Формирование гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Вид материала

Автореферат

Содержание Глава 3. Геосистемная концепция улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек 4.1 Основные задачи и исходные данные 4.2 Репрезентативность данных опорных метеостанций о многолетних колебаниях регионального климата для других регионов в пределах 4.4 Многолетняя изменчивость показателей регионального климата по данным 4.6 Реакция годового речного стока малых равнинных рек на колебания показателей регионального климата и хозяйственной деятельнос 4.7 Влияние колебаний климата и хозяйственной деятельности на ПВСС и весенний речной сток

Подобный материал:

• Влияние антропогенных факторов на сток малых рек республики адыгея, 64.07kb.
• Стенограмма парламентских слушаний на тему "Экология малых рек России: проблемы и пути, 784.97kb.
• Литература: 29, 628.9kb.
• Тема урока: «Реки России», 305.26kb.
• Формирование, динамика и экологическое состояние аквальных комплексов равнинных водохранилищ, 627.96kb.
• Эколого-фаунистическая структура сообществ птиц долин малых рек севера Нижнего Поволжья, 174.49kb.
• Санитарно-гигиеническая оценка антропогенного загрязнения малых рек саратовской области, 402.67kb.
• Жуков Сергей Васильевич. Участники мероприятия с интересом выслушали выступления: Кандидата, 19.61kb.
• Урок биология и география (7 класс) Тема: Внутренние воды Евразии. Ареалы обитания., 76.59kb.
• Практические задания для формирования навыка применения знаний по темам, 680.29kb.

Глава 2. Поверхностный весенний склоновый сток и его роль в формировании гидроэкологического состояния малых равнинных рек.


Одним из важнейших гидрологических процессов, обеспечивающих тесную связь водосбора и малой реки, является поверхностный склоновый сток, особенно в период весеннего снеготаяния (ПВСС), играющего определяющую роль в формирования гидрологического режима рек на территории Русской равнины. Различные вопросы формирования ПВСС и его вклада в возникновение эрозии почвы исследовались в работах Н.И. Алексеевского, А.Т. Барабанова, Н.Н. Бобровицкой, Ю.В. Бондаренко Г.Г. Борисовой, В.Е. Водогрецкого, В.П. Герасименко, А.М. Грина, В.С. Дыгало, В.В. Демидова, С.А. Кондратьева, В.И. Корзуна, Н.И. Коронкевича, М.С. Кузнецова, М.В. Кумани, Г.А. Ларионова, Л.Ф. Литвина, М.И. Львовича, В.М. Мишона, Г.В. Назарова, А.И. Субботина, Г.П. Сурмача, Ю.П. Сухановского, Е.П. Чернышова, Р.С. Чалова, и других исследователей.

В работе рассмотрены вопросы терминологии и генезиса этого процесса, основные влияющие на него природные и антропогенные факторы, масштабы пространственно–временных изменений его характеристик, приведен обзор методов его изучения и расчета – экспериментальные стационарные и полустационарные полевые наблюдения на воднобалансовых станциях, в первую очередь на стоковых площадках и малых логах, картографирования, математического моделирования [Н.И.Коронкевич, 1990; А.Т. Барабанов, 1993; В.П. Герасименко,1993; Л.С. Кучмент и др, 1983; С.А. Кондратьев, 1990; Е.М. Гусев, 1993].

В практических расчетах широко используются физически обоснованные зависимости среднего многолетнего ПВСС от среднего многолетнего весеннего речного стока, полученные в Институте географии РАН при разработке метода элементной дифференциации водного баланса территории Русской равнины [Н.И. Коронкевич, 1973; Н.И. Коронкевич, 1990, Н.И. Хрисанов, Г.К. Осипов, 1993]. Такие зависимости получены для основных видов подстилающей поверхности на водосборах к моменту установления снежного покрова: зяби, уплотненной к осени почве и леса. В группу подстилающей поверхности с уплотненной почвой включались такие разные типы поверхности, как многолетние травы, озимые, пастбища, залежь, стерня, однако, обладающие сходным типом режима ПВСС [Н.И. Коронкевич, 1990]. При построении таких зависимостей использовались данные экспериментальных наблюдений только до 1970 года, и вопрос об их неизменности во времени оставался неизученным.

В этой связи в работе исследовался вопрос об устойчивости зависимостей У_вс = f (У_рс) во времени. Для этого имеющие ряды данных о ПВСС и среднемноголетних величинах речного стока весеннего половодья были продлены до 1988 для 15 воднобалансовых станций (ВБС) различной ведомственной принадлежности, расположенных на территории Русской равнины. Результаты обобщения этих данных приведены на рис. 1.



Рис. 1. 1 - зябь (до 1970), 2 - уплотненная почва (до 1970), 3 - зябь – объединенный ряд, 4 - уплотненная почва - объединенный ряд, 5 – зябь – зависимость до 1970 г., 6 -уплотненная почва - зависимость до 1970 г., 7 - зябь Yвс = f (Yрс) - для объединенного ряда, 8 - уплотненная почва; Yвс= f(Yрс) для объединенного ряда

Сопоставление зависимостей У_вс = f (У_рс) показывает, что для зяби они полностью совпадают, а для площадок с уплотненной почвой отклонение между ними довольно существенны. Это объясняется дифференциацией условий формирования ПВСС внутри группы, объединенной понятием, как «поля с уплотненной» к весне почвой. Практически полное совпадение зависимостей У_вс = f (У_рс) для зяби и общая их форма за разные периоды наблюдений для площадок с уплотненной почвой позволяет сделать вывод об их устойчивости во времени.

Для использования в практических приложениях эмпирические зависимости У_вс = f (У_рс) этих объединенных рядов были аппроксимированы степенными функциями:

Для зяби : Y_всз = 0,07 x Y_рс.^1,47 R² = 0.76 (1),


Для угодий с уплотненной почвой:

Y_{вс уп.} = 7,23 x Y_рс^0,53 R² = 0.48 (2),

Для леса, в связи с отсутствием новых данных использовалась информация, полученная до 1970 г [Н.И.Коронкевич, 1992]:

Y_всл. = 10^-4 9.0 Y_р.^2.22 R² = 0.56 (3),

где - коэффициент детерминированности.

Объем и гидрограф ПВСС – основные характеристики этого процесса, обусловливающие один из важных факторов гидроэкологического состояния малых рек – их водоносность. Вклад ПВСС в формировании годового и весеннего стока на примере бассейна р. Волги, который расположен на большей части Русской равнины, показан в табл. 1.

Таблица 1.

Структура речного стока в бассейне Волги [по Н.И.Коронкевичу, С.В.Ясинскому и др, 1996]

Составляющие речного стока	год		зимне-весенний период
	мм	%	мм	%
Полный речной сток	187	100	113	100
Поверхностная составляющая стока	136	73	92	81
Подземная составляющая стока	51	27	21	19
Сток по поверхности почвы	105	56	64	57
В том числе со склонов	37	20	35	31
С площади гидрографической сети	68	36	29	26
Сток инфильтрационного происхождения	82	44	49	43

Из приведенных данных видно, что поверхностным путем стекает примерно 20% годового стока Волги, практически только в весенний период со склонов. Вместе со стоком верховодки, который быстро улавливается первичной гидрографической сетью и включается в поверхностную составляющую, со склонов стекает 36% годового и более половины весеннего стока Волги. В разных природных зонах роль ПВСС в формировании водности малых рек меняется. В лесной зоне по сравнению с другими природными зонами выше увлажнение территории и доля стока инфильтрационного происхождения, обусловленная высокими инфильтрационными свойствами почв под лесом, способствующими формированию устойчивого подземного стока и стока верховодки. В лесостепной и степной зонах снижаются общая увлажненность территории и все виды стока, но увеличивается доля стока по поверхности почвы в годовом и весеннем речном стоке. Для лесостепи она составляет около 60-70%, в том числе со склонов - 30-40%, в степной зоне – 80 – 90%, в том числе со склонов 40 – 45 %.

Другим важным фактором гидроэкологического состояния малых равнинных рек является качество их водных ресурсов, в формировании которого велика роль ПВСС, как основного процесса, обеспечивающего значительное поступление с жидким и твердым стоком в русла этих рек разнообразных загрязняющих веществ, в том числе ядохимикатов и радионуклидов. На пути от водосбора до русла происходит трансформация характеристик жидкого и твердого стока и содержащихся в них загрязняющих веществ. Если объем жидкого стока, сформированный на склонах, на этом пути увеличивается за счет поступления талых вод из гидрографической сети, то значительная часть твердого стока отлагается в ее нижних частях, в задернованных оврагах и балках, на поймах малых рек. По существующим оценкам только 10-20% продуктов эрозии почвы на малых водосборах достигает русла рек. При этом в многоводные годы полной промывки отложенного твердого материала не происходит. В маловодные годы мощность слоя этих отложений увеличивается. В результате во многих балках лесостепной зоны мощность балочного аллювия достигает в среднем 0.5-3.5 м, [Р.С.Чалов, А.В.Чернов,1994]. В степной зоне толщина этих отложений достигает уже 8-10 м. Они заполняют все отвершки гидрографической сети, в том числе и устья боковых оврагов [Е.П.Чернышев, Н.А.Барымова,1992]. Несмотря на аккумуляцию в начальных звеньях гидрографической сети значительного объема выносимого со склонов материала, не менее 1/3 всего объема загрязняющих веществ выносится в реки стоком с водосборов [Гос. доклад…, 1993]. Снижение водности, загрязнение водных ресурсов и заиление русел, ведущим фактором возникновения которых является формирование ПВСС - наиболее актуальные проблемы современного гидроэкологического состояния малых равнинных рек.


Глава 3. Геосистемная концепция улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек

Неудовлетворительное гидроэкологическое состояние малых равнинных рек, вызванное, в том числе, влиянием поверхностного склонового стока и обусловленных им гидролого-геохимическими процессами вызывает необходимость разработки и внедрения экологически безопасных и экономически выгодных технологий по улучшению гидрологического режима их водосборов. Наиболее эффективна организация мероприятий по применению таких технологий на геосистемной основе. Сущность геосистемной концепции заключается в представлении территории водосборов малых равнинных рек как природно-антропогенных геосистем локального уровня [Л.И. Мухина,1986]. В настоящее время они представляет собой мозаику, сложенную из набора элементарных природно-антропогенных геосистем: городов, поселков, деревень, сельскохозяйственных полей, лесов, болот и других. Основу этих геосистем составляет природный комплекс, трансформированный той или иной деятельностью человека. От степени трансформации этих геосистем зависит объем, интенсивность, качественный состав поверхностного и подземного стока, который через элементарную гидрографическую сеть поступает в малую равнинную реку. Именно все усиливающееся отклонение элементарных природно-антропогенных геосистем в речных бассейнах от своей естественной составляющей обусловило возникновение и необходимость решения “проблемы малых равнинных рек”.

Представление о водосборах малых равнинных реках как о природно-антропогенных геосистемах локального уровня позволяет осуществлять целенаправленные адаптивные мероприятия по улучшению их гидрологического режима [С.А.Пегов, П.М. Хомяков, 1991]. Сущность этих мероприятий основана на постоянном учете и согласовании природной и антропогенной составляющих геосистем, позволяющим оптимизировать их функционирование как целостных, саморегулирующихся систем.

Цель экологически безопасного улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек заключается в проведении на их территории комплекса природоохранных мероприятий, обеспечивающих оптимальное функционирование наземных геосистем, снижение интенсивности или ликвидация ряда негативных процессов и достижения за счет этого существенного улучшения водного режима и качества воды.

Достижение этой цели должно основываться на профилактическом принципе, согласно которому необходимо, прежде всего, не допускать и устранять причины возникновения и развития негативных процессов на водосборах и в речной сети малых рек, а не бороться с их последствиями. В каждом конкретном случае выбор методов будет зависеть от места расположения малого водосбора, интенсивности протекающих процессов, степени его трансформации под влиянием антропогенной деятельности. В большинстве случаев природно-антропогенные геосистемы малых равнинных рек характеризуются преобладанием природной составляющей, в отличие от крупных рек, в долинах которых расположены большие города и мощные промышленные предприятия. Основными видами хозяйственной деятельности на их водосборах являются сельское и лесное хозяйства. Часто эти виды хозяйственной деятельности рассматривают как одно сельскохозяйственное производство [Н.А.Воронков,1989]. К этим видам хозяйственной деятельности нужно добавить жилищно–коммунальное хозяйство (ЖКХ) сельских населенных пунктов и рекреацию, которые раньше учитывались недостаточно.

Арсенал методов по улучшению гидрологического режима водосборов малых равнинных рек достаточно велик. Они могут иметь чисто технологический характер: сооружение и правильная эксплуатация очистных сооружений для объектов сельского ЖКХ и рекреации, создание простейших противоэрозионных гидротехнических сооружений (валы – террасы и др.), воссоздание малых ГЭС, совершенствование и реконструкция мелиоративных систем, расчистка русел малых рек и др.

Другим важным комплексом этих методов является оптимизация ландшафтной структуры их территории в сочетании с применением современных почвозащитных и противоэрозионных агротехнологий. Под оптимизацией ландшафтной структуры понимается научно-обоснованное размещение на данной территории природно-антропогенных геосистем с различным функциональным назначением и режимом использования [А.Г. Исаченко, 1980]. Она предусматривает рациональное размещение на малых равнинных водосборах естественных и культурных угодий - лесных массивов, сельскохозяйственных полей, садовых и кустарниковых насаждений, лугов с естественной и культурной растительностью, водоемов и болот, а также искусственной инфраструктуры, обеспечивающей жизнедеятельность человека. К основным научным задачам оптимизации ландшафтной структуры водосборов относится обоснование размеров площадей и конфигурации этих природно-антропогенных геосистем, а также их взаимной расположенности на малом водосборе и оценка резко выраженных конфликтных ситуаций, например, между животноводческими фермами и водными объектами, различными коммуникациями и лесными насаждениями [В.М. Яцухно А.С. Помелов, 1990]. Наиболее перспективным направлением решения задач оптимизации структуры ландшафтов в улучшении гидроэкологического состояния водных ресурсов малых равнинных рек является совместное использование методов моделирования гидролого–геохимических процессов, формирующихся на их водосборах и ГИС – технологий. С использованием ГИС – технологий задаются несколько вариантов конфигурации и размещения на водосборе набора природно–антропогенных геосистем и для каждого из них производится расчет потоков исследуемых субстанций, поступающих и трансформирующихся в речной сети или в водном объекте, с использованием того или иного вида моделей. Выбор оптимального варианта пространственной структуры ландшафта может быть сделан при достижении рассчитанных характеристик, которые используются для оценки гидроэкологического состояния водных ресурсов их пороговых значений - критериев.

В научной и практической деятельности эти критерии относятся к трем основным группам. В первую группу входят экологические критерии. Как правило, они представляют собой заданные пороговые значения натуральных показателей того или иного процесса или явления, например, предельно – допустимые концентрации элемента в воде (ПДК). Критерии ПДК для биогенных элементов использованы в работе при оценке качества воды р. Истры в период весеннего половодья (глава 6). Вторая группа критериев - экономические критерии. В основу этих критериев положен принцип минимизации затрат или максимума дохода при достижении запланированного результата, например, нормативного качества воды. Однако, как отмечают Н.И.Хрисанов, Г.К.Осипов (1993г), наиболее перспективно использование эколого-экономических критериев. Их необходимо применять при рассмотрении различных вариантов проведения водоохранных мероприятий, где на каждом этапе их проведения применяются сначала экологические критерии, а оптимальные варианты оцениваются по экономическим критериям. Именно эти критерии наиболее полно отвечают сущности адаптивного природопользования, при котором вся процедура принятия решений о проведении тех или иных мероприятий на водосборах включает в себя несколько этапов рассмотрения. Реализация изложенного выше подхода к оптимизации ландшафтной структуры водосборов сопряжена со значительными трудностями методического, технического и информационного характера. Поэтому и его практическое применение ограничено весьма немногочисленными примерами, показанными, например, в [Имитационное моделирование…, 1989; Н.А. Назаров, 1996].

На данном же этапе развития методов улучшения гидрологического режима водосборов малых равнинных рек практическое применение геосистемной концепции рекомендуется осуществляться в следующей последовательности: 1. Дается общая характеристика природных условий и хозяйственной деятельности в рассматриваемом бассейне малой реки; 2. Проводится оценка региональных изменений характеристик климата и реакции на них гидрологических процессов, формирующихся на этом водосборе (ПВСС, местного речного стока и др.); 3. Осуществляется геоэкологическое районирование водосбора по видам антропогенных воздействий, по степени экологической опасности, по интенсивности диффузного загрязнения; 4. Производится выбор малого водосбора, находящегося в «критическом» экологическом состоянии и определяется набор методов улучшения его гидрологического режима. 5. Для агросистем этого водосбора определяются вид и параметры различных агротехнологий, дается оценка гидрологической эффективности их применения по снижению ПВСС и изменению структуры водного баланса водосборов; 6. С использованием экологических критериев производится оценка гидрологической эффективности улучшения водного режима и качества воды малой реки «критического» водосбора; 7. Рассматриваются варианты применения различных методов улучшения гидрологического режима «критического» водосбора и осуществляется выбор оптимального варианта с использованием экономических критериев. 8. Даются оценки гидрологической эффективности применения комплекса мелиоративных мероприятий, разработанных для «критического» водосбора, по улучшению гидроэкологического состояния основной реки, структурным элементом которой он является.

Оценивая в целом состояние проблемы улучшения гидроэкологического состояния малых равнинных рек необходимо отметить, что, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в решении ее основных наиболее актуальных вопросов, многие из них требуют своего дальнейшего более глубокого анализа. Проведение такого анализа возможно только на основе выявления новых закономерностей протекания как гидрологических, так и других природных и социально-экономических процессов, обусловливающих функционирование природно-антропогенных геосистем различных пространственных масштабов. Важным моментом такого анализа является разработка и использование моделей и методов, позволяющих все более адекватно описывать и прогнозировать наблюдаемые в реальности динамику и развитие этих процессов и самих природно-антропогенных геосистем водосборов малых равнинных рек.


Глава 4. Реакция гидрологических процессов, формирующихся на водосборах и речного стока малых равнинных рек на изменения регионального климата и хозяйственной деятельности

Одной из актуальных проблем современности, затрагивающей жизненно важные интересы всего человечества, является проблема глобальных изменений климата. Исследованию различных аспектов этой проблемы посвящено множество работ, выполненных в разных странах мира, которые в значительной степени обобщенны в трудах М.И. Будыко, Г.С. Голицина, Ю.А. Израэля, К.Я. Кондратьева, В.М. Котлякова и других исследователей, а также в докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК, IPCC) [Ю.А. Израэль и др., 2007].

Глобальные изменения климата неизбежно приводят к трансформации естественного хода многих природных процессов и изменениям во всех компонентах биосферы на глобальном, региональном и локальном уровнях [С.Г. Добровольский, 2002]. Оценка экологических, экономических и социальных последствий изменения климата является важным направлением исследований этой проблемы [Материалы Конференции по климату, 2004].

В диссертации приведен обзор основных работ, выполненных в рамках этого направления. Отмечено, что, несмотря на значительный прогресс, достигнутый в исследовании реакции различных природных процессов и социально-экономических систем на колебания климата, малоизученным остается вопрос о влиянии этих изменений на ПВСС и речной сток малых равнинных рек и на факторы, определяющие условия формирования этих процессов и характеризующие гидротермическое состояние водосборов на начало снеготаяния (максимальные снегозапасы, влажность почвы, глубина ее промерзания). В тоже время его решение очень важно для выявления тенденций изменения водного режима водных объектов и территорий, а также разработки и осуществления адаптационных мероприятий [И.А. Шикломанов, В.А. Георгиевский, 2002]. Как отмечалось ранее (глава 1), на ПВСС и обусловленный им годовой и весенний речной сток малых рек помимо колебаний регионального климата существенное влияние оказывает хозяйственная деятельность человека. Поэтому многолетние колебания этих гидрологических процессов необходимо рассматривать как результат их совместного влияния.

4.1 Основные задачи и исходные данные

Оценка реакции межгодовой изменчивости рассматриваемых гидрологических процессов на соответствующие колебания характеристик регионального климата в данной работе основана на решении нескольких частных задач с использованием различных статистических методов анализа временных рядов [А.В. Рождественский, А.И. Чеботарев, 1974; В.М. Евстигнеев, 1990].

Такими задачами являлись:

1. Оценка репрезентативности данных наблюдений о многолетней и годовой изменчивости характеристик климата на опорных метеостанциях для других территорий в пределах рассматриваемых природных зон;
   
2. Оценка вклада изменчивости показателей климата в теплые (апрель-октябрь) и холодные (ноябрь - март) сезоны года в формирование многолетней изменчивости их средних годовых величин;
   
3. Выявление закономерностей в многолетних колебаниях средних годовых значений показателей климата, факторов гидротермического состояния водосборов, ПВСС и речного стока малых равнинных рек;
   
4. Оценка однородности рядов наблюдений;
   
5. Оценка времени запаздывания в наступлении маловодных и многоводных фаз в многолетних колебаниях гидрологических процессов на водосборах и речного малых равнинных рек по отношению к соответствующим многолетним колебаниям характеристик климата.
   

Исходными данными являлись длительные ряды ПВСС и факторов гидротермического состояния для экспериментальных водосборов трех опорных БВС (более 40 лет), средних месячных величин температуры воздуха и сумм осадков, годового стока на ближайших к ним метеостанциях и в замыкающих створах малых рек, расположенных в южной части лесной, лесостепной и степной зонах Русской равнины (от 60 до 75 лет). Ими являлись: лога «Лесной» и «Полевой» воднобалансового стационара «Малая Истра», м/с «Новый Иерусалим», р. Истра – п. Павловская Слобода; лог «Малютка» Нижнедевицкой ВБС с одноименной м/c, р. Хопер – п. Новохоперск; стоковые площадки с разным видом подстилающей поверхности (зябь и уплотненная почва) Волгоградского стационара Всероссийского НИИ агролесомелиорации РАСХН (ВНИАЛМИ), м/c «Волгоград - СХИ», и р. Иловля – п. Александровка, соответственно. Особенностью использованных данных являлось то, что они охватывали современный период, вплоть до 2000 – 2004 годов. При этом исходили из того, что ПВСС, формирующийся в логах, включает в себя также сток верховодки и внутрипочвенный сток, доля которых в отдельные годы в его общем объеме может составлять 10 –20%.

Для восстановления пропущенных данных о значениях факторов формирования ПВСС и речного стока использованы приведенные в работе уравнения регрессии между этими факторами и различными гидрометеорологическими характеристиками в зимние сезоны, коэффициент корреляции между которыми r > 0,4.

4.2 Репрезентативность данных опорных метеостанций о многолетних колебаниях регионального климата для других регионов в пределах природных зон

В работе рассматривается возможность распространения многолетних метеорологических данных наблюдений на опорных метеостанциях для территорий других регионов в пределах рассматриваемых природных зон.

В табл. 2 приведены осредненные величины средних многолетних характеристик показателей климата и их пространственной изменчивости, рассчитанные по данным для субъектов РФ и сопредельных государств (Белоруссия, Украина, страны Балтии), агрегированных по рассматриваемым природным зонам [Научно-прикладной справочник…, 1989].

Таблица 2.

Характеристики пространственной изменчивости средних многолетних значений показателей климата на территории Русской равнины.

Показатели климата	Характеристики климата	Южная часть лесной зоны	Лесостепная зона	Степная зона	Для всех зон
Осадки, (мм)	Среднее	732	621	488	614
	σ	51,2	55,9	83,0	63,0
	Сv	0,07	0,09	0,17	0,11
Темп-ра годовая, t0C	Среднее	5,3	6,1	8,5	6,6
	σ	1,3	1,8	1,7	1,6

Результаты расчетов показывают, что пространственная изменчивость средних многолетних годовых осадков и средней многолетней годовой температуры воздуха в каждой из природных зон в целом невелика. Это позволяет считать, что закономерности их многолетних изменений, полученные для рассматриваемых опорных метеостанций, могут быть распространены на территории других регионов, расположенных в пределах одной и той же природной зоны.

Подтверждением этому являются достаточно высокие коэффициенты корреляции между средними годовыми характеристиками этих показателей климата для опорных метеостанций и метеостанциями, расположенными на других территориях в каждой из природных зон (табл.3).

Таблица 3.

Коэффициенты корреляции между средними годовыми характеристиками показателей климата на опорных и других метеостанциях в пределах природных зон на Русской равнине.

Опорная метеостанция	Метеостанция в природных зонах	Страна	Температура воздуха	Осадки
Новый Иерусалим	Даувгавпилс Вязьма Муром	Латвия Россия Россия	0.95 0.99 0.93	0.73 0.77 0.67
Нижнедевицкая ВБС (Воронеж)	Липецк Казачья Лопатка Жердевка	Россия Украина Россия	0.93 0.95 0.96	0.75 0.69 0.69
Волгоград-СХИ	Денисовка Камышин Эльтон	Россия Россия Россия	0.97 0.96 0.94	0.86 0.85 0.85

4.3 Вклад изменчивости характеристик климата в холодный и теплый сезоны в изменчивость их средних годовых величин

Многолетние изменения средних годовых характеристик климата обусловлены различной степенью связности и сложной суперпозицией их колебаний за холодный и теплый сезоны года и имеют как общие для всех природных зон черты, так и существенные отличия (рис. 2).

Основными общими закономерностями их изменений являются:

а). Синхронность колебаний средней годовой и за холодный сезон температуры воздуха во всех природных зонах в периоды, когда длительные фазы их изменений полностью совпадают: 1939 -1970 гг. – фаза их уменьшения и 1988-89 гг. – по настоящее время – фаза повышения, обусловившие более высокую корреляцию между средней годовой и за холодный сезон температурой воздуха , чем за теплый -




б). Наоборот, изменения средних годовых и за теплый сезон сумм атмосферных осадков, более синхронны, чем за холодный, о чем свидетельствуют и более высокая корреляция между средними годовыми и за теплый сезон суммами осадков, чем за холодный - для м/с Новый Иерусалим и для других м/с, соответственно.

в). В каждой природной зоне отсутствует связь между средними годовыми температурами и суммами осадков.

г). Существует определенная последовательность в начале наступления фазы устойчивого повышения показателей климата, как внутри каждой природной зоны, так и между ними:

1. Во всех природных зонах из всех рассматриваемых показателей климата раньше всего начиналось увеличение осадков холодного сезона года.

2. В каждой из природных зон существует одно и то же запаздывание во времени в среднем в 12 лет между началом увеличения осадков холодного сезона и началом увеличения средних годовых и за теплый сезон осадков. Но начало наступления фазы увеличения одноименных видов осадков в лесостепной и степной зонах запаздывает на те – же в среднем 12 лет по отношению к началу их роста в южной части лесной зоны.

3. Фаза устойчивого увеличения средних годовых сумм атмосферных осадков во всех природных зонах наступает раньше, чем фаза повышения средней годовой температуры воздуха. Разница между временем наступления фазы повышения соответственно средних годовых осадков и температуры воздуха составляет в южной части лесной зоны 6 лет (1963-1964 и 1969-1970 гг), в других природных зонах – 10 -11 лет (1976 - 1977 и 1987 - 1988 гг).

4. Наибольшие отличия для всех природных зон присущи многолетней изменчивости температуры воздуха в теплый сезон. Для южной части лесной и степной зон ее изменения асинхронны в течение практически всего многолетнего периода. Для южной части лесной зоны характерна общая тенденция к ее постоянному увеличению, начиная с 1930 г до настоящего времени.

5. Анализ матрицы межзональных коэффициентов корреляции между всеми показателями климата показал, что наиболее тесные связи существуют, также как и внутри каждой зоны, между средними годовыми и за холодный сезон температурами воздуха. Более высокая теснота связи характерна для соседних друг с другом с севера на юг природным зонам. Степень межзональных связей между различными видами осадков в целом невелика и значительно уступает межзональным связям температуры воздуха.

Выявленные закономерности в многолетних изменениях показателей климата в разные сезоны года позволили сделать вывод о том, что во всех природных зонах изменения температуры воздуха в холодный сезон года оказывают более значительное влияние на изменения средней годовой температуры воздуха, чем в теплый.




Рис 2. Разностно-интегральные кривые сумм температур воздуха и осадков по данным опорных метеостанций: а –м/с «Новый Иерусалим; б- м/с «Нижнедевицкая БВС»;в - м/с «Волгоград» .

– теплый период; - за год; - холодный период.

Наоборот, определяющий вклад в изменения сумм годовых осадков оказали их изменения в теплый сезон. В межзональном взаимодействии изменения средних многолетних осадков в каждой природной зоне не зависят от их изменений в других зонах и, наоборот, изменения средней годовой и за холодный сезон температуры воздуха с севера на юг в одной природной зоне, оказывают существенное влияние на их изменения в других природных зонах. Однако, в связи с тем, что запаздывание начала наступления фазы устойчивого повышения средних годовых осадков произошло в среднем на 12 лет и средней годовой температуры воздуха на 18 лет позже в лесостепной и степной зонах по отношению к южной части лесной зоны, можно считать, что в многолетних колебаниях показателей климата определяющую роль в целом играет их внутри зональная изменчивость и значительно меньшую – их межзональное взаимодействие.

4.4 Многолетняя изменчивость показателей регионального климата по данным

опорных метеостанций

Анализ статистических параметров рядов средних годовых, за теплый и холодный сезоны года показателей регионального климата, а также их однородности для опорных метеостанций позволил установить следующие закономерности их многолетних изменений. Для всех метеостанций с большой уверенностью диагностируется существенное изменение региональных климатических условий после конца 70 – ых годов прошлого века: статистически значимо возросли средние годовые и за остальные сезоны года осадки (вероятность превышения наблюденной величины t -критерия от 1,4 до 3,0%). Наибольшее абсолютное и относительное увеличение средних годовых сумм осадков отмечается для м /c Волгоград – СХИ – на 85 мм или на 26,2%. Для м/с Новый Иерусалим и Нижнедевицкой БВС рост средних годовых сумм осадков сопоставим между собой: на 63,1 мм (11%) и на 67 мм (12,5%), соответственно.

Увеличение атмосферных осадков сопровождалось статистически значимым повышением температуры воздуха. С высокой вероятностью превышения наблюденной величины t -критерия от 0,2 до 3,5% диагностируется увеличение среднегодовой и за холодный сезон температура воздуха (на 0,7⁰С и 0,9⁰С, по м /c Новый Иерусалим, на 1⁰С и 1,9⁰С по м/с остальных ВБС), соответственно. С меньшей, но также с достаточно высокой статистической значимостью (вероятность превышения t - критерия от 3,5 до 30%) повысилась температура воздуха в теплый сезон на 0,1 – 0,4⁰С на метеостанциях, расположенных во всех природных зонах

4.5 Влияние региональных колебаний характеристик климата на многолетнюю изменчивость факторов гидротермического состояния малых водосборов на начало снеготаяния и ПВСС

Факторы гидротермического состояния водосборов на начало снеготаяния (максимальные снегозапасы, глубина промерзания и влажность почвы) достаточно быстро реагирует на региональные изменения показателей климата. Совместный анализ разностно – интегральных кривых (РИК) показателей климата и факторов гидротермического состояния малых водосборов в лесостепной и степной зонах показал, что период увеличения снегозапасов и глубины промерзания почвы (до 1980 г на стоковых площадках ВНИАЛМИ и до 1988 г для лога «Малютка») практически полностью соответствует периодам понижения среднегодовых и за холодный сезон осадков и температуры воздуха. Увеличение температуры воздуха в холодный сезон, начиная с 1969 г в степной зоне и с 1988 г - в лесостепи, привело к увеличению числа и продолжительности оттепелей и сокращению длительности зимнего сезона. В этой связи, несмотря на продолжающийся рост осадков, началась фаза одновременного уменьшения величины максимальных снегозапасов и глубины промерзания почвы на начало снеготаяния.

Результатом изменений этих показателей гидротермического состояния водосборов явилось увеличение влажности почвы к началу и снижение ПВСС непосредственно в сам период снеготаяния. В работе приведены данные о фактических величинах и статистической значимости (вероятность превышения t -критерия от 2.2 до 2.3 %) изменений показателей гидротермического состояния водосборов и ПВСС (рис. 3)

Показано, что общая тенденция снижения ПВСС на водосборе «Малютка» была прервана в 1985г из – за наступления аномально благоприятных условий для его формирования в 1985 - 1987 и особенно в 1996 годах, не наблюдавшихся здесь за весь многолетний период. Сделан вывод о том, что факторы гидротермического состояния водосборов практически одновременно реагируют на изменения, прежде всего, температуры воздуха в холодный сезон.

4.6 Реакция годового речного стока малых равнинных рек на колебания показателей регионального климата и хозяйственной деятельности

Многолетние колебания речного стока, в большей степени, чем ПВСС обусловлены не только климатической изменчивостью, но различиями в геологическом строении, рельефе, почве и других физико-географических характеристик водосборов в этих природных зонах, влияющих на процесс трансформации осадков в речной сток.


Σ(K_i-1)


Рис. 3. Динамика ПВСС на опорных ВБС за многолетний период .

Малая Истра: - поле; - лес. Нижнедевицк - лог Малютка.

Волгоград: - светло-каштановые почвы – зябь; - светло-каштановые почвы – уплотненные.

При этом хозяйственная деятельность на водосборах и в речной сети может в значительной мере как усиливать, так и компенсировать влияние климатических изменений на годовой и весенний речной сток.

В работе приведены примеры совместного влияния изменений характеристик климата и хозяйственной деятельности на изменение годового и весеннего стока рек в разных природных зонах. На рис. 4 показаны совмещенные РИК средних годовых температуры воздуха (в отклонениях от среднего), осадков и годового стока малых рек, протекающих в зоне распространения данных опорных БВС и метеостанций.




Рис. 4. Разностно-интегральные кривые средних годовых величин показателей климата и речного стока в различных природных зонах Русской равнины: - средняя годовая температура воздуха (в отклонениях от среднего); - средние годовые осадки; - средний годовой речной сток. а) – южная часть лесной зоны; б) – лесостепная зона; в) – степная зона.

Из них видно, что колебания годового речного стока малых рек, протекающих в разных природных зонах, различны. Проведен сравнительный анализ этих изменений в маловодный и многоводный по осадкам периоды и показано, что неоднородная реакция речного стока этих рек в разных природных зонах Русской равнины на многолетние колебания характеристик климата обусловлена следующими основными причинами: 1- различиями в условиях увлажнения территорий этих зон; 2 – различиями в залесенности водосборов и в мощности зоны аэрации от поверхности до подземных водоносных горизонтов, дренирующихся речными долинами; 3 - хозяйственной деятельностью человека. В маловодную по осадкам фазу во всех природных зонах основное питание рек осуществляется за счет ПВСС. В южной части лесной зоны лесной и лесостепной зонах наличие лесов приводит к уменьшению его общего объема, который мог бы сформироваться при их отсутствии. В степной зоне, наоборот, отсутствие лесов приводит к тому, что весь объем ПВСС, формирующийся на склонах, практически полностью стекает в малые реки.

В многоводную по осадкам фазу в результате повышения средней годовой и за холодный сезон температуры воздуха происходит перестройка структуры водного баланса малых водосборов. Она заключается в том, что значительная часть аккумулированных за зиму в снеге осадков расходуется уже не на ПВСС, а идет на пополнение почвенных и подземных вод. За счет эффекта запаздывания, вызванного увеличением времени дренирования талых и дождевых вод, формирующихся на водосборе, реакция годового речного стока наступает не одновременно с началом наступления изменений показателей климата, а с определенным временным запаздыванием. Для южной части лесной и лесостепной зонах время запаздывания составило 6-8 лет. В степной зоне отсутствием лесов и большой мощностью зоны аэрации обусловлена асинхронность речного стока по отношению к другим природным зонам, а влияние климатических изменений на годовой речной сток происходит с большой задержкой. В многоводный по осадкам период происходит медленное накопление подземных вод и снижение речного стока, в маловодный по осадкам период – их сработка и увеличение речного стока. В связи с тем, что многоводный по осадкам период продолжается до настоящего времени, сделан вывод о том, что реакция речного стока на многолетние изменения климата в этой природной зоне составляет 25 и более лет. В работе приведены примеры того, как хозяйственная деятельность на водосборах могут увеличивать или уменьшать время реакции годового речного стока на изменения показателей регионального климата.

4.7 Влияние колебаний климата и хозяйственной деятельности на ПВСС и весенний речной сток

Проведен анализ совмещенных РИК средних годовых величин ПВСС на водобалансовых объектах с разным видом подстилающей поверхности (зябь и уплотненная почва) для нескольких БВС, расположенных в рассматриваемых природных зонах и весеннего речного стока малых рек, протекающих вблизи этих стационаров [С.В.Ясинский, Е.А.Кашутина, 2008]. Показано, что влияние хозяйственной деятельности в руслах этих рек на весенний речной сток значительно превосходит влияние колебаний характеристик климата в этот сезон, в то время как синхронность этих колебаний с ПВСС, независимо от вида подстилающей поверхности во всех природных зонах, свидетельствует о преобладающем их влияние на формирование этого процесса на водосборах малых равнинных рек.