ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ
УДК 551.480+551.583.13
ВОДНЫЙ БАЛАНС ПРИРОДНЫХ ЗОН БАССЕЙНА р. ВОЛГИ В РАЗНЫЕ ПО ВОДНОСТИ ФАЗЫ МНОГОЛЕТНЕГО ПЕРИОДА*
© 2013 г. С.В. Ясинский
Институт географии РАН Поступила в редакцию 18.05.2012 г.
Разработана методика расчета элементов водного баланса и его структурных коэффициентов для природных зон и всего бассейна р. Волги в маловодные и многоводные фазы многолетнего периода. Приведены карты распределения элементов водного баланса в эти фазы в отклонениях от средних многолетних величин для субъектов РФ, расположенных на территории волжского бассейна. Оценка методики показала, что с наибольшей точностью она позволяет рассчитывать элементы водного баланса для лесной и с меньшей - для лесостепной природных зон. Для степной зоны необходимо уточнение параметров для расчета испарения с больших территорий за достаточно продолжительный период.
Изучению природных условий и водных ресурсов бассейна р. Волги, различных аспектов хозяйственной деятельности и характеристике антропогенной нагрузки на ее водосбор, качеству воды самой реки, ее наиболее крупных притоков и 11 водохранилищ посвящена обширная литература, в значительной степени обобщенная в фундаментальных монографиях [8-10, 27, 28]. Особенное внимание было уделено исследованию многолетних колебаний речного стока, что обусловлено его определяющим влиянием на изменение уровня Каспийского моря [2, 18, 21, 26, 29]. В значительно меньшей степени изучена структура водного баланса бассейна, то есть соотношения между составляющими его элементами (осадками, испарением, инфильтрацией, подземным и поверхностным речным стоком). Исчерпывающие сведения о средних многолетних значениях элементов водного баланса, осредненных по субъектам РФ, полностью или частично расположенных в бассейне Волги, содержатся в [7].
Со времени выхода в свет этой работы прошло уже 45 лет и полученные в ней данные могли несколько измениться в связи с изменением климата, ландшафтной структуры водосбора под влиянием хозяйственной деятельности и удлинения рядов наблюдений за элементами водного баланса. Однако в связи с тем, что рассматриваются осредненные за многолетний период элементы водного баланса, можно полагать, что эти
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 12-0500838).
изменения в приведенных данных будут не столь существенны. Кроме того, поскольку никаких новых обобщений по этому вопросу пока не сделано, приведенные в данной работе сведения являются, по существу, единственным источником информации о структуре водного баланса Волги и других крупных речных бассейнов РФ.
В [20] за аналогичный многолетний период (с конца 1890-х до начала 1960-х гг. также проведены расчеты водного баланса этого бассейна и разных природных зон Русской равнины, при этом учитывалось более 10 элементов водного баланса. Для всего бассейна Волги осадки составили 662 и 660 мм соответственно, суммарный речной сток в обеих работах составил - 187 мм, то есть результаты расчетов оказались сопоставимыми друг с другом, несмотря на то что получены разными методами.
Можно отметить работы [3, 17, 22, 25], в которых рассматривались результаты анализа различных аспектов многолетних колебаний элементов водного баланса, осредненные для всего бассейна р. Волги. Однако, как известно, вся территория бассейна Волги расположена в пяти природных зонах, характеризующихся собственными режимами тепла и влаги, которые определяют не только природные условия этих территорий, но и характер хозяйственной деятельности.
С начала надежных наблюдений (1881 г.) в многолетних колебаниях речного стока Волги в замыкающем створе г. Волгограда четко выделяются три различные по водности фазы, обусловленные
Таблица 1. Характеристики стока в разных по водности фазах многолетнего периода в замыкающем створе р. Волги - г. Волгоград*
Фаза водности Период, годы Длительность, число лет Объем стока, W км3 Расход, Q м3/сек Слой стока, мм
средняя 1881-1928 48 258.6 8190 190
маловодная 1929-1977 47 240.8 7625 177
многоводная 1978-2009 31 280 8857 205
* Слой стока рассчитан при площади бассейна Волги 1360 тыс. км2 [7].
асинхронно стью формирующих его воднобалан-совых процессов [32]. Основные характеристики речного стока в этих фазах приведены в табл. 1.
В результате важной особенностью многолетних колебаний годового стока Волги, отличающей его от "белого шума", является цикличность, то есть тенденция к группировке лет повышенной (пониженной) водности без устойчивой периодичности процесса [16]. При этом вклад абсолютно непредсказуемого "белого шума" в дисперсию многолетних колебаний стока превышает 84%, что свидетельствует о невозможности статистического прогнозирования стока Волги даже на один год вперед [21].
Многолетние колебания стока Волги происходили при различных температурных условиях. При потеплении на 1 °С естественный сток Волги уменьшался в среднем на 5-10%, а при потеплении на 2 °С увеличивался на 15-20% [13]. Однако существует и другое мнение, что при потеплении на 1 °С в целом для бассейна Волги увеличение осадков компенсируется ростом температуры воздуха, и существенного изменения элементов водного баланса в бассейне Волги не происходит [3]. В ряде последних работ содержатся довольно убедительные выводы о том, что современный период увеличения приземной температуры воздуха закончился и ожидается наступление периода похолодания [24, 30, 33].
Значения элементов водного баланса и его структуры в фазы их понижения и повышения за прошедший многолетний период могут служить аналогами их изменений в будущем. Поэтому представляется важным выявление временных и пространственных закономерностей колебаний характеристик водного баланса в разные по водности фазы в различных природных зонах и всего бассейна, что являлось целью данной работы.
Методика исследований и исходные данные.
Основой методики расчета структуры водного баланса является ранее доказанное положение о том, что в разных частях одной и той же природной зоны Европейской территории России (ЕТР)
фазы повышенных и пониженных значений средних годовых характеристик климата (температуры воздуха и сумм атмосферных осадков) наступают и изменяются практически синхронно [34]. При этом время наступления и колебания рассматриваемых характеристик климата в этих фазах различны для каждой из природных зон.
Из пяти природных зон, в которых расположен бассейн Волги, рассматриваются только три: степная зона была объединена с полупустынной, а в лесную зону объединены зоны смешанных и широколиственных лесов (рис. 1).
I I Степи
] Лесостепи
] Смешанные и широколиственные леса
^ Административное деление
Рис. 1. Природные зоны бассейна р. Волги и расположение опорных метеорологических станций.
Таблица 2. Характеристики среднего многолетнего водного баланса природных зон Волжского бассейна
слой, мм коэффициент Доля (%)подземного
сток рек ин-фильтрация коэффи-
осадки суммарный поверхностный подземный испарение циент стока ин-фильтрации стока от суммарного
Лесная зона
Среднее по зоне 694.8 189.4 137.9 51.5 505.4 556.9 0.27 0.8 27.5
С 0.09 0.25 0.32 0.33 0.07 0.06 0.22 0.07 0.32
Лесостепная зона
Среднее по зоне 618.0 124.3 84.3 40.0 493.7 533.7 0.2 0.9 32.3
С 0.06 0.28 0.28 0.47 0.07 0.06 0.26 0.04 0.31
Степная зона
Среднее по зоне 443.8 45.0 32.3 12.7 398.8 411.5 0.1 0.9 21.2
С 0.21 0.55 0.61 0.86 0.18 0.20 0.50 0.04 0.82
По всему бассейну
Среднее взвешенное 645.6 157.8 113.9 43.9 487.8 531.7 0.2 0.8 27.8
по бассейну С 0.18 0.51 0.58 0.51 0.13 0.13 0.43 0.10 0.41
Инфильтрация = осадки - поверхностный сток.
В табл. 2 приведены средние многолетние значения элементов водного баланса, его структурных коэффициентов и коэффициента вариации, осредненные по тем субъектам РФ, которые входят в ту или иную рассматриваемую природную зону бассейна Волги, агрегированные по данным [7]. В лесную зону были включены данные по 22 субъектам РФ, в лесостепную - по 8, в степную -по 5 субъектам, полностью, либо большей своей частью, входящим в бассейн Волги. Субъекты РФ, расположенные на окраинах ее бассейна, не рассматривались. Расчет водного баланса для всего бассейна Волги осуществлялся с учетом доли площади той или иной природной зоны. При этом принято, что лесная зона занимает 70%, лесостепная и степная - по 15% его территории. Оценка точности расчета осуществлялась для средних многолетних осадков и суммарного речного стока (величины остальных элементов водного баланса рассчитываются) путем сравнения с данными, имеющимися в литературе. Абсолютные отклонения результатов расчета осадков, полученные в данной работе и в [7], составляют 21.7 мм, суммарного стока - 38.8 мм. Относительные отклонения расчета осадков - 3.0%, суммарного стока - 20%, что представляется приемлемым.
Анализ приведенных данных показывает, что наименьшие значения коэффициента вариации присущи осадкам и испарению, наибольшие -речному стоку, что обусловлено не только ха-
рактеристиками климата, но в большей степени различиями в рельефе, почве и другими физико-географическими характеристиками водосборов в этих зонах, влияющими на процесс трансформации осадков в речной сток. Низкие значения коэффициента вариации осадков в пределах каждой из природных зон бассейна Волги еще раз подтверждают вывод о возможности распространения данных об их многолетних колебаниях, характерных для одной части рассматриваемой части этой зоны бассейна на другие части ее территории. В этой связи в каждой из рассмотренных природных зон были выбраны опорные метеостанции с длительными рядами наблюдений (м/с Новый Иерусалим, м/с г. Пенза, м/с г. Волгоград - СХИ соответственно) (рис. 1), по средним годовым данным которых построены разностно интегральные кривые осадков и температуры воздуха, на которых четко выделяются маловодные и многоводные фазы (рис. 2, 3). Для каждой опорной метеостанции рассчитывались средние значения сумм осадков и сумм температур за весь период наблюдений, маловодную и многоводную фазы.
Для подтверждения вывода о репрезентативности данных
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.