ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 5, с. 457-466
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ^^^^^^^^^^
И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.168
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ РЕСУРСОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ1
© 2015 г. Р. Г. Джамалов*, Н. Л. Фролова**, Е. П. Рец*, А. А. Бугров*
*Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы E-mail:frolova_nl@mail.ru, dzhamal@aqua.laser.ru Поступила в редакцию 11.07.2014 г.
Выполнен анализ условий формирования стока подземных и поверхностных вод, а также их ресурсов. Показано, что в последние годы происходили изменения, сопровождающиеся значительным снижением неравномерности внутригодового распределения, увеличением подземной и уменьшением поверхностной составляющих речного стока. Для многих рек России наблюдалось увеличение естественной зарегулированности стока, что может стать фактором повышения надежности водопользования, особенно в маловодный период года. Анализ современных условий формирования стока и водных ресурсов водосборов и регионов ЕЧР позволит более обоснованно подойти к прогнозным оценкам ресурсов подземных вод на ближайшую и отдаленную перспективу с учетом различных вариантов изменения основных ресурсообразующих климатических характеристик по существующим сценариям глобальных и региональных моделей климата.
Ключевые слова: естественные ресурсы подземных вод, ресурсы поверхностных вод, подземный сток, речной сток, режим стока.
Б01: 10.7868/80321059615050065
Правомерность концепции стационарности многолетних колебаний гидрометеорологических характеристик вызывает сомнение в последние десятилетия в связи с усилившейся на рубеже XX и XXI вв. нестабильностью климатических процессов. Происходящие изменения климата уже привели в ряде крупных регионов к существенным изменениям водного режима и условий формирования водных ресурсов. В настоящее время возникла необходимость региональной оценки современных характеристик стока рек, ресурсов подземных и поверхностных вод с учетом анализа их изменений под воздействием долговременных климатических вариаций.
Современные изменения режима стока рек на ЕЧР определяются, прежде всего, климатом. Характер атмосферной циркуляции, увеличение числа, продолжительности и "глубины" оттепелей, общее сокращение длительности холодного периода года служат причиной уменьшения глубины промерзания зоны аэрации [4, 6].
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 14-05-00341), РНФ (грант №14-17-00700).
Эта тенденция, согласно проведенному анализу данных наблюдений на агрометеостанциях, отмечается во всех природных зонах на ЕЧР. Глубина промерзания оценивалась по данным измерений температуры почво-грунтов на разных глубинах. Общее уменьшение глубины промерзания почвы сопровождалось ростом минимальной годовой температуры на глубинах >60 см, наблюдавшимся на агрометеостанциях ЕЧР (рис. 1) [11]. При этом наибольший градиент наблюдался за период с 1980-х по 2000-е гг., что нередко совпадает с периодом максимальной водности.
ОСОБЕННОСТИ РЕЖИМА СТОКА
Важное следствие увеличения числа, продолжительности и "глубины" оттепелей на ЕЧР — значительная зимняя сработка сезонных снеговых запасов при прохождении зимних паводков. По сравнению с предыдущими десятилетиями указанные выше процессы — причина роста потери талого стока на инфильтрацию, что наряду с увеличением осадков увеличивает запасы грунтовых вод. По данным ГГИ, на большинстве водно-
(а)
(б)
«
и
я
а
т
р
о %
о
р
с
а
Я
и
б ^
0
-50 -100 -150 -200 -250
чоооосч^гчоооосч^гчоооосч^гчоооо
|^|^ООООООООООСЛСЛСЛСЛСЛООООО^н
слслслслслслслслслслслслоооооо
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
и
и!
4 3 2 1
О 0
о
- -1 -2 -3 -4 -5
-гттТТ 1 1 1 1 111 | I \| Д |/| VI«н*ТТ 1 |"|.....\ 1
чООООСЧ^Т чс ¡>1^ 00 00 00 ОС слслслслсл о- ооом^-фоооо^юооо ООСЛСЛСЛСЛСЛООООО^н слслслслслслоооооо 80 см 160 см
_
Рис. 1. Изменения глубины промерзания (а) и минимальной температуры почво-грунтов (б) на агрометеостанции Сергач — среднее течение Волги.
балансовых станций (ВБС) рост уровня грунтовых вод (УГВ) в среднем составляет 50—130 см [2, 3]. Кроме того, при современном повышении температуры воздуха в холодный период происходит сокращение мощности ледового покрова рек, что снижает объемы сезонного изъятия меженного и минимального зимнего стока и повышает гидравлическую проводимость русла реки.
Реакция стока на изменчивость климатических факторов проявляется наиболее быстро на небольших водосборах, где сокращение глубины промерзания зоны аэрации сопровождается ак-
Средние значения соотношений максимальных расходов воды и минимальных месячных расходов зимней межени, м3/с, для ряда рек ЕЧР
Река створ Среднее значение
1945—1977 гг. 1978—2010 гг.
Волга—Старица 36 10
Обнора—Шарна 96 59
Кострома—Буй 73 61
Унжа—Макарьев 42 25
Мокша—Темников 69 19
Протва—Спас-Загорье 53 19
Угра—Товарково 37 19
Цна—Княжево 37 7
Сок—Сургут 33 17
Большой Кинель—Ти- 46 15
машево
Самара—Елшанка 59 22
Дон—Задонск 38 15
Хопер—Бесплемянный 42 11
Медведица—Арчади- 52 20
новская
тивным формированием ячеистой структуры распределения мощности мерзлой зоны с преобладанием слабо мерзлых площадей (до 50—60%), что приводит к увеличению потерь талого стока на инфильтрацию и питание подземных вод. В связи с этим снижаются весенний склоновый сток и пики половодья в речной сети. Коэффициент талого стока уменьшается до 0.3—0.4, и гидрограф половодья распластывается. С другой стороны, при суровых зимах более глубокое промерзание зоны аэрации способствует большей аккумуляции в ней осенней влаги и ее активному участию в формировании весеннего половодного стока [8, 9].
Изменение режима половодья сказалось на уменьшении максимальных расходов воды на 40—50% для рек в юго-западной части южного склона ЕЧР. Для рек ЕЧР значительно сократилось превышение максимальных расходов воды над минимальными месячными расходами зимней межени (таблица). Если в период 1945—1977 гг. максимальные расходы воды превышали минимальные месячные расходы зимней межени на реках бассейна Оки, Верхней и Нижней Волги и Дона в 30—70 (местами в 70—100) раз, то в период 1978—2010 гг. эти соотношения снизились соответственно до 10—25 и 50—60 раз.
Общие закономерности изменения внутриго-дового распределения стока рек ЕЧР отражаются на динамике коэффициента естественной зарегу-лированности ф. Коэффициент ф соответствует доле базисной части годового объема стока, которая отражает естественную зарегулированность водосбора и его аккумулирующую способность, поэтому величина ф со временем меняется в зависимости от соотношений водности лет и их группировок.
Увеличение ф на всей ЕЧР (за исключением ряда рек северного края) свидетельствует о существенных изменениях условий формирования стока и его режима в последние годы, сопровождающихся значительным уменьшением неравномерности внутригодового распределения, увеличением подземной и уменьшением поверхностной составляющих речного стока [5, 10, 15].
Максимальные значения ф (0.65—0.85) наблюдались в 1978—2010 гг. относительно 1945—1977 гг. в бассейне Оки. Значительное увеличение значений ф в 1978—2010 гг. произошло также в левобережной части бассейна Нижней Волги (на 25— 40%).
Следовательно, происходит перестройка режима стока рек ЕЧР: сокращение стока за половодье и увеличение зимних расходов воды, т.е. перераспределение водных масс между основными фазами гидрологического режима. Эти процессы имеют региональный характер, в результате чего растет степень естественной зарегулированности стока (отношение базисного стока к годовому).
СООТНОШЕНИЕ ПОДЗЕМНОГО И МЕЖЕННОГО СТОКА
В условиях меняющегося водного режима возникает необходимость проверки того, насколько традиционно используемые показатели (средний меженный расход, минимальные месячные расходы) выражают динамику естественных ресурсов подземных вод (подземной составляющей стока рек) [1].
Сопоставление результата расчета подземной составляющей стока бподз методом расчленения гидрографа (по Б.И. Куделину [12]) с ее оценкой по меженному расходу воды показало, что значения коэффициента корреляции между данными величинами составляет от 0.6 до 0.9. Значительный разброс точек часто обусловлен большей дисперсией оценки подземной составляющей по меженному расходу воды (в 1.5—2 раза). При этом среднее за отдельные периоды (до 30 лет) значение меженного расхода воды практически совпадает со средним значением бподз, рассчитанной за те же периоды методом расчленения гидрографов. Систематическое отклонение составляет <5—10% для бассейна Оки, ряда притоков Волги и верхнего течения Дона, и <15—20% для рек бассейна Камы (рис. 2). Таким образом, можно считать состоятельной оценку средней величины 0подз за определенные периоды по меженному стоку.
бподз рек ЕЧР отличается высокой коррелиро-ванностью с минимальным месячным зимним и летним расходом воды. Для рек Ока (створ Муром) и Унжа (створ Кологрив) коэффициент корреляции между многолетними колебаниями бподз и минимального месячного расхода воды зимней межени составляет 0.9, коэффициент корреляции между многолетними колебаниями бподз и минимального месячного расхода воды летней межени чуть ниже — 0.87—0.89 (рис. 3). При этом для множественной линейной корреляции с использованием обоих минимальных месячных расходов в качестве предиктора коэффициент составит 0.96—0.98. Так, для рек бассейна Дона связь бподз с минимальными месячными значениями в среднем составляет 0.87—0.94, причем это соотношение не опускается ниже 0.8.
Коррелированность бподз и минимальных месячных летних 0лет и зимних Qзим расходов воды несколько слабее в бассейнах Вятки и Мологи, при этом величина бподз имеет более тесную связь с колебаниями 0>лет (0.7—0.8). Более слабая зависимость бподз от 0лет и Qзим характерна для верховьев р. Камы (створ Гайны): коэффициент корреляции с многолетними колебаниями 0лет составляет 0.45—0.75, с многолетними колебаниями Qзим — 0.71-0.75.
Многолетние колебания Qзим достоверно
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.