60 мм).
Наиболее ярко изменения весеннего стока и деградация половодья в бассейне Дона проявляются в динамике максимальных расходов воды. Статистический анализ рядов показал, что для абсолютно всех постов наблюдается статистически значимый отрицательный тренд (по критерию Спир-мена) [3].
Сильнее всего снижение максимальных модулей стока проявляется в бассейнах средних рек и верховьях крупных рек. В верховьях Дона (г. За-донск) с начала 30-х годов прошлого столетия по 2000-е годы максимальный модуль стока сократился со 100 до 40 л/с-км2, для р. Сосны - со 140 до 40 л/с-км2, для р. Воронеж (г. Липецк) и р. Битюг (г. Бобров) - с 80 до 20 л/с-км2, для р. Вороны (г. Борисоглебск) - с 60 до 20 л/с-км2 (рис. 5). Столь яркая тенденция к снижению максимальных расходов, безусловно, вызвана не только климатическими изменениями, но и влиянием антропогенного фактора.
Сокращение максимального модуля стока в бассейне Дона в среднем составляет 40-60 %. На карте (см. рис. 2) выделяются три однородных района, сменяющих друг друга с севера-запада на юго-восток: 1) верховья Дона (включая бассейн р. Сосны) и Воронежа - здесь сокращение максимального модуля стока составляет 40-60 л/с-км2; 2) среднее течение Дона, бассейн Хопра и верховья Медведицы - здесь сокращение максимального модуля стока составляет 10-30 л/с-км2; 3) нижнее течение Дона, бассейн Медведицы, Иловли, реки правобережья Цимлянского водохранилища - здесь сокращение максимального модуля стока менее 10 л/с-км2.
Проверка рядов максимальных модулей стока по критерию Фишера (за период 1930-2007 гг.) показала, что почти на всех реках наблюдается значительное снижение дисперсии. Высокие значения максимального модуля стока наблюдались в те зимы, когда формировался мощный снежный покров, отсутствовали оттепели.
Сроки начала и окончания половодья имеют некоторое условное значение, т. к. выделение момента начала половодья оказывается достаточно сложной задачей. С некоторой долей условности можно говорить о том, что в настоящий момент практически на всех постах имеется статистически значимый тренд сдвига даты начала половодья и максимального расхода воды на более ранние сроки.
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
140 120 ч 100
и
| 80 ^ 60 40 20 0
250 200 | 150 ^ 100 50 0
1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Годы
Рис. 5. Изменение максимальных модулей стока: а - р. Воронеж - г. Липецк; б - р. Чир - ст. Обливская.
а I
- , и ■
Цги ■и Я 1 г /1 ДА "Г"
Щ¥ШШ
б
А 1
ь
Г-" 11 иМ" тиА Л *
^ и! у
Наиболее сильные изменения в дате начала половодья происходят в западной части бассейна Дона. Здесь дата начала волны половодья сместилась на 9-12 дней в сторону более ранних значений. В восточной части бассейна дата начала изменилась примерно на неделю. Дата начала весеннего половодья обнаруживает тесную связь с датой перехода среднесуточных температур к положительным значениям (рис. 6), что позволяет производить построение зависимостей и рассматривать этот показатель в качестве условно объективной характеристики половодья.
Дата окончания половодья также довольно сложноопределяемая характеристика. В условиях отсутствия общей методики ее определения характе-
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
22.04
12.04
02.04
0
(Г
с
§ 23.03
с
й
1 13.03
Л
к
й
Е 03.03
21.02
11.02 11.02
Я2 = 0,70
О Яэ Л / и'
О
ю г* в
6 у < / ъ 0 о
р- о
0 1 1 1 1 1
21.02 03.03 13.03 23.03 02.04 12.04 22.04 02.05 12.05 Дата устойчивого перехода температуры воздуха через 0 °С
Рис. 6. Связь начала половодья и даты устойчивого перехода к положительным температурам (на примере м/с Ливны и р. Сосны - г Елец).
ристика изменений этого показателя может быть рассмотрена лишь с некоторой долей условности. Тем не менее общей тенденцией для современного периода является «запаздывание» дат окончания половодья. В среднем дата смещается в сторону более поздних на 5-10 дней.
Суммарно эффект сдвига даты начала половодья на более ранние сроки и запаздывание его окончания приводит к тому, что продолжительность половодья увеличивается со статистически значимым трендом практически на всех реках. В зависимости от масштаба реки и положения водосбора продолжительность половодья увеличивается на 10-20 дней (рис. 7).
Для всех постов фиксируется значимое уменьшение доли стока за половодье. Наиболее сильные ее изменения наблюдаются в верховьях бассейна Дона и Хопра, а также в бассейне Битюга, Вороны и Калитвы (доля стока снизилась более чем на 20 % за период 1971-2007 гг. по сравнению с периодом 1930-1970 гг.). Для остальной части бассейна Дона изменения находятся в пределах 15-20 % (рис. 8).
Изменение доли стока за половодье происходит на фоне сравнительно неизменной нормы годового стока. Вследствие этого происходит существенное снижение внутригодовой неравномерности стока за счет изменения соотношения меженного и половодного стока. Увеличение естественной зарегулированности стока значительно отражается на форме гидрографов. Во внутригодовом распределении стока при осреднении гидрографов по десятилетиям (рис. 9) замет-
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
Т, сут 120
100 -
80 -
60 -
40
20
0
Т, сут 140
120
100
80
60
40
20
0
1920 1940 1960 1980 2000
Годы
Рис. 7. Динамика продолжительности половодья (сут): а - р. Воронеж - г. Липецк; б - р. Дон - г. Лиски.
200 180 160
3 140 I 120
100
80
60
40
0 20 40 60 80 100 120
Упол, мм
Рис. 8. Связь годового стока и стока за весеннее половодье за 1928-1969 гг. и 1971-2006 гг. для р. Дон - г. Задонск.
а , тЛ—
/ \/ гАДА^
б
V Л,. А
«и и 1 V ■
• 1928-19 *
69 гг. • • • ____
• 1971-20 06 гг. 1 1 • 1
• ' „ Г " ' < • •
• •
• • •
* ^ *
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
3000 2500 2000
.у 1500 1000
а Л
Л
М
1
V
л 1
I 3
1940-1949
■ 1960-1969
1980-1989 ■
2000-2008
500
20.02 1940-1949
10.04 30.05 19.07 - 1960-1969 -1981-1989
7.09 27.10 2000-2008
16.12
Рис. 9. Осредненные по десятилетиям гидрографы рек бассейна Дона: а - р. Медведица - ст. Арчединская; б - р. Дон - ст. Казанская.
Водное хозяйство России
180 160 140 120
„О ^ 100
а
80 60 40 20 0
1928 1938 1948 1958 1968 1978 1988 1998 2008
Годы
Рис. 10. Изменения среднего меженного стока р. Дон - г. Задонск: 1 - летнего (УП-ГХ); 2 - зимнего (ХП-П) .
но последовательное снижение максимальных расходов за половодье и распластывание его волны, а также постепенное увеличение меженных расходов. Наиболее высокие меженные расходы отмечаются в 2000-х годах.
Одновершинные гидрографы с четким максимумом в середине апреля, обусловленным таянием снежного покрова, характерные для Восточно-Европейского типа водного режима по классификации Б. Д. Зайкова, сменяются гидрографами с гребенчатой формой в фазу повышенной водности, характерными для европейских рек, причем превышение максимальных расходов воды над меженными сокращается с 10-15 раз до 3-5.
Изменения характеристик многоводной фазы водного режима и общее перераспределение стока внутри года обусловливает изменения и минимального стока. Основной современной особенностью динамики водного режима является значительное увеличение как средних меженных, так и минимальных месячных расходов воды. Бесспорно, основной причиной роста минимальных расходов является изменение характеристик многоводной фазы водного режима. Сокращение стока половодья компенсируется увеличением водности в меженный период года (рис. 10).
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
41 ■ 44
Рис. 11. Минимальный месячный модуль стока за 1970-2008 гг. и его изменение по
сравнению с 1935-1969 гг.
Водное хозяйство России
Увеличение меженного стока происходит как за счет зимней, так и за счет летне-осенней межени. Изменения среднего меженного зимнего и летнего стока происходят относительно синхронно, но с некоторым сдвигом (см. рис. 10). Статистически значимый рост минимальных месячных расходов воды фиксируется практически для всех постов в бассейне. При этом интенсивность роста минимальных месячных расходов составляет в среднем 15 % за 10 лет. Изменения минимального месячного стока хоть и носят повсеместный характер, но имеют различную интенсивность в разных частях бассейна (рис. 11).
Наибольшие изменения минимального месячного модуля стока происходят в верхнем течении Дона, Хопра и Медведицы. Причем в верховьях Дона изменения несколько меньше и составляют 20-50 %. Ниже по течению они достигают максимальных значений (более 200 % для р. Дон -г. Павловск). В низовьях Дона увеличение минимального месячного модуля составляет около 20 %.
Выводы
Основной тенденцией изменения водного режима рек бассейна Дона является перераспределение стока внутри года при относительном постоянстве общей водности. Для всех постов с различной степенью выраженности фиксируется значительное сокращение доли стока за половодье в среднем годовом стоке воды, уменьшение максимальных расходов воды и увеличение продолжительности половодья.
Наиболее сильные изменения доли стока за половодье наблюдаются в верховьях бассейна Дона, в верхнем течении Хопра, а также в бассейне Вороны и Калитвы. Здесь доля стока снизилась более чем на 20 %, при этом для многих рек сток за половодье стал составлять уже менее половины суммарного стока за гидрологический год. Слой стока половодья в верховьях Дона сократился с 80 с начала 1930-х до 40 мм по начало 2000-х годов. В среднем для бассейна уменьшение слоя стока за половодье составляет 20-40 % и является статистически достоверным для большинства постов. Уменьшение максимальных расходов и максимальных модулей половодья носит наиболее выраженный характер. Сильнее всего снижение максимальных модулей стока проявляется в бассейнах средних рек и верховьях крупных рек. В верховьях Дона (г. Задонск) с начала 1930-х годов по 2000-е годы максимальный модуль стока сократился со 100 до 40 л/с-км2, для р. Сосны - со 140 до 40 л/с-км2, для р. Воронеж (г. Липецк) и р. Битюг (г. Бобров) - с 80 до 20 л/с-км2, для р. Вороны (г. Борисоглебск) - с 60 до 20 л/с-км2. В среднем для бассейна максимальный модуль стока за половодье сократился на 40-60 %.
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России
Изменение доли стока за половодье, происходящее на фоне сравнительно неизменной нормы годового стока, связано с интенсивным ростом меженных расходов воды. Происходит существенное снижение внутригодовой неравномерности стока за счет изменения соотношения меженного и половодного стока. Недостаток стока в половодье компенсируется подземным притоком в реки, особенно в зимний период. Коэффициент естественной зарегулированности стока увеличился для большинства постов в 1,5-2,0 раза. Увеличение естественной зарегулированности стока в бассейне характерно для абсолютно всех рассмотренных створов во всех частях водосбора, что благоприятно сказывается на условиях водопользования в бассейне Дона.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Киреева М.Б., Фролова Н.Л. Бессточные периоды на реках бассейна Дона // Вестн. МГУ
Сер. 5. География. 2010. № 4. С. 47-54.
2. Dzhamalov R.G., Frolova N.L., Kireeva M.B., Safronova T.I. Climate-Induced Changes in
Groundwater Runoff in Don Basin // Water Resources. 2010. V. 37. No. 5. P. 733-742.
3. Христофоров А.В. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Изд-во МГУ,
1988. 131 с.
Сведения об авторах:
Киреева Мария Борисовна, аспирант, кафедра гидрологии суши, географический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ; e-mail: kireeva_mb@mail.ru
Фролова Наталья Леонидовна, д. г. н., доцент, кафедра гидрологии суши, географический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ; e-mail: frolova_nl@mail.ru
Водное хозяйство России № 1, 2013
Водное хозяйство России